CN103309361A

CN103309361A - 一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置

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Publication number: CN103309361A
Application number: CN2013102258475A
Authority: CN
Inventors: 梁方民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-09-18

Abstract

一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置，本发明不采用传统的计算方法和计算机控制系统，而是另辟蹊径，一种定日镜的控制方法及其装置采用低成本高精度瞄准传感器、太阳位置识别跟踪传感器和三点一线跟踪支架结构瞄准法结合，完成定日镜识别太阳位置、跟踪太阳、反射光反射到指定目标不移动，实现了(反射镜)也就是定日镜的反射光点在指定的目标上、一年四季在地球的各个地方太阳移动而反射光点永远不移动的现实，本发明定日镜的控制方法及其装置完全采用传感器即可完成。计算机、软件、程序、公式、经纬度、连动控制结构、激光瞄准控制、CCD瞄准控制、PLC控制、大型曲面镜反射、伺服电机驱动、的系统及结构，不在考虑，稳定性和抗风能力提高了数倍，系统成本和运行维护成本降低了数十倍。

Description

一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及太阳能热利用及其太阳能热发电技术领域，特别涉及太阳能塔式热发电定日镜控制系统的技术领域，一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置。

背景技术

解决地球的空气污染问题必须利用太阳的能量提供人类所需要的动力，太阳能的工业化利用，必须以大面积采光、大规模聚光为前提，在国内、外，大规模的跟踪聚光仍是行业的技术短板，仍没有适用的技术和产品供应，致使大规模的工业化、商业化利用太阳能的想法一直不能得以实现，已经严重制约了太阳能塔式热发电的开发与利用，阻碍了低成本太阳能行业的进一步发展，现有技术采光设施的建设、运营成本高，占整个项目成本的50％～70％以上，使用寿命短，是导致项目总体效益低的主要原因。太阳光辐射到地面上能量的多少是以面积计算的，没有面积也就没有能量。

一个15MW的太阳能热发电机组大约需要1平方公里的面积，所以碟式、槽式需要大量管道排列1平方公里的面积，而且这些管道输送热能需要消耗一个发电场大约四分之一的能量，发电成本降不下来。

塔式热发电不需要这些管道，同时也大大降低了耗能，他是通过分布在塔周围的数千面(反光镜)定日镜把大面积的阳光反射到塔上面的集热器上，所以发电成本较低，但是反光镜、也就是定日镜的控制技术比较复杂，目前国内外还没有更好的控制方法，基本上以计算机控制为主，运行维护成本很高。

以较早进入太阳能热发电的国家，西班牙、以色列、美国、及其我国1MW实验电站为例，他们都是采用计算机控制定日镜，计算机控制系统的成本占整个发电厂成本的百分之50以上。采用计算机控制定日镜是可以的，但是复杂的计算程序软件及计算公式及硬件电路，把地球的经纬度扯到了里面，即便如此，由于定日镜距离塔上面的集热器较远，20MW级的镜场，定日镜与集热器之间的距离有500米，可想而知，定日镜有1mm的跟踪误差，被反射的光点就会偏离集热器很远，这样就需要大量的科技人才来长期维护定日镜的运行数据程序，对定日镜机械结构要求很高，为了降低控制系统及运行维护成本，现有技术把定日镜的支架做的很大、支架重量达数吨、反光镜的面积也很大、有100平方米左右，而且必须是曲面反射，前面的定日镜曲面和后面的定日镜曲面还不能一样，制造和按装调试工艺复杂，抗风能力很差，制造安装施工和控制维护成本又增加了，稳定性和实用性能，达不到商业电站的要求，已公开专利号201110303111.6的定日镜瞄准控制技术是采用图像传感器和角度传感器控制反射光，而且是控制聚焦的光斑，温度很高、需要散热装置，信息控制系统还是采用计算的方法，控制成本很高、寿命低，整个控制系统没有脱离编程计算的方法，所以；国内外的太阳能塔式热发电电站基本上都在实验和试运行及高成本运行阶段。

总之，解决不了低成本高稳定性定日镜控制系统的技术瓶颈，成本还是降不下来。

发明内容

为了克服现有技术的成本高稳定性差的不足，本发明提供了一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置，本发明不采用传统的理论方法，而是，另辟蹊径，一种定日镜的控制方法及其装置采用低成本高精度瞄准传感器、太阳位置识别跟踪传感器和三点一线跟踪支架结构瞄准的方法结合，实现了(反光镜)定日镜的反射光点在指定的目标上、一年四季在地球的各个地方太阳升起到太阳落下反射光点不移动的现实。本发明完全采用传感器和三点一线跟踪支架结构瞄准的方法结合控制，由于传感器的稳定性和精度高、成本很低，可以采用独立的小反光镜、小跟踪控制支架，例如：2平米、4平米、6平米一个独立跟踪控制系统，提高抗风能力，镜场无电缆，本发明不采用计算的方法，一次安装调试好，一生不需要对反射光点误差的修正，计算机、软件、程序、公式、经纬度、激光瞄准、CCD瞄准、PLC控制、大型曲面镜反射、伺服电机驱动，不在考虑。本发明定日镜的控制方法及其装置稳定性提高了数倍，系统成本和运行维护成本降低了数十倍。

本发明鉴于上述问题而做出的，用于识别太阳位置、跟踪太阳、并将定日镜的反射光反射到指定的任意的点(焦点)的太阳聚光用的一种定日镜的控制方法及其装置，其目的在于，提供高精度、而且低成本的定日镜的控制方法及其装置，另外提供了抑制成本的定日镜传感器装置，进一步，提高了定日镜的反射精度、及其稳定性，同时又降低了定日镜的制造精度和成本，与计算机控制的定日镜相比，同样面积的定日镜使用的钢材重量降低1至2倍以上，同时定日镜的抗风能力及机械强度提高数倍。

为了达到上述目的，本发明的定日镜控制系统具有以太阳来指挥定日镜传感器8，瞄准传感器7指挥定日镜反射的光束达到指定的目标集热器2。当太阳升起时定日镜传感器8会识别太阳升起的方向、位置，然后控制定日镜的机械驱动系统，让定日镜的镜面反射光束指向位于定日镜、镜面前中心位置的瞄准传感器7。瞄准传感器7接收到反射光束后，由瞄准传感器7上的分光器14和分光器周围的四个光敏传感器10、11、12、13接收，分光器14分出四束光、分别照射到四个光敏传感器10、11、12、13上，光敏传感器10和11识别垂直方向反射来的光强度，然后通过垂直控制电路伺服垂直方向的驱动电机。光敏传感器12和13 识别水平方向反射来的光强度，然后通过水平控制电路伺服水平方向的驱动电机，驱动定日镜运行的水平方向垂直方向的两个电机被瞄准传感器7控制。当定日镜的反射光束发生移动时，瞄准传感器上的四个光敏传感器会识别出反射光束移动的量和移动方向，输出各自的信号，分别控制水平方向垂直方向的电机工作，这时，定日镜传感器8进入待机状态，随时等待太阳的变化信息和瞄准传感器7发出的信息，如果太阳被云遮挡或者阴天及晚上，瞄准传感器7，定日镜传感器8，都进入待机状态，定日镜维持现状姿势不动。

当太阳在天空的一个地方露出，而且太阳照射到定日镜上的光、光角度发生很大的变化，或者是太阳光照射不到定日镜的反光面上，这时，定日镜传感器8开始工作，定日镜传感器8会识别出太阳的方向位置，然后伺服定日镜的水平电机工作，向有太阳的方位运行，运行到太阳光能照射到定日镜的镜面时，这时的镜面会产生反射光束，由于有定日镜传感器8的控制，镜面的反射光束会照射到反光镜前面的瞄准传感器7上，瞄准传感器7接收到反射光束后、开始工作，定日镜传感器8停止伺服工作。

如果反射光束是由A、C或者A、D的方向射入，瞄准传感器上的光敏传感器10、11、12分别识别出、来自A、C、D方向的反射光的信息，通过控制电路控制定日镜分别向B、C或者B、D的方向运行，直到反射光束与集热塔2、瞄准传感器7和定日镜的反光面4行成三点一线180度的一条直线时停止。

如果反射光束是由B、C或者B、D的方向射入，瞄准传感器7上的光敏传感器13、11、12分别识别出来自B、C、D方向的反射光的信息，通过控制电路控制定日镜分别向A、C或者A、D方向运行，直到反射光束与集热塔2、瞄准传感器7和定日镜反光面行成三点一线180度的时候停止，由于瞄准传感器7在集热器2和定日镜反光面4之间180度的位置上，行成了三点一线的理论，所以定日镜的反射光不管从瞄准传感器7的哪一个方向射入，瞄准传感器7都会精确的把定日镜的反射光点控制在集热器2上，由于定日镜传感器8具备360内识别太阳的位置和跟踪功能，不管太阳向哪一个方向运行，定日镜传感器8都会控制定日镜的反射光束达到瞄准传感器7上，瞄准传感器7具备90度内识别反射光束的方向，同时具备测量反射光束的移动，测量精度达到每一秒钟输出一个信号，光电传感器10、11、12、13的遮光器F遮挡住四面的直射光，只能接收定日镜反射过来的反射光，起到定日镜与定日镜之间互不干扰的作用。

一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置将会改变国内外太阳能塔式热发电定日镜的现有控制理论和方法，使太阳能塔式热发电的发电成本降到煤炭及核动力发电的成本以下。

附图说明

图1是本发明的瞄准传感器和定日镜传感器及定日镜支架的控制结构方法示意图。

图2是本发明的定日镜和集热器瞄准传感器之间的安装结构示意图

图3是定日镜传感器8的结构示意图。

图中附图标记表示为；

1太阳、2集热器、3集热器塔架、4定日镜反光面、5定日镜主支架、6瞄准传感器支架、7瞄准传感器、8定日镜传感器、9定日镜支架、10是D方向光电传感器、11是C方向光电传感器、12是A方向光电传感器、13是B方向光电传感器、14分光器、15瞄准传感器7的瞄准调整器、16定日镜反射光束、17太阳直射光束、E是分光器一端的遮光器、F是10、11、12、13、光电传感器的遮光器、V1是光电传感器G1的遮光器、V2是光电传感器G2的遮光器、G1、G2定日镜传感器8上的光电传感器、A表示A方向、B表示B方向、C表示C方向、D表示D方向，

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式的一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置，参照附图并进行说明。图1示出，本发明的实施方式的定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置系统，其包括一个集热器塔架9上面的集热器2，所述集热器2接收定日镜反光面4反射过来的反射光束，瞄准传感器7通过瞄准传感器的调整器15用螺丝固定在瞄准传感器支架6上，瞄准传感器7的位置在定日镜反光面4的基本中心处，与集热器2之间，定日镜反光面、瞄准传感器7、集热器2形成180度的三点一线的方式排列，分光器14一端的四个方位分别装有光电传感器10、11、12、13，分光器的另一端与遮光器E连接，反射光反射到分光器14和遮光器E上时，分光器14和遮光器E分出四束光束，分别供给光电传感器10、11、12、13，当光电传感器10、11、12、13的得到的四束光束平衡时，这时的反射光束产生的光点正好在集热器的中心，这时固定瞄准传感器7即可，瞄准传感器调整器15可以做四个方位的移动调整，调整瞄准传感器调整器15即可控制反射光点在集热器2上的位置。所述的遮光器E和分光器14的一端连接，分光器另一端的四个方位分别有光电传感器10、11、12、13，光电传感器10、11、12、13、分别识别四个方位反射光的强度。第一运行过程；当反射光束从A的方位射入时，光电传感器12识别出反射光束后输出控制信号伺服定日镜的水平直流电机向B方位运行，运行中当反射的光束照射到光电传感器13上时、而且反射光束照射在光电传感器12、13上的强度平衡时，定日镜的水平驱动直流电机停止运行，第二运行过程；当定日镜的反射光束从B的方位射入时，光电传感器13接收到定日镜反射光束后，光电传感器13识别出由定日镜反射来的光束后，输出控制信号伺服定日镜的水平直流电机驱动定日镜向A的方位运行，运行中当反射光束照射到光电传感器12上时、而且反射光束照射到光电传感器13、12上的强度平衡时，定日镜的水平驱动直流电机停止运行，第三运行过程；当定日镜的反射光束从D的方位射入时，光电传感器10接收到定日镜反射的光束后，光电传感器10识别出由定日镜反射来的光束后，输出控制信号伺服定日镜的垂直直流电机驱动定日镜向C方位运行，运行中当反射光束照射到光电传感器11上时、而且反射光束照射到光电传感器11、10上的强度平衡时，定日镜的水平驱动直流电机停止运行，第四运行过程；当定日镜的反射光束从C的方位射入时，光电传感器11接收到定日镜反射的光束后，光电传感器11识别出由定日镜反射来的光束后，输出控制信号伺服定日镜的垂直直流电机驱动定日镜向D方位运行，运行中当反射光束照射到光电传感器10上时、而且反射光束照射到光电传感器10、11上的强度平衡时，定日镜的水平驱动直流电机停止运行。

所述的第一过程、第三过程，都会控制定日镜的反射光束产生的光点到达集热器2上。所述的第二过程、第四过程也都会控制定日镜的反射光束产生的光点到达集热器2上。所述的第一、第二、第三、第四的运行过程中，瞄准传感器7都会控制定日镜的反射光束的光点到达集热器2上。太阳是运行的，太阳能光束照射到定日镜反光面上的光束也是移动的，定日镜的反射光束也是运行的，反射光束的运行移动，都会造成瞄准传感器7上的光电传感器10、11、12、13的光强不平衡，所以；光电传感器10、11、12、13、会发出控制定日镜移动，这时的反射光束产生的光点到达集热器2上不偏离，如；所述的第一、第二、第三、第四的运行过程。

定日镜传感器8安装在定日镜支架9的上方，定日镜传感器8的任务是识别太阳的位置然后跟踪控制定日镜的反光面4反射的光束达到瞄准传感器7上，图3示出；定日镜传感器8的控制方法及其装置，其包括光电传感器G1、G2，遮光器V1、V2，B1表示B1方向，A1表示A1方向，所述光电传感器G1安装在B1的方向，光电传感器G2安装在A1的方向，遮光板V1是光电传感器G1的遮光板，遮光板V2是光电传感器G2的遮光板，图1示出；定日镜传感器8安装在定日镜支架9上，光电传感器G1、G2，遮光器V1、V2的面朝向定日镜反光面4的方向，第一N运行过程；当太阳从A1的方向出现时，光电传感器G2接收到太阳光后输出控制信号伺服定日镜的水平直流电机驱动定日镜向A1的方向运行，在运行中遮光器V2会遮挡住太阳的光，这时的定日镜的反射光束到达瞄准传感器7上，瞄准传感器7得到定日镜的反射光束后关闭定日镜传感器8的伺服电路改为瞄准传感器7控制定日镜的驱动电机，第二N运行过程；当太阳从B的方向出现时，光电传感器G1接收到太阳光后输出控制信号伺服定日镜的水平直流电机驱动定日镜向B1的方向运行，在运行中遮光器V1会遮挡住太阳的光，这时的定日镜的反射光束到达瞄准传感器7上，瞄准传感器7得到定日镜的反射光束后关闭定日镜传感器8的伺服电路改为瞄准传感器7控制定日镜的驱动电机，所述的A和A1是表示同一个方向，B和B1表示同一个方向。以上所述实施例仅是说明本发明的目的，并不是用来限定本发明的实施和权利范围，凡与本发明权利要求所述内容相同的技术方案，均应包括在本发明的保护范围。

有益效果

本发明的有益效果是，定日镜跟踪瞄准的全套系统无PLC编程无计算无软件控制，在设计原理和方法上另辟蹊径，现有的计算机控制系统就像请一位盲人指路，而一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置就像请了一位有眼睛的人指路。完全采用传感器和定日镜支架结构完成系统工作，一生不需要对跟踪精度和瞄准误差的维护，定日镜传感器和瞄准传感器的成本很低，而且精度高，无配电箱，传感器和电机驱动器一体化，可以直接驱动直流电机，可以实现小支架小镜片，例如；2平方米4平方米6平方米一个独立的跟踪控制支架，提高抗风能力，每个定日镜都是独立的，有一块5W至10W光伏电池板提供跟踪所需的电力，无需在镜场铺设电缆线，每个独立的定日镜支架在镜场的四周安装、定日镜距离集热器的距离远和近都是一样的结构和控制方法，平面镜反射，每个定日镜安装时，只要瞄准传感器与集热器和定日镜的反光面形成三点一线180度即可，一次安装调试好一生再不需要人工瞄准的修正，瞄准传感器会自动修正反射光的光点不偏离集热器，可以采用电动推杆的方式驱动定日镜的水平垂直方向的运行，涡轮驱动支架、0间隙、高精度的机械结构制造工艺不再考虑。

Claims

1.一种定日镜的跟踪瞄准控制方法及其装置，其特征在于：包括，瞄准传感器7通过瞄准传感器的调整器15，固定在瞄准传感器支架6上，瞄准传感器7的位置在定日镜反光面的基本中心处，定日镜的反光面4的中心、至瞄准传感器7、至集热器2形成一条直线以180度的三点一线的方式排列，分光器14一端的四个方位分别装有光电传感器10、11、12、13，分光器14的另一端与遮光器E连接，反射光反射到分光器14上时，分光器14和遮光器E分出四束光束，分别供给光电传感器10、11、12、13，当光电传感器10、11、12、13的得到的四束光束平衡时，这时的反射光束产生的光点正好在集热器的中心，这时固定瞄准传感器7即可，瞄准传感器调整器15可以做四个方位的移动调整，调整瞄准传感器调整器15即可控制反射光点在集热器2上的位置，遮光器E和分光器14的一端连接，分光器14的另一端的四个方位分别有光电传感器10、11、12、13，光电传感器10、11、12、13、分别识别四个方位反射光的强度，瞄准传感器7得到定日镜的反射光束后关闭定日镜传感器8的伺服电路改为瞄准传感器7控制定日镜的驱动电机，瞄准传感器7在没有反射光束的照射时，定日镜的直流电机驱动系统自动改为定日镜传感器8控制，

定日镜传感器8的控制方法及其装置，其包括光电传感器G1、G2，遮光器V1、V2，所述光电传感器G1安装在B的方向，光电传感器G2安装在A的方向，遮光板V1是光电传感器G1的遮光板，V2是光电传感器G2的遮光板定日镜传感器8安装在定日镜支架9上，光电传感器G1、G2，遮光器V1、V2的面朝向定日镜反光面4的方向，

所述的控制系统完全采用传感器和三点一线跟踪支架结构瞄准的方法结合控制、采用独立的小反光镜、2平方米至9平方米的平面反射镜，小跟踪控制支架

所述的一种定日镜的控制方法及其装置系统具有以太阳来指挥定日镜传感器8，瞄准传感器7指挥反光镜反射的光束达到指定的目标集热器2。

2.根据权利要求1所述的定日镜的控制方法及其装置，其特征在于；所述的瞄准传感器7上设有分光器14，遮光器E，和光电传感器10、11、12、13、的遮光器，定日镜支架9的上方设有定日镜传感器8。

3.根据权利要求1所述的一种定日镜的控制方法及其装置，其特征在于；所述的定日镜的反光面4的中心、至瞄准传感器7、至集热器2形成一条直线以180度的三点一线的方式排列，瞄准传感器7的位置在定日镜反光面4的基本中心处。

4.一种应用于权利要求1所述一种定日镜的控制方法及其装置的太阳入射光跟踪、反射光瞄准跟踪的控制结构，其特征：包括以下步骤：

(1)瞄准传感器7通过瞄准传感器的调整器15，固定在瞄准传感器支架6上，瞄准传感器7的位置在定日镜反光面的基本中心处，定日镜的反光面4的中心、至瞄准传感器7、至集热器2形成一条直线以180度的三点一线的方式排列：

(2)分光器14一端的四个方位分别装有光电传感器10、11、12、13，分光器14的另一端与遮光器E连接，反射光反射到分光器14上时，分光器14和遮光器E分出四束光束，分别供给光电传感器10、11、12、13，当光电传感器10、11、12、13的得到的四束光束平衡时，这时的反射光束产生的光点正好在集热器的中心，这时固定瞄准传感器7即可：

(3)定日镜传感器8的控制方法及其装置，其包括光电传感器G1、G2，遮光器V1、V2，所述光电传感器G1安装在B的方向，光电传感器G2安装在A的方向，遮光板V1是光电传感器G1的遮光板，V2是光电传感器G2的遮光板定日镜传感器8安装在定日镜支架9上，光电传感器G1、G2，遮光器V1、V2的面朝向定日镜反光面4的方向。