CN106444868A - 基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置及方法，所述装置包括光敏检测电路、GPS定位模块和信号传输电路，利用该装置实现定日镜精确控制的方法，包括以下步骤：首先将硬件电路置于定日镜镜面正下方的密封模块中，且密封模块的上表面与镜面平行，阳光透过镜面上的小孔照射到光敏检测电路上，其次通过光敏检测电路和GPS定位模块进行采样，计算定日镜的校正误差系数，最后利用校正误差系数计算出定日镜当前需要调整的角度信息；本发明具有如下显著优点：结构简单紧凑，成本低，安装简单，操作方便；校正效率高，不易受到环境的影响；使太阳光线更加精准地反射到目标位置，确保定日镜的可靠性和安全性。

Description

基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置及方法

技术领域

本发明涉及太阳光能量收集和利用塔式太阳能热发电，具体涉及一种基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置，同时涉及利用该装置对定日镜的精度进行校正的方法。

背景技术

随着经济发展对能源需求量不断增加，太阳能热发电技术已经成为全球研究的重点。其中塔式太阳能热发电技术聚光倍数高，更容易达到较高的工作温度，热转换效率高，是目前应用最广泛的太阳能发电方式。

定日镜是用来将太阳光线反射到吸热器上的光学装置，它通过跟踪机构将太阳光反射并聚集到吸热器上。然而在定日镜的使用过程中，由于各种因素的影响，其跟踪机构的精确度可能会有所下降，导致太阳光的反射光不反射到目标位置，这就需要对定日镜的精准度进行校正。对定日镜的校正过程实质上就是获得定日镜的旋转中心的过程，在定日镜对太阳光跟踪反射的过程中，方位—俯仰跟踪是最常见的方式，定日镜的方位旋转轴(竖轴)与俯仰旋转轴(横轴)互相垂直，通过两个轴的旋转配合可以使定日镜完成旋转。

现有技术中公开了多种定日镜的校准设备，如中国专利文献CN 101266078B公开了一种定日镜跟踪控制装置及其控制方法，提到了一种采用开环与闭环相结合的误差校正方法。在该专利申请所述的误差校正方法中，每一台定日镜配备一个四象限太阳位置传感器，传感器安装在定日镜镜面中心点正前方，与吸热器中心，镜面中心三点一线。该传感器采用四块光电池，安装在一个圆柱形壳内，中间用隔板隔开来，当镜面中心点、传感器、集热器三点一线时反射光将平行于隔板，四块光电池感光量和电信号输出量都相等，当反射太阳光略有偏移时，光电池的感光量和电信号输出量都会发生变化，当控制器采集到信号变化时，通过控制算法，控制电机运动，直到四块光电池输出信号再次相同时，停止电机运动。

但也存在比较明显的缺陷和不足：一是但是该方法要求四象限太阳位置传感器需要与定日镜、集热器三点一线，在实际工程中四象限太阳位置传感器的安装立杆同样受地基沉降、大风载荷等因素存在偏斜现象，上述“三点一线”的要求很难保证；二是该类误差校正系统需要随时对定日镜进行跟踪误差校正，增加了塔式电站对该系统的依赖程度，也加大了塔式电站的维护成本和工作量。

发明内容

目的：本发明的第一目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置；本发明的第二目的是提供一种利用定日镜精确控制装置实现对定日镜的精准度进行校正的方法，以解决现有技术中很难做到成本低且精度高的技术缺陷。

技术方案：本发明采用如下技术方案实现：一种基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置，包括光敏检测电路、用于确定定日镜中心位置信息的GPS定位模块和信号传输电路，其中，光敏检测电路包括光敏元件、滤波模块，信号传输电路包括A/D转换芯片、微处理器；光敏检测电路采集模拟电信号并将其转换成数字信号，微处理器接收A/D转换芯片输出的数字信号，通过串口将数字信号输出给上位机，上位机判断定日镜是否需要进行校正并显示需要转动的角度；其中，各硬件电路位于定日镜正下方位置，且光敏检测电路和信号传输电路设置于定日镜的镜面正下方的密封模块中，密封模块的上表面与定日镜的镜面平行，阳光透过镜面上的小孔照射到光敏检测电路的光敏元件上；由于光敏元件的不稳定性，电路输出的电信号会有较大的干扰，因此需要在电路中加上滤波电路，滤除干扰，以得到平稳的电信号。

优选的，密封模块通过支架与定日镜固定连接。

一种利用上述装置实现定日镜精确控制的方法，包括以下步骤：

(A)通过光敏检测电路和GPS定位模块进行N次采样，计算出定日镜的校正误差系数，具体计算方法为：

(a1)转动需要采样的定日镜的高度角θ₁和方位角θ₂，使该定日镜的入射光线垂直照射到光敏检测电路上，保存采样次数N、采样时间T、太阳高度角h_s、太阳方位角θ_s、定日镜转动的方位角θ₁、定日镜转动的高度角θ₂及定日镜中心位置(X_o,Y_o,Z_o)；

(a2)计算每一次采样后的非线性式子

根据计算出定日镜中心点对太阳的单位相量为：

由于太阳光线是垂直照射到定日镜的镜面，射光线、反射光线、法线三线合一，故法线的单位向量为：

由旋转矩阵原理可知，获得该采样时的非线性式子为：

其中：为欧拉角表示的定日镜装置安装和加工上的若干个误差系数，θ₁为定日镜转动的方位角、θ₂为定日镜转动的高度角；

(a3)将N次采样后的非线性式子组成非线性方程式，求解得到该定日镜的校正误差系数

(B)利用校正误差系数计算出定日镜当前需要调整的角度信息，具体方法为：

(b1)获取该时刻的太阳高度角h_s和太阳方位角θ_s，根据计算太阳对镜面(4)中心的入射光线的单位向量为：

(b2)通过GPS定位模块(2)获得该时刻的定日镜中心点的位置信息(X_o,Y_o,Z_o)，获得目标位置信息(X_R,Y_R,Z_R)，计算出反射光线的单位向量

(b3)镜面(4)法线满足下列关系：

再由步骤(A)所求校正误差系数计算得到当前定日镜需要转动的角度信息θ₁、θ₂。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：1、结构简单紧凑，成本低，安装简单，操作方便；2、校正效率高，不易受到环境的影响；3、确保定日镜的可靠性和安全性，适应了现代社会定日镜场发电的需要。

附图说明

图1是本发明定日镜精确控制装置的功能结构图；

图2是本发明定日镜精确控制方法的设计图；

图3是本发明定日镜精确控制方法的校正流程图。

具体实施方式

如图1所示，定日镜系统M包括定日镜M1和电机控制单元M2，定日镜M1通过电机控制单元M2的双轴控制实现高度角和方位角的转动；一种基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置，包括光敏检测电路1、用于确定定日镜中心位置信息的GPS定位模块2和信号传输电路3，其中，光敏检测电路1包括光敏元件101、滤波模块102，由于光敏元件101的不稳定性，电路输出的电信号会有较大的干扰，因此需要在电路中加上滤波电路，滤除干扰，以得到平稳的电信号；信号传输电路3包括A/D转换芯片301、微处理器302；光敏检测电路1和信号传输电路3封装在位于定日镜的镜面4正下方的密封模块5中，密封模块5通过支架502与定日镜M固定连接；且密封模块5的上表面与定日镜的镜面4平行，使得太阳入射光r透过镜面4上的小孔401照射到光敏检测电路1的光敏元件101上；光敏检测电路1采集模拟电信号并将其转换成数字信号，微处理器302接收A/D转换芯片301输出的数字信号，通过串口将数字信号输出给上位机，上位机判断定日镜是否需要进行校正并显示需要转动的角度。

如图2所示为利用该装置实现定日镜精确控制的方法设计图，包括以下三个步骤：

S1：在定日镜的镜面4正下方设置GPS定位模块2，将光敏检测电路1、信号传输电路3封装在密封模块5中，调整装置位置，使其与定日镜镜面4平行，使得阳光能够透过镜面4的小孔401照射到光敏元件101上；

S2：通过光敏检测电路1和GPS定位模块2进行N次采样，计算定日镜M1的校正误差系数；

S3：利用校正误差系数计算出该定日镜M1当前需要调整的角度信息，使得太阳光线能够更加精准的反射到指定位置上；

如图3所示为本发明定日镜精确控制的方法的校正流程图：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明：

a：确定需要校正的定日镜M1，计算此刻太阳的高度角和方位角，转动定日镜系统M的高度角和方位角，使该定日镜M1的入射光线垂直照射到光敏检测电路1上；

b：保存采样的次数N、采样的时间T、太阳高度角h_s、太阳方位角θ_s、定日镜M1转动的方位角θ₁、定日镜M1转动的高度角θ₂、镜面4中心位置(X_o,Y_o,Z_o)；

c：计算出校正误差系数，具体步骤为：

由于定日镜装置加工和安装时会产生误差，本实施例用3个角度α_o,β_o,来描述误差，但本发明不局限3个参数，在此的3个参数仅应用于举例说明本发明的技术方案。

镜面4法线满足下列关系：

由于镜面4的入射光线是垂直于镜面的，镜面的法线与入射光线重合，

为镜面4入射光线的单位向量，则其中

并得到下列方程

从上述方程可以看出有3个未知参数需要校正，因此必须采样6个不同时间，即N＝6；

获取太阳高度角h_s和太阳方位角θ_s，后根据计算太阳对镜面4中心的入射光线r的单位向量通过非线性优化求解得到3个校正误差系数，具体方法为：

令

再

采用非线性最小二乘法优化得到3个误差系数α_o,β_o,

其中，每次采样的步骤为：

转动需要采样的定日镜M1的高度角和方位角，使得太阳光垂直照射到镜面4上，当垂直照射时会自动启动光敏检测电路1；

保存采样的次数N、采样的时间T、太阳高度角h_s、太阳方位角θ_s、定日镜M1的方位角θ₁、定日镜M1的高度角θ₂、镜面4中心的位置信息(X_o,Y_o,Z_o)；

通过获得的N次采样后的非线性式子，组成非线性方程式，得到该定日镜M1的校正误差系数α_o,β_o,

d：利用校正误差系数计算出所述定日镜M1当前需要调整的角度信息，使得太阳光线能够更加精准的反射到指定位置上。

Claims (3)

1.一种基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置，其特征在于：包括光敏检测电路(1)、用于确定定日镜中心位置信息的GPS定位模块(2)和信号传输电路(3)，其中，光敏检测电路(1)包括光敏元件(101)、滤波模块(102)，信号传输电路(3)包括A/D转换芯片(301)、微处理器(302)；光敏检测电路(1)采集模拟电信号并将其转换成数字信号，微处理器(302)接收A/D转换芯片(301)输出的数字信号，通过串口将数字信号输出给上位机，上位机判断定日镜是否需要进行校正并显示需要转动的角度；其中，各硬件电路位于定日镜正下方位置，且光敏检测电路(1)和信号传输电路(3)设置于定日镜正下方的密封模块(5)中，密封模块(5)的上表面与定日镜的镜面(4)平行，阳光透过镜面(4)上的小孔(401)照射到光敏检测电路(1)的光敏元件(101)上。

2.根据权利要求1所述的基于太阳光参照系统的定日镜精确控制装置，其特征在于：所述密封模块(5)通过支架(502)与定日镜固定连接。

3.一种利用权利要求1所述装置实现定日镜精确控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)通过光敏检测电路(1)和GPS定位模块(2)进行采样，计算出定日镜的校正误差系数，具体计算方法为：

(a1)转动需要采样的定日镜的高度角θ₁和方位角θ₂，使该定日镜的入射光线垂直照射到光敏检测电路(1)上，保存采样次数N、采样时间T、太阳高度角h_s、太阳方位角θ_s、定日镜转动的方位角θ₁、定日镜转动的高度角θ₂及定日镜中心位置(X_o,Y_o,Z_o)；

(a2)计算每一次采样后的非线性式子

根据计算出定日镜中心点对太阳的单位相量为：

$\hat{S}=(X_{\hat{S}},Y_{\hat{S}},Z_{\hat{S}})$

由于太阳光线是垂直照射到定日镜的镜面(4)，射光线、反射光线、法线三线合一，故法线的单位向量为：

$\hat{N}=-\hat{S}$

由旋转矩阵原理可知，获得该采样时的非线性式子为：

其中：为欧拉角表示的定日镜装置安装和加工上的误差系数，θ₁为定日镜转动的方位角、θ₂为定日镜转动的高度角；

(a3)将N次采样后的非线性式子组成非线性方程式，求解得到该定日镜的校正误差系数

(B)利用校正误差系数计算出定日镜当前需要调整的角度信息，具体方法为：

(b1)获取该时刻的太阳高度角h_s和太阳方位角θ_s，根据计算太阳对镜面(4)中心的入射光线的单位向量为：

$\hat{S}=(X_{\hat{s}},Y_{\hat{s}},Z_{\hat{s}})$

(b2)通过GPS定位模块(2)获得该时刻的定日镜中心点的位置信息(X_o,Y_o,Z_o)，获得目标位置信息(X_R,Y_R,Z_R)，计算出反射光线的单位向量

(b3)镜面(4)法线满足下列关系：

由步骤(A)所求校正误差系数计算得到当前定日镜需要转动的角度信息θ₁、θ₂。