Научная методология и технические решения солнечных энергетических станций (СЭС) башенного типа

Важность проблемы использования энергии солнечной радиации была подчёркнута в принятых ХХУ1 съездом КПСС «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 -1985 годы и на период до 1990 года», где записано: «Увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной)» .

Согласно постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР, а также приказа Минэнерго СССР № 116 от 23.02.1982 в РиО ТЭП" е под научным руководством лаборатории солнечных электростанций ЭНИН" а им. Г. М. Кржижановского ведётся проектирование первых в СССР солнечных электростанций СЭС башенного типа. Дня того, чтобы накопить предварительный опыт, сооружение СХ ведётся в две стадии: первая — СЭС-5 экспериментального характера мощностью 3−5 МВт, вторая — опытно-промышленная станция СЭС-300 мощностью 200−300 МВт, состоящая из 4-х модулей по 50−75 МВт каждый.

В Советском Союзе работы в области исследования использования солнечной энергии были начаты с 1924 г. и получили дальнейшее развитие в 1931;35 гг. В начале 40-х годов начинается интенсивное развитие исследований в области гелиотехники под руководством академика М. В. Кирпичёва, а в 1950 г. в ЭНИН" е образуется первая в СССР научно-исследовательская гелиотехническая лаборатория. Под руководством академика М. В. Кирпичёва и его продолжателя академика.

В.А.Баума здесь были защищены более сорока диссертационных работ, охватывающих основные теплотехнические направления и многие работы ио термоэлектричеству.

Особую категорию гелиотехнических устройств составляют крупные энергетические станции промышленного типа, которые могли бы стать прообразом будущих СЭС и при определенных условиях л составить основу энергетики будущего.

В настоящее время этот вопрос приобрел особое значение в связи с экономическим кризисом, который повлек за собой сильное удорожание топлива. Однако не только один этот фактор повлиял на рост интереса человечества к применению энергии солнечной радиации. Есть еще другая причина, связанная с экономией существующих ресурсов, их бережньш расходованием с учетом интересов будущих поколений.

Многие эксперты мира считают, что добыча и потребление нефти будут расти до 2000 года, после чего наступит сильный спад, почти до нулевого ее производства. Этот прогноз в области производства энергии заставляет предусматривать ситуации, когда необходимо привлекать новые источники энергии, отличные от классических*.

На всех последних международных энергетических конференциях проявляется особый интерес к разумному распределению различных источников энергии в общем энергетическом балансе мира, чтобы определить их~ необходимые места в будущая ¡-энергетическом балансе.

Таким образом поднимается серьезный вопрос о целесообразности ускорения внедрения в хозяйство возобновляемых источников энергии всех стран мира.

К солнечной энергии, как одному из видов возобновляемых источников энергии, предъявляются больше требования технического и экономического характера, обеспечение которых крайне необходимо для широкого внедрения.

Не останавливаясь здесь на различных вариантах применения солнечной энергии, направим наше внимание в данной работе на солнечные энергетические станции, которые проектируются и строятся в настоящее время в ряде стран мира.

Настоящая работа содержит основные результаты, накопленные автором, начиная с 1953 г. от проведенных исследований различных: схемсолнечных энергетических станций (СЭС) башенного типа. Большое количество проведенных исследований (в Энергетическом институте им. Г.М.Кржижановского)было направлено на создание технических разработок таких типов солнечных энергетических сооружений, которые были бы как с научных, так и с инженерно-технических позиций конкурентоспособными по сравнению с традиционными электростанциями. Рассмотренная в этой работе принципиальная схема СЭС башенного типа разработана автором еще в 1953 г. совместно с академиком Б. А. Баумом и кандидатом технических наук Б. А. Гарфом. Эти разработки были доложены на ряде международных симпозиумов (в Индии, США, Италии, Франции и других странах). Первые публикации автора под названием «Солнечные станции большой мощности» появились в 1957 г. в журнале «Теплоэнергетика», № б б сборнике «Использование солнечной энергии» АН СССР и в американском журнале Sotar Energy te I, январь 1957 г.

Советские исследования в области создания солнечных энергетических станций получили в последнее время большую поддержку со стороны Министерства энергетики и электрификации СССР. Для сооружения первых опытных солнечных станций башенного типа мощноетью 3−5 и 200−300 МВт (СЭС-5 и СЭС-300) Министерством энергетики и электрификации были изданы: Указание № Н-8115 от 3.07. 1978 г. и Приказ № 411 от 25.12.1980 г, и № 116 от 23.0.

Следует отметить, что при использовании энергии солнечной радиации для производства электроэнергии решаются одновременно два основных вопроса сегодняшней и перспективной энергетики :

— экономия топливных ресурсов;

— сохранение окружающей среды.

Чтобы решить эти два вопроса в последнее время проведен ряд специальных мероприятий, стоимость которых превосходит многие миллиарды рублей, Многие из этих мероприятий направлены на г: развитие и внедрение новых источников энергии, в том числе солнечной радиации.

Представленная на обсуждение диссертационная работа состоит из трех основных разделов:

I. Развитие основных идей по солнечным энергетическим станциям. Классификация и систематизация.

П. Технико-энергетические характеристики концентратора солнечного излучения СЭС.

Ш. Специфические особенности отдельных систем СЭС.

В первом разделе рассматриваются основные типы гелиоустановок, которые по своим техническим показателям имеют характер солнечных энергетических установок или станций. В этот раздел входят две главы (I, 2).

Первая глава посвящена рассмотрению технических характеристик основных образцов солнечных энергетических установок, которые явились исходными для дальнейших разработок.

Во второй главе перечислены основные системы принципиальной схемы СЭС и их классификации.

Во втором разделе анализируются основные вопросы, связан" ные е созданием концентратора солнечного излучения фацетного типа, образованного из совокупности многих зеркальных отражателей (гелиостатов). В этот раздел входят три главы (3, 4 и 5).

Третья глава посвящена исследованию геометрических и кинематических особенностей поля гелиостатов, при этом раскрываются характерные изменения геометрии, а также специфика движения гелиостатов. Для этой цели предложены и применяются ряд специфических методик: метод изокос, метод нормалограмм (годографов скоростей), позволяющих трактовать совокупность отражателей СЭС башенного типа, как своеобразное поле геометрических и кинематических величин.

В четвертой главе исследуется — - разработанная автором методика приближенного расчета поверхностной плотности излучения, созданного полем гелиостатов на поверхности нагрева парогенератора, расположенного на вершине опорной башни. Результаты расчета представлены в виде графиков.

Пятая глава содержит методики измерения лучистых потоков, отраженных гелиостатами, реализованные на отдельных макетах СЭС или отдельных зеркал&хЗ этих опытах, уникальных по своему характеру, экспериментально определены основные / оптические и энергетические характеристики. Здесь применялись, наряду с другими методами, главным образом калориметрические методы, позволяющие представить картину распределения лучистых потоков и проверить результаты с помощью теплового баланса.

Описывается также серия исследований автоматических устройств для управления гелиостатов на основе дифференциальной системы, предложенных и испытанных автором на ряде гелиоустановок.

Кроме того, в этой главе описывается методика оптической юстировки зеркал методом наложения изображений отдельных зеркал данного гелиостата на измерительном экране. Эта методика была также апробирована на серии гелиостатов, комплектующих солнечные печи.

В третьем разделе рассматриваются основные системы, из которых состоит СЭС. Анализируются специфические особенности, характерные для солнечных энергетических станций башенного типа. В этот раздел входят четыре главы (б, 7, 8 и 9), посвященные отдельным системам.

Шестая глава охватывает комплекс исследований по выбору целесообразной системы управления полем гелиостатов, а также управления станцией в целом как энергетической единицей энергосистемы. Для управления полем гелиостатов рассматриваются три варианта систем управления: индивидуальная, централизованная и комбинированная.

Седьмая глава охватывает анализ ряда вариантов тепловых схем, которые могут быть рекомендованы при проектировании и сооружении СЭС большой мощности, Особенность рассмотренных схем заключается в том, что зачастую они комплектуются аккумулирую-' щими устройствами. Принятая схема для сооружения первой опытной станции СЭС-5 на основе использования насыщенного пара является лишь первоначальным вариантом тепловой схемы.

Восьмая глава посвящена аккумулированию энергии, производимой СЭС, без которого применение станций этого типа сильно ограничивается, а порой становится и нецелесообразным. Перерывы в поступлении солнечной радиации и значительное различие между летним и зимним приходами солнечной радиации принципиально определяют необходимость аккумулирующей системы в схеме СЭС. Она должна быть способна обеспечить график потребления энергии и в то же время по стоимостным показателям не превышать экономические пределы, целесообразные для энергетических сооружений. Здесь рассматривается возможность использования специально созданных или уже существующих водохранилищ гидростанций с целью создания гибридных станций с применением гидроаккумулирующих систем.

Девятая глава обобщает основные экономические соображения, которые могут выявить и подтвердить на будущее целесообразность сооружения и развития СЭС с экономической точки зрения. Экономические расчеты опираются прежде всего на обилие солнечной радиации в южных республиках СССР, а также на наличие потребителей, графики потребления которых хорошо согласуются с графиками производства энергии на СЭС. Анализ основывается на статистической обработке данных по приходу солнечной радиации в течение длительного времени (не менее II лет).

Бурное развитие, которое получила сегодня рассматриваемая отрасль гелиотехники, неслучайно. Работы по проектированию и сооружению станций этих типов, экономические исследования и технические обоснования многочисленных технических решений в различных странах получили развитие в последние 5−8 лет. Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в СССР в данном направлении, сыграли решающую роль во всех странах мира при проектировании и сооружении экспериментальных образцов СЭС.

Безусловно, предстоящее развитие солнечной энергетики вызовет необходимость создания специальных отраслей индустрии, учитывающих солнечную специфику. Однако это отрасли должна использовать все, что уже создано в других отраслях промышленности страны, которые без существенных изменений могут быть приспособлены для этой новой отрасли техники.

Эти обстоятельства показывают, что широкое внедрение солнечной энергетики потребует проведения глубокого анализа и исследований отдельных систем солнечных станций, а также детального рассмотрения экономической стороны вопроса. Именно эти соображения явились исходными моментами при выполнении данной работы.

К выводу о целесообразности развития таких сооружений приводит процесс энергетического развития всего мира. К этой точке зрения пришли многие руководящие органы нашей страны и зарубежных стран. Это продиктовано бурным развитием мировой техники и новыми горизонтами будущей энергетики.

§ 5.6.Выводы по главе 5.

5.1. Проведенные автором опыты на гелиоустановке ГУ-Ю в 1947;1948 гг. доказали реальность получения пара промышленных параметров с помощью зеркальных концентраторов солнечной радиации. Полученные на этой установке результаты явились основой для расчета и проектирования мощных солнечных станций башенного типа.

5.2. Методики расчета и калориметрирования лучистых потоков в гелиоустановках, закрепленные рядом авторских свидетельств полученных автором, позволили раскрыть особенности и закономерности распределения плотности по поверхности нагрева парогенераторов, что необходимо для вновь проектируемых СЭС башенного типа.

5.3. Опыты по автоматике гелиостатов, проведенные автором в Ташкенте, Ереване и Москве, показали, что автоматическая система фотоэлектрических дифференциальных датчиков является основным элементом для такого рода сооружений. Все новые конструктивные и проектные решения в данной области гелиотехники относятся^ основном, к усовершенствованию электронной части датчика и коммутационной аппаратуры.

5.4. Проведенные опыты с единичным гелиостатом СЭС различных размеров, в том числе натурных размеров в полевых условиях, позволили автору получить, весьма ценные данные, характеризующие оптико-энергетические качества гелиостатов такого типа станций и воспроизвести режимы слежения за Солнцем с помощью системы автоматического управления. Результаты, полученные за рубежом, подтверждают наши результаты, которые не потеряли своей актуальности и на сегодняшний день.

5.5. Выбранная методика юстировки зеркальной поверхности гелиостатов по наложению изображений на измерительном экране сильно упрощает методику юстировки.

РАЗДЕЛ 1.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СЭС Глава 6. Автоматическая система управления СЭС.

Сооружение СЭС является сложным комплексом, сочетающим различные системы сильно отличающихся по структуре и выполняемым функциям. Этот комплекс выдвигает многие задачи, которые непосредственно связаны с оптикой, механикой, электроникой и другими прикладными науками. При таком сочетании систем естественно возникает вопрос о применении современных средств автоматизации и управления СЭС [80 ] .

Без высокого уровня автоматизации невозможно реализовать схему СЭС, которую можно было бы рекомендовать для применения в солнечных энергетических системах. Большая доля автоматизации падает на оптическую систему, где автоматическому управлению подлежит большое число механизмов, обслуживающих поле гелиостатов. Другие технологические процессы, осуществляемые в СЭС, требуют также участия работы систем управления.

Поэтому целесообразно рассматривать весь комплекс автоматического управления СЭС, который в совокупности охватывается общей автоматической системой рравления (АСУ) СЭС.

Одной из главных систем управления СЭС является система управления полем гелиостатов.

Для рационального использования солнечной энергии в течение всего светового дня каждый гелиостат оптической системы СЭС должен быть снабжен системой, следящей за Солнцем для концентрации потока солнечной радиации от всех гелиостатов на парогенераторе. Система автоматического слежения должна контролировать не только перемещение Солнца, но и случайные отклонения гелиостатов от своих расчетных направлений, которые могут иметь место, например, при сильных порывах ветра, в звеньях механизма вращения и т. д.

Уравнения движения гелиостатов были рассмотрены в главе 3 при исследовании кинематики гелиостатов. Эти уравнения дают значения углов р и Ж, характеризующие положения нормалей гелиостатов.

Углы р вращения гелиостата в горизонтальной плоскости и вращения гелиостата в зенитальном направлении являются основ* ними параметрами управления гелиостатов, которые подлежат регулированию.

В других системах управления СЭС за регулируемые параметры принимаются основные величины, определяющие процесс преобразования энергии, его экономического режима, а также учитывающие возможные аварийные ситуациинапример, в элементах тепловой схемы (температура, давление и производительность пара и др.).

Для системы аккумулирования и перераспределения энергии за параметры регулирования принимаются такие экономические показатели, как стоимость I кВт ч выданной энергии и оптимальные режимы распределения электроэнергии.

Совокупность всех автоматических устройств СЭС башенного типа составляют ее автоматическую систему управления (АСУ). Без такой системы управления СЭС практически не может работать как энергетический объект, ибо, как мы увидим дальше, основной особенностью работы СЭС являются так называемые переходные режимы эксплуатации по сравнению с режимами обычных тепловых электростанций.

§ 6.1. Принципиальные схемы управления СЭС.

Одна из главных особенностей СЭС заключается в том, что она составлена из многочисленных элементов, которые требуют очень слаженной и координированной работы. В основном это касается оптической системы, составленной из многочисленныхледи-ничных стандартных гелиостатов, управление которыми должно удовлетворять высоким требованиям ,. с точки зрения одновременной фокусировки всех гелиостатов на приемнике. Ясно, что для управления СЭС необходимы различные системы автоматического управления, которые регулировали бы всю работу СЭС. Однако здесь рассматриваем только те специфические автоматические системы, которые являются главными в работе СЭС и отражают главную специфику солнечных станций башенного типа. Это относится к системе автоматического управления полем гелиостатов.

Принципы построения системы автоматического управления полем гелиостатов СЭС могут быть различными. Можно управлять каждым гелиостатом индивидуально с помощью собственного автоматического устройства, а далее контролировать работу всех гелиостатов с помощью специальной системы сигнализации и контроля. Можно осуществить автоматизацию поля гелиостатов с помощью централизованной системы управления, основанной на ступенчатой схеме регулирования и управления. Наконец, можно рассмотреть комбинированные схемы управления, которые используют преимущества систем индивидуального и централизованного управления.

Ограничимся анализом двух систем: индивидуальной и централизованной систем управления. Однако раньше, чем приступить к этому анализу, остановимся на различных типах датчиков, которые уже были оговорены, для управления отдельными гелиостатами.

§ 6.2. Датчики слежения.

В настоящее время разработаны и испытаны различные типы датчиков слежения, которые достаточно хорошо зарекомендовали себя в разнообразных системах слежения за различными перемещающимися объектами.

Целесообразно здесь подчеркнуть то обстоятельство, что для оптической системы СЭС объектом слежения является Солнце, которое имеет значительную яркость и потому целесообразно использовать оптические датчики для слежения за Солнцем.

Яркость Солнца такова, что можно было бы также применять различные тепловые датчики. Однако опыты, проведенные автором с тепловыми датчиками для слежения за Солнцем на солнечных печах, показали, что такие датчики обладают очень большой тепловой инерцией, что не желательно для точного движения гелиотехнических систем.

Применение радиолокационных датчиков может иметь определенные перспективы при сооружении будущих оптических систем поля гелиостатов СЭС. Особенно большое значение это может иметь в случае применения датчиков инфракрасного излучения.

Схемы фотоэлектрических датчиков различного типа были испытаны автором на ряде установок в Ташкенте, !1реване и Москве. Они показаны на рис. 6.Ь&2.Эти датчики работали по принципу дифференциальных мостовых схем [б, 40 ]. Такие же схемы применял Тромб [42] для управления полем гелиостатов большой солнечной печи в МонОдейо и в настоящее время применяются при проектировании СЭС-5 (.рис. 6.2).

Преимущество фотоэлектрических датчиков заключается в том, что они содержат элемент обратной связи. Это обстоятельство поо1 &bdquo-Вперед" «01, Лагеррн» .

458 о- 15 В.

2 &bdquo-Назад" ¦о 02 &bdquo-Потерян" .

Рис.б.2. Электрическая 'схема автоматики СЭС: а — схема управления гелиостатов СТО (Арм. ССР) — б — схема дифференциального датчика СЭС мощностью 5 МВт (БелЭНИН, 1979;80 гг).зволяет применять системы механизмов азимутально-зенитальной монтировки без больших требований к точности установки их фундаментов, т. е. они позволяют корректировать любые отклонения, которые испытывают гелиостаты в процессе работы.

Опыты, проведенные в Эчмиадзине (Армянская ССР), показали, что установка фотоэлектрических датчиков может быть осуществлена на подвесах с грузом, которые обеспечивают постоянство угла между вертикалью и направлением на приемнике (рис. 5.9).

Рассмотрим две принципиальные схемы автоматизации СЭСиндивидуального и централизованного управления, связанные с применением ЭБМ и программным управлением.

§ 6.3. Индивидуальные схемы управления.

В случае ее применения предполагается, что у каждого гелиостата имеется свое индивидуальное автоматическое следящее устройство, обеспечивающее его независимое угловое перемещение.

Как и любая система автоматического регулирования, следящее устройство состоит из трех основных элементов: измерительного I, усилительного 2 и исполнительного 3 (рис. 6.3). Измерительный элемент I сравнивает входную величину системы с ее требуемыми значениями и вырабатывает сигнал рассогласования (сигнал ошибки). Усилительный элемент 2 усиливает сигнал как по амплитуде, так и по мощности. Исполнительный элемент 3 управляет объектом.

В состав измерительного элемента следящего устройства обязательно входит преобразователь световой энергии в электрическую (фотопреобразователь). Основными типами таких преобразователей являются фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Основным критерием для выбора преобразователя (фотодатчика) служат.

Рис. 6.3. Обобщенная структурная схема автоматического следящего устройства:

I — измерительное устройство- 2 — усилительное устройство- 3 — исполнительное устройство.

Рис. 6.4. Структурная схема многокомандной аппаратуры управления всеми гелиостатами оптической системы СЭС по одному каналу связи.

I — датчики командП — Программное устройствоШ — Блок выработки команд-1 1У — Синхронное устройствоУ — Переключающее:.. устройство- 1,2,3,. Исполнительные устройства группы гелиостатов. его чувствительность, напряжение питания, максимально допустимый фототек, инерционность, характер световой и вольт-амперной характеристик.. Для работы в схемах следящих устройств, помимо высокой чувствительности, эти датчики должны сохранять работоспособность в широком диапазоне температур и освещенностей, высокую стабильность и надежность при длительной работе, устойчивость к воздействию влажности, иметь хорошую согласованность с различного рода преобразующими и регистрирующими радиоэлектронными устройствами.

В работах £б5, 66, 67^ приводятся сведения о принципе действия и особенностях различных типов фотоприемников излучения, в том числе фотодиодов, фоторезиеторов. Приведенные в справочниках характеристики фотопреобразователей измеряются при вполне определенных условиях, например, при излучении эталонных источников, характеристики которых в большинстве случаев не совпадают с реальными условиями солнечного освещения" Поэтому необходим расчет характеристик фотоприемников, включенных на вход конкретных электронных схем в естественных условиях, а именно, при облучении солнечной радиацией. Чтобы оценить применимость того или иного фотоприемника, необходимо знать его спектральную характеристику или уметь рассчитать ее на основе паспортных данных.

В дальнейшем под измерительным устройством (т.е. фотодатчиком) будем понимать узел фотоэлектрической следящей системы, на выходе которого вырабатывается первичный электрический сигнал (напряжение или ток). Эти параметры однозначно определяют величину и направление рассогласования.

В практике разработки и проектирования фотоэлектрических систем созданы измерительные устройства самых разнообразных типов [б8 ]. В рассматриваемой системе должны быть использованы измерители рассогласования с характеристикой, близкой к релейной, так как здесь имеет место этот наиболее распространенный принцип регулирования (регулирование по отклонению). При этом способе регулирования не имеет значения характер факторов, вызывающих отклонение выходной величины: отклонение всегда будет компенсироваться независимо от того, что явилось его причиной.

Управляющая часть должна обладать достаточно большим коэффициентом усиления сигнала по амплитуде, так как световой сигнал обычно маломощный.

Введение

в схему следящего устройства отрицательной обрат** ной связи позволяет обеспечивать высокую линейность ее характеристик, стабильность передаточного коэффициента, малую зависимость выходной величины от колебания параметров схемы или источников питания и т. д.

В Энергетическом институте им. ГЛ. Кржижановского разработано несколько вариантов схем автоматического включения электроприводов [40, 69, 70 ], пригодных для управления гелиостатами оптической системы СЭС. По схеме, описанной в [б9], ориентация установок производится по двум осям вращения, для чего используются два электродвигателя с редукторами и механизмами вращения. Применение электродвигателей в качестве исполнительного элемента создает однотипность конструкции, что особенно выгодно, когда речь идет о тысячах или десятках тысяч подобных установок.

Движение каждого электродвигателя передается на оси вращения гелиостата через редукторы азимутального и зенитального вращения, каждый из которых обеспечивает два режима работы нормальный и ускоренный. Такое сочетание скоростей позволит осуществлять маневры по поиску Солнца и дальнейшее движение гелиостата в прицельном положении, что особенно важно при переменном режиме работы во время облачности. Этот вид управления осуществляется в зависимости от степени рассогласования (от величины угла отклонения направления главного отраженного луча, идущего в центр поверхности нагрева парогенератора от его расчетного направления). Большое передаточное число трансмиссии от электродвигателя до гелиостата позволяет осуществлять движения слежения в достаточно коротких интервалах времени, не более 15*3© с, что обеспечивает плавное слежение за Солнцем. г.

Рассмотрим операции, которые должна выполнять кажд следящая система автоматического управления гелиостатами: а) включение источника питания ко всем узлам системы управления гелиостатами с вооходом Солнца при заданной интенсивности солнечной радиацииб) возврат всех гелиостатов в начальное утреннее положение, рассчитаное так, чтобы гелиостаты не затеняли друг друга или не превышали расчетного допустимого затененияв) «поиск» Солнца в случае его кратковременного затенения (например, при появлении облаков) или при более продолжительном интервале времениг) рабочее слежение гелиостатов, или точное «наведение» отраженных лучей постоянно на поверхность нахрева парогенераторад) выключение всей системы управления в случае длительного затенения Солнца, обесточивание всех цепей управления и включение вновь источника питания при появлении прямой солнечной радиациие) выключение и включение отдельных групп гелиостатов для регулирования мощностей СЭС при разных высотах Солнца или при переиене интенсивности радиацииж) сигнализация о правильности работы системы управления каждого гелиостата в определенные моменты времени с указанием гелиостатов, вышедших из строяз) ограничение угловых перемещений гелиостатов по азимутальному и зенитальному направлениям в случае достижения предельных положений гелиостатов.

В схеме автоматического управления должна быть предусмотрена возможность предохранения гелиостатов в аварийных случаях, например, при появлении сильного ветра, града или снегопада, когда гелиостаты закрепляются неподвижно в определенном, например, горизонтальном положении.

Для проведения перечисленных выше операций в системе автоматическогоуправления на каждом гелиостате должны быть установлены соответствующие датчики: управления, освещенности, положения) следящих систем для суточного и ускоренного вращения по азимутальному направлению" следящих систем для суточного и ускоренного вращения по зенитальному направлению, ограничения угла поворота гелиостата по азимутальному и зенитальному направлениям, скорости ветра.

Некоторые из перечисленных датчиков, таких как датчики освещенности и скорости ветра, могут быть общими для всех гелиостатов.

Принцип построения автоматического следящего устройства описан в работах [40, 70] .

В схеме могут быть широко использованы средства электронной техники, магнитные элементы, полупроводниковые приборы и релейные переключающие устройства. При этом можно подучить высокие эксплуатационные показатели, так как эти устройства потребляют мало энергии, имеют малые габариты и достаточно высокую надежность в работе. Это обстоятельство даст возможность создать электронное следящее устройство, позволяющее одновременно управлять многими узлами установки, движущимися с разными скоростями, разрешать многие вопросы автоматического управления и регулирования.

К исполнительным механизмам, т. е. механизмам угловых перемещений гелиостатов должны предъявляться требования, выполнение которых обеспечит высокую точность слежения, а именно': достижение наиболее точного изготовления механизмоввыбор передаточных чисел редукторов с таким расчетом, чтобы полученная конечная скорость была в три-четыре раза более расчетной скорости.

§ 6Л. Централизованные схемы рравления.

Наличие большого количества гелиостатов, которыми необходимо управлять одновременно, вынуждает проектировщиков СЭС рассматривать также варианты централизованного управления. Однако наличие централизованного управления не исключает индивидуального управления, без которого немыслима координация оптической функциональности каждого гелиостата системы с его кинематической цепью. Таким образом, централизованное управление выполняет функции обратной связи и контрольно-измерительной проверки.

Принципиальная структурная схема такой системы автоматического управления дана на рис. 6.4.

Все гелиостаты указанной системы СЭС работают при управлении от единого централизованного пульта, где согласуются последовательно (поочередно) для отдельных групп гелиостатов: начало работы, движение, остановка, конец работы и возврат в исходное положение. Команды управления — электрические сигналы, могут передаваться по проводной линии или по радио. Путем введения определенной системы кодирования сигналов можно достичь однозначного соответствия между передаваемым сигналом и исполнением. Точность управления гелиостатами в основном будет определяться точностью работы автоматической системы управления.

По приведенной схеме можно осуществлять управление от первичной системы непрерывными сигналами или импульсами, посылаемыми через определенные промежутки времени в зависимости от положения Солнца на небосводе. При этом команды управления должны вырабатываться (формироваться) в первичной системе управления. В качестве первичной системы управления можно использовать программирующее устройство, которое осуществляло бы программирование процессов управления как по последовательности тех или иных действий, так и по их продолжительности (см. рис. 6.4).

Принцип работы программирующего устройства заключается в том, что будучи снабженным часовым механизмом, оно вырабатывает в определенные моменты времени серии (или одиночные) управляющие импульсы, синхронизированные с сигналами точного времени. В состав программирующего устройства входят следующие элементы: устройство измерения времени (например, часовой механизм или электронный генератор), распределитель импульсов отсчета времени коммутирующих устройств позволяющих осуществлять выбор наперед заданных импульсов отсчета времени, устройство управления, приводящее в действие группы гелиостатов,.

В случае применения указанной схемы АСУ оптической системы СЭС на каждом гелиостате должны быть установлены по два электропривода для обеспечения зенитального и азимутального вращений с соответствующими редукторами и четыре датчика точного наведения (на каждом гелиостате).

Описываемая система автоматического управления гелиостатами является одной из разновидностей измерительно-информационных и управляющих систем, которые представляют собой комплекс измерительных устройств и средств обработки информации. Характерным для рассматриваемых систем является то, что они предназначены для получения непосредственно от управляемого (контролируемого) объекта информации о значениях рабочих параметров, характеризующихся состоянием «наведен», либо «имеется расстройка». Поэтому такие системы управления должны быть функционально связаны с управляемым объектом и принимать информацию непосредственно от объекта (от групп гелиостатов).

В отличие от других измерительных информационных систем описанная система управления гелиостатов работает только при отклонении параметров слежения в сторону максимальной допустимой. Таким образом, операция сравнения полученных параметров с заданными в рассматриваемой схеме осуществляется значительно проще.

Как отмечено выше, в качестве программирующего устройства могут применяться часовые механизмы, электронные генераторы. Однако ввиду того, что в любой кинематической схеие неизбежно появляются люфты, часовые механизмы не могут обеспечивать в необходимые моменты времени достаточную точность вращения гелиостатов.

При использовании электронного генератора также могут быть определенные неточности. Известно, что любой электронный генератор с течением времени изменяет частоту генерируемых колебаний, что обусловливается воздействием различных факторов, например, температуры окружающей среды, влажности, напряжения питания и др. Однако этот разброс имеет порядок единиц или десятков микросекунд, что мало отразится на работе всей оптической системы СЭС. У механических устройств с течением времени этот разброс может достигать сотен миллисекунд.

Работа программирующих часов подробно описана в литературе [71, 72] .

Коммутирующее программное устройство предназначено для выбора управляющих сигналов, которые вырабатываются коммутаторами кольцевого типа и управляют последовательно каждой группой гелиостатов. Выбор управляемых сигналов от каждого коммутатора осуществляется с помощью двух групп переключателей: первой группой — сигналы, определяющие моменты включения, второй — моменты выключения управляющего устройства. Выходы каждой группы переключателей должны быть объединены посредством логической схемы (например, логическим элементом «и»), которая выдает управляющий сигнал на своем выходе только тогда, когда поступят одновременные сигналы на все его входы со всех кольцевых коммутаторов.

При таком способе выбора управляющих сигналов число переключателей для одной группы управляемых, объектов (гелиостатов) будет определяться не только числом кольцевых коммутаторов, но и требуемым числом циклов «включение-выключение». В нашем случае программа устанавливается на длительное время и предусматривает многократные включения и выключения управляемого объекта в течение всего дня, сезона, года.

§ 6.5. Каналы связи.

Особое значение для рассмотренных схем автоматического управления оптической системой СЭС с большим количеством гелиостатов имеет вопрос о передаче информации на расстояние, т. е. о каналах связи.

Автоматическое устройство управления всеми гелиостатами оптической системы СЭС имеет дело с сигналами, передающими на расстояние информацию по проводам (каналам связи). Главные их задачи — эффективность и надежность связи, т. е. передача наибольшего количества информации наиболее экономичным способом при наименьших искажениях, обусловленных влиянием всевозможных помех, вносимых самими каналами связи, или другими причинами.

Для поочередного управления вращением отдельных групп гелиостатов командные сигналы управления должны быть переданы по каналу связи с определенной последовательностью. Эту функцию может выполнять многоканальная система с временным распределением каналов. При построении многоканальных систем значения управляемых величин представляют обычно каким-либо унифицированным параметром, например, напряжением постоянного тока, сопротивлением и т. д. Для передачи значений унифицированный параметр по каналу связи преобразуется в промежуточный параметр, при котором обеспечиваются наименьшие погрешности, возникающие в результате непостоянства параметров канала связи или помех. На принимающем пункте промежуточный параметр преобразуется в постоянный ток или иные сигналы, обеспечивающие возможность регистрации значений рравляемых величин или их воспроизведения. При использовании радиолинии сигналы должны поступать в О.

Рис. 6.5. Структурная схема электронного переключателя передающей части: I — Датчики командП — Коммутирующее устройствоШ — Часовое программное устройство- 1У — Генератор переключения импульсов- 1−12,3,. — Каналы связи- 0 — Выход. радиопередатчик, где происходит модуляция несущей частоты.

В настоящее время наибольшее распространение в системах с временным разделением каналов получили электромеханические и электронные переключатели с использованием полупроводниковых элементов: транзисторов и диодов [72]. Генераторы переключающих импульсов (рис. 6.5) поочередно выдают командные импульсы на ключевые схемы, которые пропускают сигналы, содержащие: -управляющую информацию, от соответствующих выходных зажимов 1,2, 3,./7 на выход переключателя. Некоторые из них описаны в работе [73] .

В системах автоматического управления гелиостатами оптической системы СЭС, где используется большое количество каналов управления, целесообразно применять генераторы переключающих импульсов на основе схемы с логическими устройствами типа двоичного счетчика* Такая схема наиболее экономична по числу элементов при большом числе каналов.

На рис. 6.6 приведена структурная схема приемной части схемы управления группами гелиостатов. Синхронная и синфазная работа ключей К^, К^. Ка с поступающими сигналами обеспечивает распределение сигналов на выходах 1,2,3,.П для выработки командных сигналов управления. В распределителе каналов приемника происходит процесс, обратный процессу переключения в передающей части. Все виды переключателей, применяемых в передающей части системы управления, используются для распределения каналов в приемной части с небольшим изменением ехемы. Особенность состоит в том, что в приемной части генератор переключающих импульсов работает от импульсов, принятых от канала связи, а в переключателях передающей части генератор переключающих импульсов управляется импульсами специального.

Рис. б.б. Структурная схема электронного переключателя приемной части:

У — Блок цикловой синхронизацииУ1 — Блок внутри-цикловой синхронизацииУИ — Генератор переключения. импульсов- 1,2,3,. — 0 — Вход. генератора, синхронизированного программирующими часами.

Для повышения готовности системы автоматического управления к работе от общего единого центра целесообразно иметь непрерывный контроль иенравности канала связи, соединяющего передающую часть с приемной и исполнительной частями гелиостатов. Для группового управления гелиостатами оптической системы СЭС можно воспользоваться адресным способом, обычно применяемым в устройствах электронных вычислительных машин. Сущность способа состоит в том, что перед кодом каждой команды посылается код адреса, который указывает, какому объекту — группе гелиостатов посылается данная команда.

Б приемной части дешифрирующее устройство должно состоять из двух дешифраторов: первый — для адреса, второй — для командного сигнала. Еели применяемый код адреса соответствует данному объекту — группе гелиостатов, то дешифратор кода адреса посылает разрешающий сигнал в дешифратор команд.

Чтобы подавать команды одновременно на все управляемые гелиостаты, одну из команд адреса устанавливают общей. Адресный способ позволяет не только обнаруживать ошибки, возникающие в результате воздействия всевозможных помех на канал связи, но и следить за исправностью канала связи, вводить системы в синхронность.

В последнее время разработаны специальные цифровые вычислительные машины [73], основная задача которых состоит в анализе аварийных ситуаций и выявлении причинно-следственных связей. Снабдив схему автоматического управления оптической системы СЭС подобной цифровой вычислительной машиной, можно определить причину появления аварийной ситуации, установить какой сигнал из всех поступивших аварийных сигналов принадлежит тому или другому гелиостату.

Путем исследования вторичных признаков можно выявить неисправности в функционировании объекта и дать соответствующие команды по исправлению недостатков. Информация, поступающая в такую машину, позволяет выделить группы связанных между собой аварийных сигналов, определить основную причину их появления. Машина указывает на неисправность в системе, выдает предупредительные сигналы. Такая автоматическая система управления исключает ложные срабатывания систем выдачи команд, позволяет контролировать работоспособность всех узлов СЭС.

Кроме описанного процеаса анализа, в состав основной программы цифровой вычислительной машины может входить большое количество команд, имеющих целью определить аварийные сообщения и организовать противоаварийные мероприятия, а также автоматическое управление производством энергии на СЭС с оптимальной эффективностью. Такие задачи могут быть успешно решены с помощью машин централизованного контроля, например, типа М-40 или М-60 отечественного производства [74, 75, 76, 77] .

§ 6.6. Общая оценка точности оптической системы с учетом всевозможных отклонений.

После рассмотрения автоматической системы управления поля гелиостатов можно перейти к окончательной оценке точности работы оптической системы [78] .

Для правильного проведения анализа работы. оптической системы необходимо учитывать все возможные отклонения, которые воздействуют на эту систему. Указанные отклонения целесообразно разделить на две группы: статические и динамические отклонения.

Среди статических отклонений следует считать именно те отклонения, полученные в первоначальном состоянии, величины.. которых не подвергается дальнейшему изменению.

К динамическим отклонениям относятся все отклонения, которые меняются в течение времени, а иногда могут исчезать, и после прохождения некоторого времени снова появляться.

Все указанные отклонения целесообразно считать как половину угла суммарного отклонения, т. е. считать, что отклонение имеет в одну и другую сторону то же самое значение. В таблице 6.1 дан перечень всех отклонений с разделением на два вида: статические и динамические, с указанием заданного отклонения в угловых минутах, величину которых необходимо соблюдать, чтобы СЭС работала на расчетных показателях.

Значение угла видимого Солнца является достаточно постоянной величиной, она колеблется между ^ = 32″ для зимы и у? = 30″ для лета.

Остальные отклонения являются случайными величинами, изменения которых подчиняются статистическим закономерностям. Таким образом) каждое отклонение может быть определено своей характерной зависимостью по известной закономерности Гаусса в следующем виде.

7- - параметр нормального закона распределения ошибок. Поэтому для определения суммарного отклонения может быть принята следуюшая бюшзпла': где — максимальное значение отклонения т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1″ Разработана методика инженерного расчета закономерностей концентрации прямой солнечной радиации гелиостатной системой СЭС башенного типа. Методика позволяет вычислить распределение потоков излучения, отраженных зеркальными гелиостатами на лучевоспринимающие поверхности башенных приемников СЭС.

Методика учитывает результаты, полученные автором при применении статистического подхода в расчетах концентрации лучистой энергии на зеркальных параболоидных гелиоустановках.

Полученные расчетные значения при применении указанной методики хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. Разработан специальный метрологический подход для измерения концентрированных лучистых потоков, достигающих плотности до нескольких миллионов ккал/м ч.

Такие измерения проведены с применением калориметрических, радиационных и фотоэлектрических методов.

При калориметрировании исключаются потери на излучение и конвекцию от поверхности калориметра ввиду того, что температура теплоносителя в калориметре мало отличается от температуры окружающей среды.

Таким методом были измерены плотности излучения на луче-воспринимавдих поверхностях приемника, первого действующего макета СЭС башенного типа в г. Ташкенте.

3. Разработан метод расчета геометрических и кинематических параметров концентрирующих систем солнечных установок. Проведен анализ геометрических особенностей поля гелиостатов с помощью разработанного автором метода изокос — изолиний с одинаковыми значениями косинуса угла падения лучей на зеркальную поверхность гелиостата. Метод изокос позволяет определить коэффициенты использования зеркальной поверхности отдельных гелиостатов во времени, а также показатели эффективности использования зеркал ноля гелиостатов в целом.

Анализ кинематики вращения гелиостатов оптической системы СЭС позволил сформулировать обобщенный графоаналитический метод нормалограмм. С помощью нормалограмм наглядно определяются угловые пространственные координаты зеркальных гелиостатов и раскрываются положения зенитальных, азимутальных ревереных точек и крайних положений гелиостатов.

4. Разработан метод расчета взаимных затенений и блокировок потоков излучения в гелиостатном поле для оценки эффективности работы оптической системы СЭС.

Указанный метод позволяет проводить сравнение различных компоновок поля гелиостатов с целью определения оптимального варианта размещения гелиостатов в поле.

Показано, что уплотненное размещение гелиостатов в поле, с одной стороны, сокращает территорию, занимаемую станцией, а с другой — уменьшает продолжительность рабочего периода дня, когда СЭС вырабатывает электроэнергию.

5. Выполнен анализ возможных отклонений лучей, отраженных от 1фиволинейных зеркальных поверхностей фокусирувдих отражателей СЭС с целью выяснения пределов целесообразного использования таких зеркал в схемах башенных СЭС.

Результаты вычисления показали, что для башенных СЭС можно применить фокусирующие зеркальные отражатели"размеры которых не превышают 0,01 расстояния от крайнего гелиостата до центра башни СЭС и для средних географических широт.

Применение фокусирующих гелиостатов позволяет сократить размеры гелиоцриемников, увеличить тепловые нагрузки и сократить число отражателей за счет их укрупнения.

6. Выполнен большой комплекс экспериментальных исследований, охватывающий основы теплотехнических особенностей лучистого теплообмена между концентраторами и приемниками. Опыты проводились на различных макетных стендах, световых моделях и на натурных гелиоустановках.

В результате этих исследований определились теплотехнические характеристики оптической системы гелиоустановок, режимы работы генерирования пара на приемниках лучистой энергии, были созданы ряд систем слежения за Солнцем.

Разработаны способы юстировки зеркал гелиостатов и исследована система автоматического управления отдельными гелиостатами с высокой точностью слежения.

Для проведения экспериментальных работ были созданы полостные, спиральные, секторные калориметрырадиометры, фотоэлектрические дифференциальные измерители, на некоторые из них получены авторские свидетельства.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований были сформулированы задания на проектирование солнечных энергетических станций.

7. Разработан метод диагностики концентраторов на основание предложенной автором закономерности распределения плотности отраженной энергии на фокальной плоскости.

Е = Етах еХР (- ¿-Г*).

В зависимости от значений параметров Е-тах ж ^ оценивались концентрирующие способности оптической системы, составлялись тепловые балансы падающей и отраженной энергии с определением отражательной способности зеркал, а также определялись допустимые отклонения лучей при юстировке и работе механизма управления.

8. Статистическая обработка многолетних измерений приходов энергии солнечной радиации, зарегистрированных за 25 лет в г. Ташкенте, позволили автору разработать «расчетный» типовой год прихода солнечной радиации, с помощью которого целесообразно определить характерные объемы аккумулирования энергии, производимой на солнечной электростанции.

9. Анализ тепловых особенностей процесса нагрева поверхности облучения солнечного приемника позволили определить.

— 404 связь между концентрацией излучения и температурой приемника, а также генерируемого теплоносителя. Показано, что существует определенная серия оптимальных соотношений, с помощью которой можно осуществить максимальные значения к.п.д. цикла.

10. Все проведенные теплотехнические исследования и теоретические разработки позволили теоретически обосновать схему солнечной теплосиловой станции башенного типа, предложенную в 1957 г. впервые в мире автором совместно с академиком В. А. Баумом и кандидатом технических наук Б. А. Гарфом и доказать, что она реально осуществима. На основе работ автора запроектирована и сооружается первая в СССР экспериментальная солнечная электростанция СЭС-5 башенного типа. Указанная схема явилась прототипом всех последующих вариантов отечественных и зарубежных сооружений такого типа.

11. Экономические исследования условий внедрения солнечных энергетических станций СЭС башенного типа показали, что такие станции могут быть рентабельными, конкурентоспособными по сравнению с тепловыми станциями, имеющими к.п.д. до 1Ъ% при стоимости топлива до 70 руб/т у.т. и при наличии 2500 часов солнечного сияния. В таком случае уже при удельной стоимости установленной мощности до 600 руб/кВт солнечные электростанции конкурентоспособны.