CN102116618B - 定日镜姿态角的在线测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定日镜姿态角的在线测量方法及系统。方法包括：在塔式太阳能热发电站的集热器上方设定位置周期性地向各方向发射激光信号；在定日镜的顶点接收所述激光信号，测量接收到的激光光斑的大小并记录接收到激光信号的时间；根据接收到激光信号的时间和所述激光信号的发射规律确定接收到的激光信号的方向；根据激光信号的接收位置和该激光信号的方向确定当前时刻定日镜的实际中心法线方向；根据定日镜的实际中心法线方向，确定定日镜当前的实际姿态角。本发明能够同时检测定日镜场多台定日镜跟日过程中的姿态角，计算定日镜的跟日误差，以保证定日镜场的有效工作，提高塔式太阳能热发电站的工作效率。

Description

定日镜姿态角的在线测量方法及系统

技术领域

本发明涉及太阳能热发电领域，尤其涉及一种定日镜姿态角的在线测量方法及系统。

背景技术

太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电。其中塔式太阳能热发电站是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。在塔式太阳能热发电中，定日镜的跟日精度是比较关键的参数，只有定日镜的跟日精度足够高，才能保证太阳光斑能量一直准确聚焦到集热器上，保证热发电系统具有较高的光热转换效率，进而保障热发电系统的工作效率。

为了提高跟踪精度，当前采用的一种方法是,在长期观测的基础上建立每个定日镜的误差模型，然后利用该模型对定日镜的跟踪误差进行预测修正。这种方法在一定程度上可以改善定日镜的跟踪误差，但缺点是无法对时变的误差源(比如立柱的倾斜、由风载引起的支架抖动等)产生的误差进行修正，而且为了建立误差模型需要对每一台定日镜的聚光误差进行较长时间的观察和测量，既费时又费力。另外一旦定日镜的某个元件或者机械结构发生变化，必须重新观测建立新的定日镜误差模型。

当前采用的另一种方法是,利用CCD成像技术在线检测定日镜的聚光偏移方法。这种方法是在集热器的四个角上对称安装四个CCD摄像头，利用CCD摄像头面向定日镜场采集定日镜的图像，根据同一定日镜在对称位置的两个CCD的数字图像上的亮度差异来确定定日镜相对于集热器中心的实际偏移。从理论上看，这种方法既不影响定日镜的跟日运动，也不需要中断集热器的正常光热转换过程，可以达到在线测量的目的。但是，从实现角度看，由于摄像头的视野受镜头限制，且镜场中各定日镜之间有一定的遮挡，安装在集热器边缘的摄像头很难对镜场中的多个定日镜同时形成完整而又清晰的图像。另外根据定日镜跟日反射理论，我们知道跟日过程中定日镜中心法线与集热器中心点是不在一条直线上的，而且由于余弦效应的存在，定日镜反射形成的太阳光斑不是一个理想的圆，因此即使是准确聚光于集热器中心点的定日镜在摄像头中成的像的亮度也是有差异的的（因为散射光量不一样）。当定日镜聚光偏差较大时，因为摄像头安装在集热器边缘，会有一部分镜面反射光进入相应的摄像镜头，但此时CCD摄像头会很容易进入饱和状态，CCD图像中的定日镜轮廓很难界定。如果摄像头安装较远，则进入镜头的主要是散射光，图像中的定日镜框架会较清晰，可是根据散射光量的差异来判断定日镜的聚光偏差是不准确的。可见利用CCD摄像头对定日镜成像来测量定日镜的偏移也是有缺陷的。

当前还有一种方法是,利用光电位置检测传感器来检测定日镜的中心反射光线方向的方法。在定日镜前方安置一带聚焦功能的光电位置传感器，光电位置传感器的主轴与定日镜中心和靶标中心的连线重合。定日镜中心反射光线经聚焦后形成一光点落在光电位置传感器上，当光点落在传感器的中心时，定日镜的跟日误差为零，否则认为有偏差。根据光点在二维光电位置检测器上的坐标可以确定定日镜的中心反射光线的偏差，然后利用两个方向的偏差值控制定日镜的两个转角。采用这种方法有一个前提条件，即定日镜的顶点必须保持不变，也即定日镜顶点与旋转中心必须一致，否则光电位置传感器将无法感测到中心位置反射光线。另外，由于光电位置传感器安置在定日镜前方一细长型的竿上，受到风力和地面倾斜的影响，光电位置传感器的光学中心很难保持稳定，因此很难在野外应用。

此外，上述利用太阳光强或者利用太阳光照明分布情况来进行太阳位置的跟踪测量存在一个缺点，当天空中有云时，或者太阳被云部分遮挡时，测量系统的输出变得不稳定，从而影响定日镜的正常工作。由于在线测量的困难，目前世界上的塔式太阳能热发电定日镜基本都是工作在开环状态，限制了定日镜聚光精度的提高，而且定日镜的抗干扰能力差，风力超过二级时开环定日镜的聚光性能会明显下降，集热器的光热转换效率降低，影响太阳能热发电站的正常工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种定日镜姿态角的在线测量方法，能够在线检测定日镜的跟日精度，从而保证太阳能热发电系统的工作效率。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种定日镜姿态角的在线测量方法，包括以下步骤：

（a）在塔式太阳能热发电站的集热器上方设定位置周期性地向各方向发射使用一定频率的激光信号；

（b）在定日镜的顶点接收所述激光信号，测量接收到的激光光斑的大小并记录接收到激光信号的时间；

（c）根据接收到激光信号的时间和所述激光信号的发射规律确定接收到的激光信号的方向；

（d）根据激光信号的接收位置和该激光信号的方向确定当前时刻定日镜的实际中心法线方向；

（e）根据定日镜的实际中心法线方向，确定定日镜当前的实际姿态角。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，还包括（f），根据定日镜的实际中心法线方向，利用定日镜反射聚光的理论模型计算定日镜反射光斑中心偏离集热器中心的数值，即定日镜的聚光误差。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种定日镜姿态角的在线测量系统定日镜姿态角的在线测量系统，包括：

激光扫描装置，其位于塔式太阳能热发电站的集热器上方设定位置，用于周期性地向各方向发射一定频率的激光信号；

光电检测装置，其位于定日镜的顶点，用于接收所述激光信号，测量接收到的激光光斑的大小并记录接收到激光信号的时间；

微处理器，用于根据接收到激光信号的时间和所述激光信号的发射规律确定接收到的激光信号的方向，再根据激光信号的接收位置和该激光信号的方向确定当前时刻定日镜的实际中心法线方向，然后根据定日镜的实际中心法线方向，确定定日镜当前的实际姿态角。

进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述微处理器还用于，根据定日镜的实际中心法线方向，利用定日镜反射聚光的理论模型计算定日镜反射光斑中心偏离集热器中心的数值，即定日镜的聚光误差。

进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述激光扫描装置按照设定规律在一个三维空间内均匀、匀速地扫描。

进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述激光扫描装置由一个两维旋转运动控制系统和与其相互连接的激光器构成。

进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述激光器为带聚焦准直系统的激光器。

进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述激光扫描装置由顺次相连的半导体激光器、光学聚焦系统和转镜扫描系统构成。

进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述激光扫描装置由相互连接的半导体激光器和声光调制模块构成。

进一步地，上述系统还可具有以下特点，所述光电检测装置包括二维光敏器件、信号接收电路、解调电路、信号放大电路、模数转换电路和单片机电路。

本发明能够同时检测定日镜场多台定日镜跟日过程中的跟日误差，保证定日镜场的有效工作，提高塔式太阳能热发电站的工作效率。

附图说明

图1为定日镜姿态角测量示意图；

图2为两旋转轴定日镜示意图；

图3为定日镜姿态激光扫描测量系统结构图；

图4为两个转镜构成的激光扫描系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明定日镜姿态角的在线测量方法包括：

步骤101，在塔式太阳能热发电站的集热器上方设定位置周期性地向各方向发射一定频率的激光信号；

可以在聚光塔的顶部即集热器上方固定位置安装一个具有两个旋转运动控制轴的激光发射系统，当系统工作时，激光器能够按照设定程序周期性地发射一定频率的激光信号。这里的激光信号可以为连续波的激光信号或者激光脉冲信号。

步骤102，在定日镜的顶点接收激光信号，测量接收到的激光光斑的大小并记录接收到激光信号的时间；

可以在定日镜的中心位置贴装一个二维的光电检测装置，能接收前述激光信号、测量激光光斑的大小并锁定接收到激光信号的时间。当光电检测装置探测到前述激光信号时会输出一个触发信号，锁定接收到激光信号的时间。

步骤103，根据接收到激光信号的时间和激光信号的发射规律确定接收到的激光信号的方向；

由于激光束是按一定规律周期性地在空间扫描，根据接收时间可以知道接收到的激光束（即激光信号）的方向。激光信号的发射规律即指激光的周期性扫描规律。

步骤104，根据激光信号的接收位置和该激光信号的方向确定当前时刻定日镜的实际中心法线方向；

由于光电检测装置的主轴与定日镜的中心法线一致，即光电检测敏感面与定日镜中心法线垂直，根据激光信号的落点位置（即激光信号的接收位置）和激光信号的方向，可以得出该时刻定日镜的实际镜面中心法线的方向。

步骤105，根据定日镜的实际中心法线方向，确定定日镜当前的实际姿态角。

步骤106，根据定日镜的实际中心法线方向，利用定日镜反射聚光的理论模型计算定日镜反射光斑中心偏离集热器中心的数值，即定日镜的聚光误差。

确定了定日镜实际的中心法线后，利用定日镜反射聚光的理论模型可以算出定日镜反射光斑中心偏离集热器中心的数值，也即定日镜的聚光误差。

在跟日过程中，计算机根据太阳运动规律、定日镜位置和当地时间确定太阳的位置，然后根据靶标位置确定定日镜的指向，即定日镜的方位角和仰角，最后通过电机驱动定日镜支撑架，使定日镜达到设定的姿态。在早上，中午和下午不同时刻，定日镜的姿态会有较大变化。激光扫描角度范围可以根据理论计算的定日镜姿态作一些调整，以减小扫描角度，缩短扫描周期。

一个地方某一时刻的太阳高度角和方位角可以根据天球赤道坐标系的赤纬角δ和时间角ω来计算：

sinh_s=sinφsinδ+cosφcosδcosω（1）

${\cos \mathrm{\β}}_s=\frac{\sin \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\ω}\sin \mathrm{\φ}}{{\cosh }_s}---\left(2\right)$

其中，hs是太阳高度角，βs是方位角，δ是太阳赤纬角，φ是当地纬度，ω是时间角。太阳赤纬角是地球赤道平面与日地中心连线之间的夹角。赤纬角以年为周期，在+23°27′与-23°27′的范围内移动。赤纬角可以用下列公式计算。

如果太阳的位置用方向矢量

乘以地日之间的距离表示，

$\stackrel{\→}{S}=\left[\begin{array}{ccc}{\cosh }_s{\cos \mathrm{\β}}_s& {\cosh }_s\sin {\mathrm{\β}}_s& {\sinh }_s\end{array}\right],$

代入地平坐标系下的太阳高度角和方位角公式（1）和（2），可以得到

$\stackrel{\→}{S}\left[\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\ω}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\ω}& \sin \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\ω}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]---\left(4\right)$

如果靶标相对于定日镜顶点的方位角是βt,高度角是ht,靶标定日镜中心连线可以用方向矢量 $\stackrel{\→}{T}=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Tx}& \mathrm{Ty}& \mathrm{Tz}\end{array}\right]$ 表示,

$\stackrel{\→}{T}=\left[\begin{array}{ccc}{\cosh }_t\cos {\mathrm{\β}}_t& \cos h_t\sin {\mathrm{\β}}_t& {\sinh }_t\end{array}\right]---\left(5\right)$

根据反射定律，为了使定日镜顶点的太阳入射光反射到吸热器中心位置，定日镜的法线方向矢量应该和太阳矢量及吸热器中心矢量在同一个平面上，且满足∠SO’N=∠TO’N。如果定日镜法线的方向角记为β_n,高度角记为h_n,则β_n和h_n应该满足下列公式：

${\sinh }_n=\frac{S_z+T_z}{|\stackrel{\→}{S}+\stackrel{\→}{T}|}$

${\sin \mathrm{\β}}_n=\frac{S_y+T_y}{|\stackrel{\→}{S}+\stackrel{\→}{T}|\·{\cosh }_n}---\left(6\right)$

如果和都是单位矢量，则

θ是太阳中心光线与定日镜中心法线之间的夹角，一般记为太阳入射角。代入太阳单位方向矢量和靶标中心单位方向矢量，上面的公式可以写成：

${\sinh }_n=\frac{\sin \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ω}+\sin h_t}{2\cos \mathrm{\θ}}$

$\sin {\mathrm{\β}}_n=\frac{\cos \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\ω}+{\cosh }_t\sin {\mathrm{\β}}_t}{2\cos \mathrm{\θ}{\cosh }_n}---\left(7\right)$

如果我们已知定日镜相对于靶标中心的位置，由式（7）我们可以求出任意时刻定日镜中心法线的姿态角，据此可以定义激光扫描系统的扫描范围。

本发明还提出了一种定日镜姿态角的在线测量系统,用以实现上述的定日镜姿态角的在线测量方法，本发明定日镜姿态角的在线测量系统,包括：

激光扫描装置，位于塔式太阳能热发电站的集热器上方设定位置，用于周期性地向各指定方向发射使用设定频率调制的激光信号；

光电检测装置，位于定日镜的顶点，用于接收所述激光信号，测量接收到的激光光斑的大小并记录接收到激光信号的时间；

微处理器，用于根据接收到激光信号的时间和所述激光信号的发射规律确定接收到的激光信号的方向，再根据激光信号的接收位置和该激光信号的方向确定当前时刻定日镜的实际中心法线方向，然后根据定日镜的实际中心法线方向，确定定日镜当前的实际姿态角。

微处理器还用于，根据定日镜的实际中心法线方向，利用定日镜反射聚光的理论模型计算定日镜反射光斑中心偏离集热器中心的数值，即定日镜的聚光误差。

图1为定日镜姿态角测量示意图。图1中，X为正南方向，Y为天顶方向，各标号含义为：定日镜11，太阳12，激光扫描装置13。

其中，激光扫描装置可以由高精度的两维旋转运动控制器和激光器（该激光器可以带聚焦准直系统）构成，也可以由顺次相连的半导体激光器、光学聚焦系统和转镜扫描系统构成，还可以由相互连接的半导体激光器和声光调制模块构成。

图2为两旋转轴定日镜示意图。图2中，定日镜的镜面支撑臂长度为l。

图3为定日镜姿态激光扫描测量系统结构图。利用两轴的高精度直流伺服电机运动控制器、两旋转轴运动平台和激光器可以实现激光束的空间扫描。激光束的出射方向取决于带光学聚焦系统的激光器的姿态角。通过运动控制器控制激光扫描装置的方位角和仰角，进而控制激光束的出射方向。

图4为两个转镜构成的激光扫描系统。以激光扫描装置的中心为原点，天顶方向为Z轴建立地平坐标系，假设在某一时刻激光束的出射方向矢量的方位角为β_l，高度角为h_l,另外激光扫描中心和定日镜旋转中心之间的位移是已知的，即定日镜旋转中心的坐标是(x0,y0,z0)。激光束与定日镜顶点相交，相交点的坐标根据激光束的出射方向可以写为(d_lcosh_lcosβ_l,d_lcosh_lsinβ_l,d_lsinh_l),其中d_l是斜坡距离，或者说相交点位置矢量的长度。

光电检测装置安装在定日镜顶点。定日镜的反射镜面由定日镜架和一悬臂支撑，旋臂与两旋转轴的运动控制系统相连，如图二所示。假设旋臂的长度为l,定日镜的方位角和仰角记为β_h和h_h,以定日镜的旋转中心为原点，天顶方向为Z轴建立地平坐标系，则定日镜顶点的坐标可以写为（lcosh_hcosβ_h,lcosh_hsinβ_h,lsinh_h）。当光电检测装置接收到激光信号时，可以认为激光矢量落在定日镜顶点上，此时满足下述方程：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_l{\cosh }_l\cos {\mathrm{\β}}_l=l{\cosh }_h\cos {\mathrm{\β}}_h+x0\\ d_l{\cosh }_l\sin {\mathrm{\β}}_l=l{\cosh }_h\sin {\mathrm{\β}}_h+y0\\ d_l\sin h_l=l{\sinh }_h+z0\end{array}\right.$

该方程组中x0,y0,z0，l是已知的，激光束的方位角β_l和高度角h_l是可以确定的，根据三个方程我们可以求解出三个未知数d_l,β_h和h_h。这样我们就可以计算得到定日镜的姿态角。

激光扫描装置按照设定的规律进行周期性地扫描，不同时刻发射的激光束的方向是确定的，光电检测装置只要在检测到激光信号的同时锁定时间，就可以根据锁定时间获得该时刻激光束的方位角和仰角。

本发明能够同时检测定日镜场多台定日镜跟日过程中的姿态角，确定定日镜跟日误差，保证定日镜场的有效工作，提高塔式太阳能热发电站的工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定日镜姿态角的在线测量方法,其特征在于,包括以下步骤:

（a）在塔式太阳能热发电站的集热器上方设定位置周期性地向各方向发射一定频率的激光信号；

（b）在定日镜的顶点接收所述激光信号，测量接收到的激光光斑的大小并记录接收到激光信号的时间；

（c）根据接收到激光信号的时间和所述激光信号的发射规律确定接收到的激光信号的方向；

（d）根据激光信号的接收位置和该激光信号的方向确定当前时刻定日镜的实际中心法线方向；

（e）根据定日镜的实际中心法线方向，确定定日镜当前的实际姿态角。

2.根据权利要求1所述的定日镜姿态角的在线测量方法,其特征在于,还包括（f），根据定日镜的实际中心法线方向，利用定日镜反射聚光的理论模型计算定日镜反射光斑中心偏离集热器中心的数值，即定日镜的聚光误差。

3.一种定日镜姿态角的在线测量系统,其特征在于,包括：

激光扫描装置，其位于塔式太阳能热发电站的集热器上方设定位置，用于周期性地向各方向发射一定频率的激光信号；

光电检测装置，其位于定日镜的顶点，用于接收所述激光信号，测量接收到的激光光斑的大小并记录接收到激光信号的时间；

微处理器，用于根据接收到激光信号的时间和所述激光信号的发射规律确定接收到的激光信号的方向，再根据激光信号的接收位置和该激光信号的方向确定当前时刻定日镜的实际中心法线方向，然后根据定日镜的实际中心法线方向，确定定日镜当前的实际姿态角。

4.根据权利要求3所述的定日镜姿态角的在线测量系统,其特征在于,所述微处理器还用于，根据定日镜的实际中心法线方向，利用定日镜反射聚光的理论模型计算定日镜反射光斑中心偏离集热器中心的数值，即定日镜的聚光误差。

5.根据权利要求3所述的定日镜姿态角的在线测量系统,其特征在于,所述激光扫描装置按照设定规律在一个三维空间内均匀、匀速地扫描。

6.根据权利要求3所述的定日镜姿态角的在线测量系统,其特征在于,所述激光扫描装置由一个两维旋转运动控制系统和与其相互连接的激光器构成。

7.根据权利要求6所述的定日镜姿态角的在线测量系统,其特征在于,所述激光器为带聚焦准直系统的激光器。

8.根据权利要求3所述的定日镜姿态角的在线测量系统,其特征在于,所述激光扫描装置由顺次相连的半导体激光器、光学聚焦系统和转镜扫描系统构成。

9.根据权利要求3所述的定日镜姿态角的在线测量系统，其特征在于,所述激光扫描装置由相互连接的半导体激光器和声光调制模块构成。

10.根据权利要求3所述的定日镜姿态角的在线测量系统，其特征在于，所述光电检测装置包括二维光敏器件、信号接收电路、解调电路、信号放大电路、模数转换电路和单片机电路。

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