CN107368101B - 一种基于追日传感器的定日镜装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于追日传感器的定日镜装置及工作方法，属于太阳能集热技术领域。装置包括追日传感器、对日支架、齿轮组件、自旋仰角型定日镜、自旋轴和控制器，自旋轴对准光靶，齿轮组件安装在自旋轴上，通过传动比2:1的关系，实现自旋仰角型定日镜法向量到太阳向量的转换，然后借助追日传感器对准太阳，从而实现了不需要角度编码器和太阳位置算法的定日镜闭环控制，大大简化了控制系统；在实际工程中，保证了自旋轴对准光靶的精度，以及齿轮组件、对日支架和追日传感器三者之间的安装精度后，其他安装精度可适当降低，一定程度上降低了安装精度的要求，适用于大规模使用定日镜的太阳能热发电、太阳炉集热、自然光照明等场所。
Description
技术领域
本发明属于太阳能集热技术领域，特别涉及一种基于追日传感器的定日镜装置及工作方法。
背景技术
塔式太阳能热电站中，定日镜按结构形式大体分为两类，一个是方位仰角型，其方位轴垂直于地面，仰角轴水平于地面，现广泛应用于国内外的塔式热电站中；另一个是自旋仰角型，自旋轴朝向光靶，仰角轴与自旋轴垂直安装，由于运行重心的不稳定和安装的不方便，现并没有广泛用于塔式热电站中，但自旋仰角型定日镜光学性能比方位仰角型强，以后的发展空间很大。
镜场中有成百上千的定日镜，传统的控制方法是根据时间和太阳位置算法算出太阳位置向量，或传感器测量太阳位置向量，再依据定日镜和光靶目标所处精确位置，通过公式算出定日镜法向量，从而转化为两个轴的旋转角度，借助编码器控制旋转角度。具体的算法可以参考陈应天教授的文章Non-imaging focusing heliostat(Solar Energy杂志，2001年71期155页)。这种通过算法和编码器的控制难免因安装误差、机械误差等各种误差使带入算法计算的数值与实际值不符，从而出现控制错误，并且往往对控制器的硬件要求较高。
本发明在机械结构上加以创新，通过传动比的关系，实现自旋仰角型定日镜法向量到太阳向量的转换，然后借助追日传感器对准太阳，从而实现了不需要角度编码器和太阳位置算法的定日镜闭环控制，大大简化了控制系统；在实际工程中，保证了自旋轴对准光靶的精度，以及齿轮组件、对日支架和追日传感器三者之间的安装精度后，其他安装精度可适当降低，一定程度上降低了安装精度的要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于追日传感器的定日镜装置及工作方法，解决了目前系统需要角度编码器和太阳位置算法的定日镜闭环控制的问题，提供了一个简单易行的系统。
一种基于追日传感器的定日镜装置，包括追日传感器、角度转换组件、自旋仰角型定日镜和控制器，追日传感器通过角度转换组件与自旋仰角型定日镜的仰角轴连接，角度转换组件使追日传感器的旋转速度是仰角轴旋转速度的两倍并且旋转方向相同。
所述角度转换组件为齿轮组件，还包括对日支架，追日传感器固定在对日支架上，传感器的对日方向垂直于对日支架上平面；对日支架与对日支架轴齿轮固定，随对日支架轴齿轮的旋转而旋转；自旋仰角型定日镜和仰角轴齿轮相对固定，随仰角轴齿轮的旋转而旋转；齿轮组件壁固定在自旋轴上；齿轮组件包括仰角轴齿轮、反转齿轮、对日支架轴齿轮和齿轮组件壁；仰角轴齿轮、反转齿轮和对日支架轴齿轮模数相同，分别安装在齿轮组件壁上，仰角轴齿轮和反转齿轮分度圆直径相等，对日支架轴齿轮分度圆为反转齿轮的一半，仰角轴齿轮与反转齿轮啮合，传动比1:1，反转齿轮与对日支架轴齿轮啮合，传动比2:1。
装置初始安装配合关系为：自旋轴对准光靶，追日传感器以及自旋仰角型定日镜的法向量都与自旋轴轴线平行。
所述自旋轴高精度的对准光靶不随时间改变。
所述追日传感器可高精度对准太阳，并且能有效反馈太阳相对追日传感器的方位，方便控制器控制定日镜相应方向的旋转；所述定日镜旋转可以由微步进角度的步进电机或大减数比的直流电机提供动力，电机使定日镜在两个方向以慢速旋转。
一种基于追日传感器的定日镜装置的工作方法，在定日镜装置将太阳光反射到光靶上正常工作期间，控制器不断以一定的时间间隔接收追日传感器的信号，该信号包含了太阳相对追日传感器的方位信息，控制自旋仰角型定日镜两个方向的旋转，不断调整太阳相对追日传感器的方位，使太阳最终处于追日传感器的正上方，追日传感器对准太阳，反射太阳光到光靶。
本发明的有益效果是：本装置通过机械传动结构，引入追日传感器，巧妙的把定日镜跟踪转化为追踪太阳，实现了不需要角度编码器和太阳位置算法的定日镜闭环控制，大大简化了控制系统；并且在实际安装中，如果保证了自旋轴对准光靶的精度，以及齿轮组件、对日支架和追日传感器三者之间的安装精度后，像自旋轴和仰角轴的垂直度等其他安装精度可适当降低，并不影响跟踪精度；并且本装置的齿轮组件、对日支架和追日传感器部分小巧，与整个定日镜装置分离程度高，可实现高精度量产，从而也容易保证其精度。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为本发明装置细节结构示意图；
图3为本发明装置安装配合示意图；
图4为本发明装置运行示意图；
本发明装置图中标号：追日传感器为1，对日支架为2，对日支架轴齿轮为3，反向齿轮为4，仰角轴齿轮为5，齿轮组件壁6，自旋轴为7，自旋仰角型定日镜为8，控制器为9，太阳为10，光靶为11。
具体实施方式
本发明提出一种基于追日传感器的定日镜装置，其特征在于，该装置是具备自动跟踪太阳将太阳光定向反射功能的装置，在自旋仰角型定日镜上加以改进，利用齿轮组件将定日镜法向转换为太阳方向，再利用追日传感器完成对日追踪；从而实现了不需要角度编码器和太阳位置算法的定日镜闭环控制，大大简化了控制系统；
所述基于追日传感器的定日镜装置包括追日传感器、对日支架、齿轮组件、自旋仰角型定日镜和控制器，其中，齿轮组件包括仰角轴齿轮、反转齿轮、对日支架轴齿轮和齿轮组件壁；此3个齿轮模数相同，分别安装在齿轮组件壁上，仰角轴齿轮和反转齿轮分度圆直径相等，对日支架轴齿轮分度圆为反转齿轮的一半，仰角轴齿轮与反转齿轮啮合，传动比1:1，反转齿轮与对日支架轴齿轮啮合，传动比2:1；
追日传感器固定在对日支架上，保证传感器的对日方向垂直于对日支架上平面；对日支架与对日支架轴齿轮固定，随对日支架轴齿轮的旋转而旋转；自旋仰角型定日镜和仰角轴齿轮相对固定，随仰角轴齿轮的旋转而旋转；齿轮组件壁固定在自旋轴上；装置初始安装配合关系为，自旋轴对准光靶，追日传感器以及自旋仰角型定日镜的法向量都与自旋轴轴线平行；
基于追日传感器的定日镜装置的工作方法十分简单，在定日镜装置将太阳光反射到光靶上时，即正常工作期间，控制器不断以一定的时间间隔接收追日传感器的信号，该信号包含了太阳相对追日传感器的方位信息，从而控制自旋仰角型定日镜两个方向的旋转，从而不断调整太阳相对追日传感器的方位，目的是使太阳最终处于追日传感器的正上方，即追日传感器对准太阳，从而最终实现了反射太阳光到光靶的功能；
齿轮组件也可以是，内外齿轮组合，内齿轮为内齿轮为外齿直径的一半，即可实现两倍角度调节，传动比2:1；
齿轮组件也可以为同步带替代，同步带传动轮分别与对日支架及自旋仰角型定日镜固定，二同步带轮直径比1:2，通过同步带连接实现2比1传动比的传动。
必须保持所述自旋轴高精度的对准光靶不随时间改变，以及保证齿轮组件、对日支架和追日传感器三者之间的安装精度；
所述齿轮组件中的齿轮可以替换为其他更加精密的传动结构，保证实现对日支架的旋转速度是仰角轴旋转速度的两倍并且旋转方向相同即可。
所述追日传感器需要具有高精度对准太阳的能力，并且能有效反馈太阳相对追日传感器的方位，方便控制器控制定日镜相应方向的旋转；所述定日镜旋转可以由微步进角度的步进电机或大减数比的直流电机提供动力，对电机的要求在于能使定日镜在两个方向以相当慢速旋转，以保证控制精度。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
图1中，齿轮组件壁6固定在自旋轴7上，自旋仰角型定日镜8和仰角轴齿轮5相对固定，随仰角轴齿轮5的旋转而旋转；控制器9通过接收对日传感器的信号控制自旋仰角型定日镜8两个方向的旋转，从而使对日传感器1对准太阳，最终实现定日镜的功能；
图2中，仰角轴齿轮5、反转齿轮4和对日支架轴齿轮3分别安装在齿轮组件壁6上，仰角轴齿轮5和反转齿轮4分度圆直径相等，对日支架轴齿轮3分度圆为反转齿轮4的一半，仰角轴齿轮5与反转齿轮4啮合，传动比1:1，反转齿轮4与对日支架轴齿轮3啮合，传动比2:1；追日传感器1固定在对日支架2上，保证追日传感器1的对日方向垂直于对日支架2上平面；对日支架2与对日支架轴齿轮3固定，随对日支架轴齿轮2的旋转而旋转；
图3中，示意了装置初始安装配合关系，自旋轴7对准光靶11，追日传感器1以及自旋仰角型定日镜8的法向量都与自旋轴7轴线平行，图中虚直线表示法向量，圆形实线框表示局部放大；
图4中，在太阳10移动过程中，自旋轴7始终对准光靶11，并由于齿轮传动关系，在对日传感器1对准太阳10的时候，自旋仰角型定日镜8法向量始终平分太阳10法向量和光靶11法向量，最终将太阳光反射到光靶11上，图中虚直线为法向量。
本发明的有益效果是：本装置通过机械传动结构，引入追日传感器，巧妙的把定日镜跟踪转化为追踪太阳，实现了不需要角度编码器和太阳位置算法的定日镜闭环控制，大大简化了控制系统；并且在实际安装中，如果保证了自旋轴对准光靶的精度，以及齿轮组件、对日支架和追日传感器三者之间的安装精度后，像自旋轴和仰角轴的垂直度等其他安装精度可适当降低，并不影响跟踪精度；并且本装置的齿轮组件、对日支架和追日传感器部分小巧，与整个定日镜装置分离程度高，可实现高精度量产，从而也容易保证其精度。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于追日传感器的定日镜装置，包括追日传感器、角度转换组件、自旋仰角型定日镜和控制器，其特征在于，追日传感器通过角度转换组件与自旋仰角型定日镜的仰角轴连接，角度转换组件使追日传感器的旋转速度是仰角轴旋转速度的两倍并且旋转方向相同，所述角度转换组件为齿轮组件，还包括对日支架，追日传感器固定在对日支架上，传感器的对日方向垂直于对日支架上平面；对日支架与对日支架轴齿轮固定，随对日支架轴齿轮的旋转而旋转；自旋仰角型定日镜和仰角轴齿轮相对固定，随仰角轴齿轮的旋转而旋转；齿轮组件壁固定在自旋轴上；齿轮组件包括仰角轴齿轮、反转齿轮、对日支架轴齿轮和齿轮组件壁；仰角轴齿轮、反转齿轮和对日支架轴齿轮模数相同，分别安装在齿轮组件壁上，仰角轴齿轮和反转齿轮分度圆直径相等，对日支架轴齿轮分度圆为反转齿轮的一半，仰角轴齿轮与反转齿轮啮合，传动比1:1，反转齿轮与对日支架轴齿轮啮合，传动比2:1。
2.根据权利要求1所述基于追日传感器的定日镜装置，其特征在于，装置初始安装配合关系为：自旋轴对准光靶，追日传感器以及自旋仰角型定日镜的法向量都与自旋轴轴线平行。
3.根据权利要求1或2所述基于追日传感器的定日镜装置，其特征在于，所述自旋轴对准光靶不随时间改变。
4.根据权利要求1所述基于追日传感器的定日镜装置，其特征在于，所述追日传感器对准太阳，并且能有效反馈太阳相对追日传感器的方位，方便控制器控制定日镜相应方向的旋转；所述定日镜旋转可以由步进电机或直流电机提供动力，电机使定日镜在两个方向以慢速旋转。
5.一种基于追日传感器的定日镜装置的工作方法，其特征在于，该基于追日传感器的定日镜装置如权利要求1-4之一所述，在定日镜装置将太阳光反射到光靶上正常工作期间，控制器不断以一定的时间间隔接收追日传感器的信号，该信号包含了太阳相对追日传感器的方位信息，控制自旋仰角型定日镜两个方向的旋转，不断调整太阳相对追日传感器的方位，使太阳最终处于追日传感器的正上方，追日传感器对准太阳，反射太阳光到光靶。
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