CN102354224B - 基于人造光源的日光反射装置校正系统及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于人造光源的日光反射装置校正系统和校正方法，该校正系统包括：可自由行进的校正车，安装于校正车上的激光发射装置及其姿态定位系统、用于接收经日光反射装置反射光线的光敏阵列接收屏及其姿态定位系统、激光发射装置支撑机构、接收屏支撑机构，测距定位系统、数据处理系统。本发明既克服了基于太阳光结合太阳光斑成像校正方案的高成本、耗时、图像处理复杂、光斑难于搜索等缺陷，也克服了大功率塔式人造光源等校正系统的高成本问题、搜索问题，以小功率、低成本、高精度的方法，实现日光反射装置的校正。

Description

基于人造光源的日光反射装置校正系统及校正方法

技术领域

本发明一般涉及塔式太阳能热发电领域，具体涉及基于人造光源的日光发射装置的校正系统及校正方法。

背景技术

塔式太阳能发电系统包括放置在高塔(也可称接收塔)上的接收器、高塔周围地面上铺设日光反射装置(例如，定日镜)，计算机控制系统和跟踪传动机构。计算机控制系统控制日光反射装置自动跟踪太阳，并将太阳的光线反射到位于接收塔顶部的接收器，使其中的介质沸腾，由此所产生的蒸汽来驱动汽轮发电机，进而实现发电。只有日光反射装置精确跟踪太阳位置的变化，才能保证太阳光斑能量准确聚集到接收器上，保证热发电系统有较高的光热转换效率，进而保障热发电系统的工作效率。

目前塔式太阳能热发电系统中对日光反射装置的控制方法主要有两种：闭环控制方法和基于光斑采集装置校正的开环控制方法。

一、闭环控制方法闭环控制的方法是一种具有开发前景的控制日光反射装置的方法，但是在目前在商业电站中的应用很少，其原因主要是在接收器上同时有成千上万个从日光反射装置反射的光斑，因此无法对每个日光反射装置在接收器的光斑位置进行测量；为了实现闭环控制，需要在每个日光反射装置上增加复杂的机电装置或者光电检测系统来间接测量光斑的位置，这势必会增加投资成本和运行成本，从而影响电站的效率。

二、基于光斑采集装置校正的开环控制方法

该方法是设置若干光斑采集装置，日光反射装置将太阳光反射到光斑采集装置上，通过对光斑采集装置上的光斑图像处理、分析，推算出日光反射装置的位置与姿态信息，结合太阳的位置信息，进而实现日光反射装置的跟踪太阳控制。该方法主要存在以下缺陷：

光斑采集装置需要立于高处，而且面积很大，这将大大增加成本；图像处理复杂，耗时，不利于快速校正；进行光斑识别时，易受杂光干扰；由于光斑采集装置与日光反射装置距离较远，日光反射装置的姿态及位置误差被该距离放大后，极有可能造成光斑偏出光斑采集装置，且方向不明，需要大量的搜索工作；受到光斑采集装置大小的限制，光斑采集装置的数量可能会较多，不同角度的日光反射装置在光斑采集装置上形成形状不同的光斑，也给图像处理与识别增加难度；由于需要采集太阳位于不同位置时的多组数据，故需要在一个大的时间跨度内采样，从而使整个校正周期过长。

发明内容

为了克服以上缺陷，本发明提供了一种快速、简捷、可靠性好、校正周期短的基于人造光源的日光反射装置校正系统和方法。

为实现上述目的，本发明采用基于人造光源的日光反射装置校正系统，该系统包括：可自由行进的校正车，安装于校正车上的激光发射装置及其姿态定位系统、用于接收经日光反射装置反射光线的光敏阵列接收屏及其姿态定位系统、激光发射装置支撑机构、接收屏支撑机构、测距定位系统和数据处理系统。其中校正车可通过人工操作、人工遥控或自动控制方式控制其行进。

在所述系统中，激光发射装置可为气体激光器、固体激光器或半导体激光器。例如，气体激光器可以为氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、铜蒸气激光器等，固体激光器可以为晶体激光器和玻璃激光器等，半导体激光器可以为砷化镓激光器、硫化镉激光器、磷化铟激光器等。

激光发射装置的姿态定位系统可以包括作为方位传感器的陀螺经纬仪和作为俯仰传感器的陀螺测斜仪，并且以步进电机为执行器，闭环控制激光的出射方向。

光敏阵列接收屏可以布置有光敏阵列电子传感器，当光敏阵列接收屏接收到激光光源发出的经过日光反射装置反射的光点时，其光敏阵列电子传感器输出该光点在屏上的二维坐标。

光敏阵列接收屏姿态定位系统可以包括姿态陀螺仪，用于调整光敏阵列接收屏的姿态，使其可在一定范围内自由旋转。

测距定位系统可以包括安装于标志物上的信号发射装置及安装于校正车上的信号接收装置。所述信号可以是超声波或红外线。作为替代方案，所述标志物可以是信号发射装置本身。

本发明还提供一种基于人造光源的日光反射装置校正方法，其包括以下步骤：

S1：建立一种基于人造光源的日光反射装置校正系统，包括：可自由行进的校正车、安装于校正车上一个支撑机构上的激光发射装置及其姿态定位系统、安装于校正车上另一个支撑机构上用于接收经日光反射装置反射光线的光敏阵列接收屏及其姿态定位系统、测距定位系统和数据处理系统；

S2：角度误差信息采集和位置误差信息采集；

S21：将校正车置于日光反射装置正前方，以激光发射装置作为人造光源，根据某一时刻太阳高度角及方位角数据设定激光发射装置，使其光源位置与该时刻的太阳高度角及方位角一致；

S22：采集角度误差信息和位置误差信息；

调整接收屏的初始位置：通过日光反射装置的名义位置、名义姿态，以及光源的位置、方向，计算出当日光反射装置处于名义位置时，经日光反射装置反射的光点在接收屏上的坐标，并记录此时光源与标志物之间的距离；其中所述名义位置和名义姿态是在不考虑日光反射装置误差的理想状态下经日光反射装置反射的光点位于光敏阵列接收屏中心时日光反射装置的位置及姿态；

将日光反射装置的高度角和方位角转动一定的角度，再次记录接收屏上的坐标信息和光源到标志物的位置信息，采样多组数据后，保存于数据处理系统中；

S3：处理采样数据，并通过校正算法，给出一组高度角、方位角的补偿值，使日光反射装置转到补偿之后的位置，此时光点应该近似位于屏面中心点上，如光点仍与中心点有较大距离，则重复采样、校正并检查故障；

S4：校正检验：校正完毕后，次日开工时日光反射装置按照校正之后的位置转动，以消除由于加工和安装等原因产生的日光反射装置位置及姿态误差。

与现有技术相比，本发明提供的校正系统和方法具有以下有益效果：

第一，本发明采用了校正车技术，既克服了基于光斑采集装置校正方案的高成本、耗时、图像处理复杂、难于将光斑搜索至光斑采集装置范围内等缺陷，又克服了日光反射装置数量多，校正时难以标记的问题。

第二，校正车可近距离地对日光反射装置进行校正，避免了诸如大功率塔式人造光源校正系统的远距离校正对误差的放大效应。

第三，本发明中的各种陀螺传感器，利用了大地坐标系，人造光源的入射方向及接收屏的姿态只依赖于当地的大地坐标系，克服了地面不平整、装置机械误差等造成的局部坐标系的漂移问题。

第四，本发明可在夜间校正，避免了与日间正常工作时间冲突的问题，夜间校正完毕的日光反射装置翌日即可工作，当日工作的日光反射装置亦可于当夜进行校正。

附图说明

图1是本发明具体实施例的校正车的结构示意图；

图2是本发明具体实施例的激光光源模拟控制框图；

图3是本发明具体实施例的光敏阵列接收屏的姿态控制框图；

图4是本发明具体实施例的校正车在标志物处归零的示意图；

图5是本发明具体实施例的校正方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方案对本发明进行进一步说明。本发明所列举的实施方案和实施例仅用于说明的目的，使本领域的普通技术人员能够更好地理解和实施本发明，而无意限制由权利要求书限定的保护范围。

实施例

参见图1至图5，本实施例提供一种基于人造光源的日光反射装置校正系统，该系统包括：可自由行进的校正车1、安装于校正车上的激光发射装置2及其姿态定位系统3、用于接收经日光反射装置10反射光线的光敏阵列接收屏4及其姿态定位系统5、激光发射装置支撑机构6、接收屏支撑机构7、测距定位系统和数据处理系统9。

校正车1可通过下列方式之一控制其行进：人工操作、人工遥控、自动控制。

激光发射装置2选自以下其中一种类型：气体激光器、固体激光器或半导体激光器，并且能够连续改变激光输出波长。例如，气体激光器可以为氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、铜蒸气激光器等，固体激光器可以为晶体激光器和玻璃激光器等，半导体激光器可以为砷化镓激光器、硫化镉激光器、磷化铟激光器等。

激光发射装置的姿态定位系统3包括作为方位传感器的陀螺经纬仪和作为俯仰传感器的陀螺测斜仪，并且以步进电机为执行器，闭环控制激光的出射方向。

光敏阵列接收屏4布有光敏阵列电子传感器；光敏阵列接收屏4接收到经日光反射装置10反射的光点时，光敏阵列电子传感器输出该光点在接收屏上的二维坐标。

光敏阵列接收屏姿态定位系统5包括姿态陀螺仪，用于调整光敏阵列接收屏的姿态，使其可在一定范围内自由旋转。

在镜场中设有三维位置精确标定的多组标志物，这些标志物上装有信号发射装置。

测距定位系统包括安装于标志物上的信号发射装置及安装于校正车上的信号接收装置8；所述信号是超声波或红外线。信号接收装置的安装位置高于校正车上其它装置。

当测距定位系统显示校正车位于标志物前方时，校正车开始清零工作。

下文将以举例说明的方式，结合所述校正系统，对基于人造光源的日光反射装置的校正方法和步骤进行描述。

S1：建立上述基于人造光源的日光反射装置校正系统100；并作前期的装置准备，其具体包括：

S11：制造校正车1，在车上装有两个可自由转动的支撑机构，一个用来安装激光发射装置2，一个用来安装光敏阵列接收屏4。另外，在安装激光发射装置2的支撑机构6上还装有陀螺经纬仪和陀螺测斜仪，用作姿态控制系统。在安装光敏阵列接收屏4的支撑机构7上安装有陀螺姿态仪，用于调整光敏阵列接收屏的姿态，使其可在一定范围内自由旋转。另外，在校正车上还安装有用于测距的信号接收装置8，其用于接收标志物上设置的信号发射装置所发射的超声波。该信号接收装置8可以安装于支撑机构6或7的延长部分(未显示)上，或者也可以安装在另外提供的支撑机构上，如图1所示。为了避免其它遮挡物体的干扰，信号接收装置8的安装位置比校正车上其它装置的高度要高。所述信号可以是超声波或者红外线。为了方便起见，下文以超声波为例进行说明，但是本发明的保护范围不限于此。校正车的结构如图1所示。

S12：为了避免日光反射装置10安装位置误差累积而导致校正车停在日光反射装置10之间空隙处，每隔若干个日光反射装置10设立一个标志物11，以便让校正车寻零，如附图4所示。标志物11上装有超声波发射装置，为了避免其它遮挡物体的干扰，其安装高度应高于其周围其它装置。这些标志物11的排布根据算法规则进行分配，为了标记它们，它们还应该被置于不同频段。

S2：角度误差信息和位置误差信息采集；(以早上8点为例)

S21：将校正车置于日光反射装置正前方，以激光发射装置作为人造光源，根据某一时刻太阳高度角及方位角数据设定激光发射装置，使其光源位置与该时刻的太阳高度角及方位角一致。

S22：采集角度误差信息和位置误差信息：

调整接收屏的初始位置：通过日光反射装置的名义位置、名义姿态，以及光源的位置、方向，计算出当日光反射装置处于名义位置时，经日光反射装置反射的光点在接收屏上的坐标，并记录此时光源与标志物之间的距离；其中所述名义位置和名义姿态是在不考虑日光反射装置误差的理想状态下经日光反射装置反射的光点位于光敏阵列接收屏中心时日光反射装置的位置及姿态。

将日光反射装置的高度角和方位角转动一定的角度，再次记录接收屏上的坐标信息和光源到标志物的位置信息，采样多组数据后，保存于数据处理系统中。

其中，步骤S21进一步包括：

S211：遥控校正车使之在日光反射装置10前停下，准备开始实施校正。

S212：计算校正当日的太阳角度，建立太阳各个时刻高度角、方位角的数据库，并根据该数据设定激光光源的出射方向。导出8点、10点、12点、14点、16点五组太阳高度角、方位角数据，通过闭环控制，使安装激光发射装置2的支撑机构6转动到相应位置(φ_a，θ_a)，使激光发射位置与8点的太阳高度角、方位角(φ_s，θ_s)完全一致。为了使激光发射装置2能精确模拟太阳角度，本发明使用以陀螺经纬仪、陀螺测斜仪为传感器的闭环控制系统：陀螺经纬仪控制光源模拟太阳8点时的方位角，陀螺测斜仪控制光源模拟太阳8点时的高度角。光源方向的控制方框图如附图2所示。

作为替代方案，也可以导出7点、9点、11点、13点、15点五组太阳高度角、方位角数据。或者，可以给出3组、4组、6组或更多组的太阳高度角、方位角数据，视情况而定。

其中，步骤S22进一步包括：

S221：采集角度误差信息，进一步包括：

A1：利用姿态陀螺仪调整光敏阵列接收屏4的姿态。在不考虑日光反射装置10误差的理想状态下，经日光反射装置反射的光点应位于光敏阵列接收屏4的中心。这样，即使日光反射装置10存在较大的位置及角度误差，光点也不会偏离接收屏4中心点太远，仍在接收屏4的接收范围之内。记录接收屏4的姿态信息(φ_p，θ_p)，建立姿态信息数据库。

A2：根据理想状态的追日算法，计算中心点名义坐标为(x_namely，y_namely，z_namely)的日光反射装置10的名义角度位置，将日光反射装置10上电、寻零位，而后将其转动至名义角度位置(φ_namely，θ_namely)。

A3：光敏阵列接收屏4接收经日光反射装置反射的光线，这时，接收屏4会根据被照射到的光敏元件的序号，输出光点的二维坐标(x₁，y₁)，并记录。

A4：使日光反射装置10转动一定角度(高度角Δφ，方位角Δθ)，在本实施例中取(3°，5°)，记录这时的光点的二维坐标(x₂，y₂)。为了更为精确地进行模拟，可多转动几组角度，并记录相应的(x₃，y₃)、(x₄，y₄)等，并存入数据库。结束之后，日光反射装置回归名义位置。

S222：采集位置误差信息，进一步包括：

B1：开启信号接收装置8接收各超声波发射装置发出的超声波信号，同时记录测出的标志物到校正车的距离d₁、d₂、d₃、d₄等，并存入数据库。步骤302：

B2：设置一组从零开始的、步长为2°的、持续增加的日光反射装置10高度角增量Δφ_i，(i＝1，2，3，...)，直到光点移动到光敏阵列接收屏4边缘的某个光敏元件，记录这时所转的高度角Δφ+，并记录其二维坐标(x_Δφ+，y_Δφ+)。所述步长也可以选择其他角度，例如1°、3°、4°等，视情况而定。这时，将日光反射装置归位，给定一组向相反方向的高度角增量-Δφ_i，同样记录光点移动到光敏阵列接收屏4边缘时的高度角Δφ-，同样地，记录(x_Δφ-，y_Δφ-)。类似地，给定正反两方向的方位角增量，记录Δθ+、(x_Δθ+，y_δθ+)、Δθ-、(y_δθ+，y_δθ-)，并存入数据库。

B3：采集过程完毕，日光反射装置回零。

S3：处理采样数据，并通过校正算法，给出一组高度角、方位角的补偿值，使日光反射装置转到补偿之后的位置，此时光点应该近似位于屏面中心点上，如光点仍与中心点有较大距离，则重复采样、校正并检查故障。

其中，步骤S3进一步包括：

S31：日光反射装置误差校正计算，进一步包括：

S311：根据步骤S212所记录之激光发射装置姿态信息(φ_s，θ_s)、步骤A1所记录之接收屏姿态信息(φ_p，θ_p)、步骤A4所记录之日光反射装置名义位置时的光点的二维坐标(x₁，y₁)、转动角度(Δφ，Δθ)及相应的二维坐标(x₂，y₂)、(x₃，y₃)、(x₄，y₄)等，折算出这时的反射光线方向向量(x_r，y_r，z_r)，进而计算出日光反射装置实际的高度角φ、方位角θ。

S312：根据步骤B1信号接收装置8测出的标志物11到校正车1的距离d₁、d₂、d₃、d₄等信息，利用三点定位的原理，如图4所示，计算出当前的校正车的三维位置坐标(x₀，y₀，z₀)，根据Δφ+、(x_Δφ+，y_Δφ+)、Δφ-、(x_Δφ-，y_Δφ-)、Δθ+、(x_Δθ+，y_Δθ+)、Δθ-、(x_Δθ+，y_Δθ-)，计算日光反射装置10中心点的位置坐标(x，y，z)。

S32：校正后日光反射装置的追日角度的计算，其进一步包括：

S321：以吸热塔为原点的全局坐标系中，根据步骤S312所计算之日光反射装置10中心点的位置坐标(x，y，z)、日光反射装置10实际的高度角φ、方位角θ，计算出日光反射装置10若要将该时刻太阳光反射到接收器上，应给出的考虑到位置和角度误差的追日高度角φ_cal、方位角θ_cal，作为次日开工时8点的日光反射装置追日角度。

S322：将激光光源入射角度置于10点、12点、14点、16点时的位置，重复步骤2至步骤6的步骤。推算各校正时刻之间(如8点到10点的之间的)某一时刻的日光反射装置的追日角度。将全部角度存于数据库。

S323：根据检验板上的位置计算检验追日角度(φ_test，θ_test)。其中，日光反射装置能将太阳光反射到接收器正下方的验证板时的角度为检验追日角度。

S33：校正车继续行进，校正下一面日光反射装置。

接着步骤S3之后，为步骤S4：校正检验：校正完毕后，次日开工时日光反射装置按照校正之后的位置转动，以消除由于加工和安装等原因产生的日光反射装置位置及姿态误差。

其中，步骤S4进一步包括：

S41：将次日开工之前，先将所有日光反射装置高度角、方位角置于8点的检验追日角度(φ_test，θ_test)，然后检测验证板上的光照强度。

S42：将所有日光反射装置高度角、方位角置于10点、12点、14点、16点时的检验追日角度(φ_test，θ_test)，重复步骤S41的过程。若达到预定要求，将日光反射装置10旋转至该时刻的校正后的追日角度，开始正常工作，否则，重新校正各日光反射装置并做相关的故障检查。

至此，日光反射装置的校正工作结束。校正方法流程如图5所示。

与现有技术相比，本发明提供的校正系统和方法具有以下有益效果：

第一，本发明采用了校正车技术，既克服了基于光斑采集装置校正方案的高成本、耗时、图像处理复杂、难于将光斑搜索至光斑采集装置范围内等缺陷，又克服了日光反射装置数量多，校正时难以标记的问题。

第二，校正车可近距离地对日光反射装置进行校正，避免了诸如大功率塔式人造光源校正系统的远距离校正对误差的放大效应。

第三，本发明中的各种陀螺传感器，利用了大地坐标系，人造光源的入射方向及接收屏的姿态只依赖于当地的大地坐标系，克服了地面不平整、装置机械误差等造成的局部坐标系的漂移问题。

第四，本发明可在夜间校正，避免了与日间正常工作时间冲突的问题，夜间校正完毕的日光反射装置翌日即可工作，当日工作的日光反射装置亦可于当夜进行校正。

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

Claims (9)

1.一种基于人造光源的日光反射装置校正系统，包括校正车、安装于校正车上一个支撑机构上的激光发射装置及其姿态定位系统和安装于校正车上另一个支撑机构上用于接收经日光反射装置发射光线的光敏阵列接收屏，其特征在于，所述校正车为可自由行进的校正车，该校正系统还包括光敏阵列接收屏的姿态定位系统、测距定位系统和数据处理系统，且在镜场中设有三维位置精确标定的多组标志物，这些标志物上装有信号发射装置。

2.根据权利要求1所述的基于人造光源的日光反射装置校正系统，其特征在于，校正车可通过下列方式之一控制其行进：人工操作、人工遥控、自动控制。

3.根据权利要求1所述的基于人造光源的日光反射装置校正系统，其特征在于，所述激光发射装置选自以下其中一种类型：气体激光器、固体激光器或半导体激光器，并且能够连续改变激光输出波长。

4.根据权利要求1所述的基于人造光源的日光反射装置校正系统，其特征在于，所述激光发射装置的姿态定位系统包括作为方位传感器的陀螺经纬仪和作为俯仰传感器的陀螺测斜仪，并且以步进电机为执行器，闭环控制激光的出射方向。

5.根据权利要求1所述的基于人造光源的日光反射装置校正系统，其特征在于，所述光敏阵列接受屏布有光敏阵列电子传感器；光敏阵列接收屏接收到经日光反射装置反射的光点时，光敏阵列电子传感器输出该光点在接收屏上的二维坐标。

6.根据权利要求1所述的基于人造光源的日光反射装置校正系统，其特征在于，所述光敏阵列接收屏姿态定位系统包括姿态陀螺仪，用于调整光敏阵列接收屏的姿态，使其可在一定范围内自由旋转。

7.根据权利要求1所述的基于人造光源的日光反射装置校正系统，其特征在于，所述测距定位系统包括安装于标志物上的信号发射装置及安装于校正车上的信号接收装置。

8.根据权利要求7所述的基于人造光源的日光反射装置校正系统，其特征在于，当测距定位系统显示校正车位于标志物前方时，校正车开始清零工作。

9.一种基于人造光源的日光反射装置校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立一种基于人造光源的日光反射装置校正系统，包括：可自由行进的校正车、安装于校正车上一个支撑机构上的激光发射装置及其姿态定位系统、安装于校正车上另一个支撑机构上用于接收经日光反射装置反射光线的光敏阵列接收屏及其姿态定位系统、测距定位系统和数据处理系统；

S2：角度误差信息采集和位置误差信息采集；

S21：将校正车置于日光反射装置正前方，以激光发射装置作为人造光源，根据某一时刻太阳高度角及方位角数据设定激光发射装置，使其光源位置与该时刻的太阳高度角及方位角一致；

S22：采集角度误差信息和位置误差信息；

调整接收屏的初始位置：通过日光反射装置的名义位置、名义姿态，以及光源的位置、方向，计算出当日光反射装置处于名义位置时，经日光反射装置反射的光点在接收屏上的坐标，并记录此时光源与标志物之间的距离；其中所述名义位置和名义姿态是在不考虑日光反射装置误差的理想状态下经日光反射装置反射的光点位于光敏阵列接收屏中心时日光反射装置的位置及姿态；

将日光反射装置的高度角和方位角转动一定的角度，再次记录接收屏上的坐标信息和光源到标志物的位置信息，采样多组数据后，保存于数据处理系统中；

S3：处理采样数据，并通过校正算法，给出一组高度角、方位角的补偿值，使日光反射装置转到补偿之后的位置，此时光点应该近似位于屏面中心点上，如光点仍与中心点有较大距离，则重复采样、校正并检查故障；

S4：校正检验：校正完毕后，次日开工时日光反射装置按照校正之后的位置转动，以消除由于加工和安装等原因产生的日光反射装置位置及姿态误差。