1. 引言
由于传统能源的储量有限，并且在化石能源的大量开采和利用的过程中，二氧化碳的排放量已经超出了生态相互中和的能力，对生态环境造成越来越严重的破坏。全球各国都在积极探索新的能源形式来取代化石能源 [1] [2] 。
塔式定日镜场作为一种高效的太阳能利用形式，其核心技术在于通过高精度镜面阵列将太阳能集中至集热塔上的接收器，以此产生高温流体，进而转化为电能 [3] 。在这一系统的运营管理中，无线网络的布局对于信息的实时采集、处理与传输至关重要。在我国第一批塔式光热项目中，德令哈项目、甘肃敦煌的项目以及青海共和的项目采用有线通信的方式，西北电力设计院采用的镜场通信方式是东方锅炉结合SBP 的以太网加485总线的方案，北京首航则采用的是国外的施耐德的大的以太网方案，他从上层到底层采用的全是以太网的环网结构，除了定日镜上采用的有线通信方式外，部分厂家在光伏太阳能发电领域已经开始尝试采用无线的方式进行数据通信，从而减少线缆的铺设，例如NEXTracker，他们在光伏支架上安装 ZigBee 无线通信模块，通过无线进行数据的交互 [4] 。
本研究将探讨塔式定日镜场无线网络布局的最新策略与技术，包括但不限于网络拓扑结构设计、无线通信协议选取、数据处理和分析技术等。我们将全面分析不同设计方案的优缺点，研究如何在保证数据传输质量的同时，进一步提升系统的经济性与可靠性。通过这一研究，力求为塔式定日镜场的无线网络布局提供科学合理的规划建议，促进可再生能源的高效利用，有助于加快全球能源结构的转型与升级。
2. 定日镜运转方式与控制
定日镜跟踪装置的分析与研究，对于提升定日镜跟踪精度和减少镜子生产成本是非常最重要的，同时，研究定日镜的运转方式可以给后续选择镜场控制模式带来很好的启示。定日镜的跟踪装置从维度上分为一维和二维，从轴距上分为单轴跟双轴 [5] 。这两种跟踪方式各有特色，能够满足不同的需求。一维跟踪可以应用在跟踪精度要求不高的情况下，二维则适用于跟踪精度要求高的场景。定日镜运转的最终目的是跟踪反射射入大气层内的光辐射能，以保证电站的正常运行。本节主要从单轴跟踪与双轴跟踪的优势与缺点进行分析，以保证本文对于定日镜场跟踪精度提升的要求。
单轴跟踪是旋转轴仅有一个且仅能够朝向单一方向进行旋转跟踪的结构形式。太阳在围绕地球公转的过程中，地球也在进行自转运动，因此不同地点的高度角和方位角会有所差异。但这种跟踪方式只能考虑其中一个角度来跟踪，同时也就不能保证辐射接受面在任何时候都垂直于太阳的入射方向，所以这种跟踪方式的精度较低，只适合对跟踪精度要求不高的情况，比如太阳能电池板发电。单轴跟踪根据其应用的场景的不同，又设计成平单轴跟踪系统、斜单轴跟踪系统和垂直跟踪系统。当然，我们还可以根据安装方式的不同，分为旋转轴东西方向放置、旋转轴南北方向放置、旋转轴倾斜放置三种类型 [6] 。
双轴跟踪相较于单轴跟踪，在旋转轴方面增加了一个轴，这个轴的增加使整个跟踪的效率有了教大的提升，双轴旋转可以更好的应对太阳的运动，可以从方位角和高度角两个角度分别调整，也可以同时调整，两个轴的调整互不干扰，这样极大的提高了系统的实用性。双轴跟踪按照其结构的不同，又分为高度角–方位角式和极轴式两种方式 [7] [8] 。
3. 跟踪控制模式的选择
上一节我们分析了定日镜根据结构构造方式的不同，对于跟踪精度的影响，并选择了本文所用的跟踪方式，这一节将从控制的模式上来分析定日镜跟踪控制，定日镜按控制模式又分为开环、闭环和开环–闭环混合三种控制模式。开环控制在进行定日镜跟踪时不需要外界进行干预，也就是说不需要传感器额外再反馈信息，相反，闭环控制在定日镜跟踪时存在一个外界的反馈。
开环控制是一种程序控制，不需要传感器进行二次反馈 [9] 。开环控制从其跟踪控制原理又分为视日运动跟踪控制和时控跟踪控制两种模式。这两种跟踪方式是根据太阳位置算法来实现的，根据当地的地理位置信息、时钟芯片提供的时间信息等，运用算法计算出太阳的高度角和方位角，同时程序再根据相关的信息转换出定日镜的高度角和方位角。同时程序再根据相关的信息转换出定日镜的高度角和方位角。简言之，开环控制系统依照预设的程序和时间表来控制定日镜的位置，而不是根据太阳的位置实时调整。缺乏实时反馈意味着系统可能不会像闭环系统那样准确。任何系统误差(如机械定位不精确、时间误差等，并且，还需要人工定期校正)都可能导致太阳定位的偏差，影响系统的整体效能。这种跟踪方式不管采用什么算法，其计算过程都比较繁琐，计算量的增大对于成本也有所增加。开环控制原理图如图1所示。
闭环控制系统，也被称为反馈控制系统 [10] ，是一种设计用于实时监控系统行为并通过反馈回路调整控制操作以达到预期输出的控制系统。在太阳能技术领域，尤其是对于需要精确对准目标靶聚光太阳能应用，闭环控制系统能够确保定日镜或跟踪器精确追踪太阳的位置，从而最大化能量捕获和转换效率。闭环控制原理如图2所示。
混合控制就是在开环控制的基础上引入反馈信号，此方法结合了开环控制的经济性和闭环控制的精度，为克服各自的缺点提供了一种平衡方案。混合控制应用在同一控制系统中，控制策略会用开环控制执行基本的命令，同时闭环控制用于校正任何偏差和外部干扰，确保系统输出的精确性和可靠性。混合控制在变化的工作环境下能够适应和调整性能，提高了系统对外界变化的适应能力，同时，混合系统结合了开环的简单性和成本效益，以及闭环的高精度和稳健性。定日镜反射控制器通过天文算法初步预定的路径来规划反射路径，并通过各种传感器来检测太阳的实际位置和其他环境条件，以校正因结构、安装和风栽等误差引起的精度偏差，通过这种整合，混合控制能提供一种即经济又精确的解决方案。混合控制示意图如图3所示。
Figure 2. Closed-loop control schematic
图2. 闭环控制原理图
综上所述，本节在分析了开环控制和闭环控制的优点与缺点，同时从其在成本、结构抗载以及精度等方面进行了一个全面分析，就这两种控制方式的优点经行了一个整合，运用集成度和精确度更高的开环–闭环混合控制的方式，使定日镜的跟踪精度更准确。
3.1. 基于Matlab的定日镜跟踪仿真
本研究根据定日镜控制方案的分析与选择，在Matlab软件中，将开–闭环控制模式、主干有线以及终端无线等信息考虑在内，以酒泉金塔的地理坐标进行定日镜跟踪的方位角与高度角的仿真。仿真结果如图4和图5所示。
3.2. 本文定日镜控制方案
通过上一节的分析，本文将采取以太网主干有线通信的方式与终端无线通信相组合的方式控制镜场定日镜，并且将定日镜场合理的分组分区，以保证镜场通信的及时与高效。终端无线的通信协议用IEEE 802.11ah以满足大连接的需要。如图6所示。
塔式电站中，定日镜的数量庞大，采用以太网与无线的通信方式相结合的通信模式可以解决全有线通信成本上的困境，也可以解决全无线通信不稳定的问题，并且这种通信模式可以实时的对定日镜做一个调整与纠正，在某一个定日镜出现问题，可以及时的发现，减少了网络的维护成本。
Figure 4. Altitude angle of heliostat operation
图4. 定日镜运行高度角
Figure 5. The running azimuth of the heliostat
图5. 定日镜运行方位角
Figure 6. Framework for combining the two modes of communication
图6. 两种通信模式结合框架
Figure 8. Signal coverage of the heliostat field
图8. 定日镜场信号覆盖度
Figure 9. Control scheme channel interference experiment
图9. 控制方案信道干扰实验
4. 无线网络可行性分析与仿真
定日镜场网络通信模式确定后，以同比例的定日镜场大小，在网络规划软件中模拟实际场地大小的通信需求，仿真了此协议信号的覆盖广度与信道的干扰情况。不过这个协议环没有大量的发展，在软件中还没有此协议，本文通过改变Wi-Fi6协议的带宽来达到IEEE 802.11ah协议的带宽。具体的仿真结果如图7所示。
图8和图9为将仿真的初始镜场以实际电站建设要求，同比例的导入网络规划软件中，仿真在镜场环境下，无线网络的规划是否达到信息传输的要求，信道之间是否存在相互的干扰。结果表明，本文的网络设计完全满足镜场通信的需求。
5. 结论
本研究对定日镜的控制原理和跟踪方式进行了深入分析，并提出了一种结合以太网和无线通信的通信模式解决方案，用于实时调整定日镜的朝向。本研究成果不仅为解决定日镜场控制问题提供了一种切实可行的技术方案，而且通过实际仿真操作，验证了该方案的科学性和实用性。这对定日镜技术的发展和太阳能领域的应用具有重要意义。这一探索性研究将极大地提升太阳能的捕集和利用效率，为太阳能技术的进一步发展和推广奠定了坚实的基础，对能源转型与可持续发展具有重大的战略意义。这些研究成果为定日镜技术的进步及其在太阳能利用中的应用提供了有价值的参考。