CN102242980A - 定日镜跟踪控制装置及跟踪控制方法 - Google Patents

定日镜跟踪控制装置及跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定日镜跟踪控制装置及跟踪控制方法，该装置包括远程控制中心、主控制器、传动机构、步进电机和定日镜位置反馈装置；所述定日镜位置反馈装置均包括加速度传感器和绝对值编码器；所述加速度传感器安装在对应的定日镜表面，绝对值编码器安装在对应的传动机构输出轴上；所述定日镜位置反馈装置的输出端与对应的主控制器的输入端相连；所述远程控制中心与各主控制器相连；所述主控制器的输出端与对应的步进电机的输入端相连；所述传动机构的输入轴和输出轴分别与对应的步进电机输出轴和定日镜相连。利用该装置能精确的跟踪太阳运行轨迹，将太阳光有效反射到集热器内，提高了太阳热能利用效率。

Description

定日镜跟踪控制装置及跟踪控制方法
技术领域
本发明具体涉及一种定日镜跟踪控制装置及利用该装置的跟踪控制方法。
背景技术
能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点。从理论上看，太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，如转化为电能，则每年的发电量相当于目前世界上能耗的40倍。因此，国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能具有更重要的地位。
塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统。塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在接收塔顶部的集热器上，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组域燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。
定日镜是塔式太阳能热发电站的核心部分，用于跟踪太阳并将太阳光反射进接收塔顶部的集热器内，其主要有反射镜、支架、传动装置以及控制系统组成。
目前跟踪太阳的方式分为主动跟踪和反馈跟踪两种。主动跟踪是利用太阳运行规律、定日镜所处精确位置（坐标，经纬度）、集热塔、集热器的位置以及定日镜距集热器的位置，计算太阳的实时角度和定日镜的目标位置，来跟踪太阳；反馈跟踪是利用传感器反馈太阳的当前角度，来进行跟踪。目前的定日镜控制系统，主要是利用安装在传动机构输出轴上的编码器，动态的反馈定日镜的当前角度，根据跟踪到的太阳角度，使定日镜时刻保持在目标角度，达到跟踪太阳的效果。这种控制的缺点是定日镜高度角编码器与定日镜不同轴，导致高度角的反馈有误差，且这种误差在一天中的不同时段大小不同，再加上钢板的重力沉降，这种误差会更大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种误差小的定日镜跟踪控制装置以及利用该装置的跟踪控制方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种定日镜跟踪控制装置，该装置用于将太阳光反射进接收塔顶部的集热器内；包括远程控制中心、若干个主控制器、若干个传动机构、若干个步进电机和若干个定日镜位置反馈装置；所述各定日镜位置反馈装置均包括加速度传感器和绝对值编码器；所述加速度传感器安装在对应的定日镜表面，绝对值编码器安装在对应的传动机构输出轴上。所述定日镜位置反馈装置的输出端与对应的主控制器的输入端相连。所述远程控制中心与各主控制器相连；所述主控制器的输出端与对应的步进电机的输入端相连；所述传动机构的输入轴和输出轴分别与对应的步进电机输出轴和定日镜相连。 
对定日镜跟踪控制装置的进一步改进在于，远程控制中心为DCS分散控制系统或PLC控制系统。主控制器包括单片机、单片机控制电路、电源转换电路、片外铁电存储电路、电机驱动电路、SSI通信接口和串行通信接口，单片机控制电路分别与单片机、电源转换电路、片外铁电存储器电路、电机驱动电路、SSI通信接口和串行通信接口相连。其中，主控制器通过串行通信接口和远程控制中心相连，通过SSI通信接口与绝对值编码器相连，通过电机驱动电路与步进电机相连。步进电机包括高度角控制电机和方位角控制电机。传动机构包括高度角传动机构和方位角传动机构。高度角控制电机和方位角控制电机分别与高度角传动机构和方位角传动机构相连。绝对值编码器安装在对应的方位角传动机构的输出轴上。
本发明还提供了一种定日镜跟踪控制方法，包括以下步骤：
（1）远程控制中心将时间和定日镜的坐标及经纬度信息通过串行总线发送给主控制器；
    （2）主控制器接收到远程控制中心发送的信息后，通过太阳角计算公式计算出实时太阳的高度角和方位角，进而通过几何光学计算出定日镜的目标高度角和方位角； 
    （3）定日镜位置反馈装置通过加速度传感器和绝对值编码器将定日镜实时的高度角和方位角位置信息反馈给主控制器；主控制器计算当前位置与定日镜目标位置的角度差值，将驱动信号发送给步进电机；所述驱动信号为控制脉冲；
（4）步进电机接收驱动信号后，驱动传动机构将定日镜调整到目标位置；
（5）在定日镜跟踪过程中，主控制器会间隔一段时间将定日镜的跟踪情况通过串行总线反馈给远程控制中心，远程控制中心根据主控制器反馈回的定日镜跟踪信息，进行分析处理，如果发现定日镜跟踪异常则会对定日镜主控制器发出停止、复位或重新跟踪指令。
对本发明定日镜跟踪控制方法的进一步改进在于：所述太阳角计算公式为：                                                ， 
Figure 606632DEST_PATH_IMAGE002
；其中，
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE003
：太阳高度角；A：太阳方位角；
Figure 723405DEST_PATH_IMAGE004
：地理纬度；
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE005
：太阳时角，以正午时
Figure 309107DEST_PATH_IMAGE005
=0计算；
Figure 738951DEST_PATH_IMAGE006
：太阳赤纬角。
本发明相比现有技术具有以下优点：采用反馈跟踪或主动跟踪的方法，可以精确的跟踪太阳运行轨迹，将太阳光有效反射到集热器内，提高了太阳热能利用效率；将定日镜高度角和方位角的计算工作分散到各个定日镜主控制器的单片机上，减少了服务器的运算压力，提升了系统的稳定性；采用安装在各定日镜表面的加速度传感器反馈定日镜的高度角，避免了钢结构由于重力沉降和变形而引起的系统误差，同时也避免因现有技术中的编码器与定日镜不同轴引起的系统误差，可以大大提高定日镜的跟踪精度；跟踪精度不受天气情况影响，在多云天气仍可完成跟踪，精度可达0.1°，1.7mrad。
附图说明
图1为本发明定日镜跟踪控制装置应用在定日镜场的结构示意图。
图2为图1中主控制器控制单个定日镜的原理图。
图3为太阳高度角在一天中的变化曲线图。
图4为太阳方位角在一天中的变化曲线图。
图5为定日镜高度角在一天中的变化曲线图。
图6为定日镜方位角在一天中的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明定日镜跟踪控制装置及跟踪控制方法进行详细说明。
结合图1和图2，本发明定日镜跟踪控制装置包括包括远程控制中心、若干个主控制器、若干个传动机构、若干个步进电机和若干个定日镜位置反馈装置。步进电机分为高度角控制电机以及方位角控制电。传动机构包括高度角传动机构和方位角传动机构，分别由高度角控制电机和方位角控制电机控制，从而调整各定日镜的高度角和方位角。每个定日镜位置反馈装置均包括记录定日镜高度角（俯仰方向夹角）的加速度传感器和记录定日镜方位角（与正南方向夹角）的绝对值编码器，其中加速度传感器直接安装在定日镜的表面，可以精确地记录定日镜的高度角，避免了因钢结构以及反射镜的重力沉降和变形而引起的角度误差，还可以避免因现有编码器与定日镜不同轴引起的系统误差，提高了定日镜的跟踪精度。绝对值编码器安装在对应的方位角传动机构的输出轴上。每个定日镜位置反馈装置将对应的定日镜高度角及方位角信息反馈给各个定日镜的主控制器。远程控制中心为DCS分散控制系统或PLC控制系统，将时间、定日镜坐标以及GPS采集到的定日镜场经纬度通过串行总线发送给各个定日镜的主控制器。各主控制器是一个以单片机为控制核心的电路板，其上集成了单片机控制电路、电源转换电路、片外铁电存储器电路、电机驱动电路、SSI通信接口、串行通信接口。主控制器接收到串行总线发送的时间、坐标、经度以及纬度信息后通过太阳角度计算公式计算出当前时间太阳的高度角和方位角，再通过牛顿光学计算出定日镜的高度角和方位角，同时将驱动信号分别发送给高度角控制电机和方位角控制电机，从而粉笔驱动高度角传动机构和方位角传动机构运动，将与其输出轴相连的定日镜调整到目标角度位置，实现定日镜的实时跟踪。
其中，主控制器的SSI通信接口通过SSI总线与绝对值编码器进行通信相连，通过A/D采样装置与加速度传感器相连。主控制器的串行通信接口通过串行总线与远程控制中心进行通信相连。
单片机控制电路分别与电源转换电路、片外铁电存储器电路、步进电机驱动电路、SSI通信接口、串行通信接口相连接。片外铁电存储器电路通过I2C总线与单片机控制电路连接，用于控制器程序与数据的存放。
由单片机控制电路控制电机驱动电路发送控制脉冲，驱动步进电机正转与反转。由于步进电机精度高，启动和停止过程无惯性误差，因此本设计采用步进电机来驱动定日镜传动机构，可以进一步增加定日镜的跟踪精度。
本发明采用二维跟踪控制，分别控制定日镜的高度角和方位角。通过加速度传感器和绝对值编码器将定日镜实时的高度角和方位角位置信息反馈给主控制器；远程控制中心将时间和定日镜的坐标及经纬度信息通过串行总线发送给主控制器；主控制器接收到远程控制中心发送的信息后，通过太阳角计算公式计算出实时太阳的高度角和方位角，进而通过几何光学计算出定日镜的目标高度角和方位角；根据定日镜位置反馈装置反馈的定日镜实时的高度角和方位角信息，计算出与目标位置的角度差值，将控制脉冲发送给步进电机，驱动步进电机进行正转或反转，步进电机从而驱动传动机构将定日镜调整到目标位置。
在定日镜跟踪过程中，主控制器会间隔一段时间将定日镜的跟踪情况通过串行总线反馈给远程控制中心，远程控制中心根据主控制器反馈回的定日镜跟踪信息，进行分析处理，如果发现定日镜跟踪异常则会对定日镜主控制器发出停止、复位或重新跟踪指令。
由于太阳的东升西落，在一天中的不同时间相对于定日镜场的位置有所不同。因此需要计算出实时的太阳高度角和方位角。本发明采用采用一种精度较高，应用范围比较广的公式来计算，其中高度角公式误差方差可达0.0002°，方位角公式误差方差可达0.002°：
太阳高度角：
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE007
       （1）
太阳方位角：
Figure 855943DEST_PATH_IMAGE008
                          （2）
其中参数为：
Figure 131066DEST_PATH_IMAGE003
：太阳高度角；
A：太阳方位角；
Figure 86122DEST_PATH_IMAGE004
：地理纬度；
：太阳时角，以正午时=0计算；
Figure 291341DEST_PATH_IMAGE006
：太阳赤纬角；
太阳高度角和方位角计算的精度主要取决于太阳时角
Figure 602368DEST_PATH_IMAGE005
以及太阳赤纬角
Figure 436332DEST_PATH_IMAGE006
。
太阳时角
Figure 386970DEST_PATH_IMAGE005
：
由公式 (1)～(2)可知 ,太阳时角的精度直接影响着太阳位置计算的精度。所谓太阳时角，是用第一赤道坐标系确定太阳在天球上的位置时使用的坐标参数之一，是通过太阳的时圈与观察者子午圈之间的两面角。该角可用来度量时间，称为视太阳时。
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE009
                        （3）
太阳时的计算公式为：
Figure 581060DEST_PATH_IMAGE010
      （4）
式4中， ：制定标准时间采用的标准精度。
       
Figure 995861DEST_PATH_IMAGE012
：当地精度。
所在地点在东半球取负号，西半球取正号。
我国以北京时间为标准时间，是（4）改写为：
    
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE013
       （5）
式(4) ～(5)中，E为时差。
我们日常生活所用的时间系统是基于平太阳时 (平时 )系统，所以在太阳时角实时计算时 ,关键是要将平时转换为视时。视时与平太阳时的差称为时差E。时差每时每刻都在变化 ,我们只能用一些不同精度的近似公式进行推算。由于时差具有一定的周期性 ,所以简单的算法通常用三角周期函数近似，对于复杂算法，需要用到太阳黄纬、 赤纬、 赤经、 恒星时等概念进行推算。
W loof 1968年提出的时差计算方程为：
Figure 751458DEST_PATH_IMAGE014
  （6）
其中，
      
Spencer在 1971年提出的时差的估算公式为：
Figure 563294DEST_PATH_IMAGE016
       （7）
其中，
  
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE017
Whillier在 1979年提出的时差算法如下：
Figure 46228DEST_PATH_IMAGE018
                        （8）
其中，
  
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE019
经过对式(6) ～(8)的精度分析与比较，发现Whillier算法即式（8）的精度最高，因此本实例采用式（8）的时差算法。
太阳赤纬角
Figure 331847DEST_PATH_IMAGE006
：地球中心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角称为太阳赤纬角，它是一个近似以年为周期变化的量，其变化范围约为±23. 45°，其值时刻变化，又由于地球围绕太阳的运动规律极其复杂，甚至有些不规则变化的物理机制目前仍不清楚，所以要想得到赤纬角的真实值，需进行高精度的实时天文测量或从天文年历中查表得到。这对于太阳能利用非常不便 ,所以在太阳能利用领域一般用外推的方法归纳出某种简单算法进行推算 ,其推算精度取决于算法的复杂性与推算时间长度。
Cooper在 1969年提出以下公式作为太阳赤纬角的计算：
       
Figure 445297DEST_PATH_IMAGE020
               （9）
式中： n是所求日期在一年中的日子数。如某年 1月 1日，n = 1； 12月 31日，n = 365。对于闰年， n的计算稍有变化，可参考相关文献。
1971年 , Spencer提出下式作为赤纬角算法：
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE021
  （10）
式中:Γ称为日角， n为当年日子数。
 
Stine在 1976年提出下式作为赤纬角算法：
  
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE023
   （11）
式中: n为当年日子数。
Bourges在 1985年提出下式作为赤纬角算法：
Figure 48632DEST_PATH_IMAGE024
（12）
式中: 
Figure 201110196787X100002DEST_PATH_IMAGE025
为日角。
Figure 923178DEST_PATH_IMAGE026
以上四种赤纬角算法为典型的简单算法 ,我们以一种高精度算法--Reda的 SPA ( solar positi on algorithm)算法作为标准对以上四种简单算法进行比较，发现 Bourges算法误差非常小，它的最大计算误差为0.025°。
综上所述，对于时差, Whillier的算法精度也远胜于其他算法；对于赤纬角算法，Bourges的算法精度远优于其他算法。若将这两种算法结合 ,可大大提高太阳位置算法的精度 ,且不失算法的简单性。综合这两种算法，其计算误差最大在0.02°以内，而误差方差可达0.002°。
因此，本发明推荐在精度要求不是特别高的场合，使用Whillier的时差算法以及Bourges的赤纬角算法。如果需要更高精度的场合，可以考虑使用Reda的 SPA ( solar positi on algorithm)算法，这种算法精度很高，但软件算法非常复杂，CPU的运算负担较重。
计算出太阳高度角和方位角后即可通过简单的牛顿光学公式计算出定日镜的实时高度角和方位角，就可以根据定日镜的高度角和方位角就行对太阳的跟踪。
通过上述公式计算出太阳的高度角和方位角，太阳高度角在一天中的变化如图3所示，太阳方位角在一天中的角度变化如图4所示，理论计算结果与实际情况相符性较好。
定日镜在每天太阳出来以后开始跟踪，也可以直接设定为6点开始跟踪，DCS控制中心在这时给定日镜主控制器发送当前时间信息，主控制器接收到时间信息以后会根据相关公式计算出定日镜的目标角度，根据加速度传感器和绝对值编码器反馈回来的角度信息，决定步进电机是正转还是反转，当步进电机转动带动定日镜远动到目标角度后将停止电机动作。间隔一定时间后电机将重新动作，将定日镜转到新的目标位置，间隔时间为在定日镜不动的情况下，由于太阳的相对运动，太阳光的反射光线超出误差偏离容许值的时间，此间隔时间会随着镜场的参数不同而有所变化。图5为定日镜高度角在一天中的变化曲线图。图6为定日镜方位角在一天中的变化曲线图。
定日镜在每天太阳落山以后停止跟踪，也可以直接设定为18点停止跟踪，在停止跟踪后，定日镜根据主控制器的指令将会停留在一个安全的避险角度，从而停止一天的跟踪。

Claims (6)

1.一种定日镜跟踪控制装置，其特征在于：包括远程控制中心、若干个主控制器、若干个传动机构、若干个步进电机和若干定日镜位置反馈装置；；所述各定日镜位置反馈装置均包括加速度传感器和绝对值编码器；所述加速度传感器安装在对应的定日镜表面，绝对值编码器安装在对应的传动机构输出轴上；所述定日镜位置反馈装置的输出端与对应的主控制器的输入端相连；所述远程控制中心与各主控制器相连；所述主控制器的输出端与对应的步进电机的输入端相连；所述传动机构的输入轴和输出轴分别与对应的步进电机输出轴和定日镜相连。
2.根据权利要求1所述的定日镜跟踪控制装置，其特征在于：所述远程控制中心为DCS分散控制系统或PLC控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的定日镜跟踪控制装置，其特征在于：所述主控制器包括单片机、单片机控制电路、电源转换电路、片外铁电存储电路、电机驱动电路、SSI通信接口和串行通信接口；所述单片机控制电路分别与所述单片机、电源转换电路、片外铁电存储器电路、电机驱动电路、SSI通信接口和串行通信接口相连；所述主控制器通过串行通信接口和远程控制中心相连；所述主控制器通过SSI通信接口与所述绝对值编码器相连；所述主控制器通过电机驱动电路与步进电机相连。
4.根据权利要求3所述的定日镜跟踪控制装置，其特征在于：所述步进电机包括高度角控制电机和方位角控制电机；所述传动机构包括高度角传动机构和方位角传动机构；所述高度角控制电机和方位角控制电机分别与高度角传动机构和方位角传动机构相连；所述绝对值编码器安装在对应的方位角传动机构的输出轴上。
5.一种应用权利要求1所述定日镜跟踪控制装置的跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）远程控制中心将时间和定日镜的坐标及经纬度信息通过串行总线发送给主控制器；
（2）主控制器接收到远程控制中心发送的信息后，通过太阳角计算公式计算出实时太阳的高度角和方位角，进而通过几何光学计算出定日镜的目标高度角和方位角； 
（3）定日镜位置反馈装置通过加速度传感器和绝对值编码器将定日镜实时的高度角和方位角位置信息反馈给主控制器；主控制器计算当前位置与定日镜目标位置的角度差值，将驱动信号发送给步进电机；所述驱动信号为控制脉冲；
（4）步进电机接收驱动信号后，驱动传动机构将定日镜调整到目标位置；
（5）在定日镜跟踪过程中，主控制器会间隔一段时间将定日镜的跟踪情况通过串行总线反馈给远程控制中心，远程控制中心根据主控制器反馈回的定日镜跟踪信息，进行分析处理，如果发现定日镜跟踪异常则会对定日镜主控制器发出停止、复位或重新跟踪指令。
6.根据权利要求6所述的跟踪控制方法，其特征在于：所述太阳角计算公式为：                                                
Figure 201110196787X100001DEST_PATH_IMAGE001
， 
Figure 820617DEST_PATH_IMAGE002
；其中，
Figure 201110196787X100001DEST_PATH_IMAGE003
：太阳高度角；A：太阳方位角；
Figure 910933DEST_PATH_IMAGE004
：地理纬度；
Figure 201110196787X100001DEST_PATH_IMAGE005
：太阳时角，以正午时
Figure 967882DEST_PATH_IMAGE005
=0计算；
Figure 157555DEST_PATH_IMAGE006
：太阳赤纬角。
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