CN102411375B - 对日光反射装置进行精确控制的方法和系统 - Google Patents

对日光反射装置进行精确控制的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种对日光反射装置进行精确控制的方法，包括以下步骤：（1）在日光反射装置的中间、或周围、或太阳光能量收集器的下方设置若干光斑参照系统，并设置若干用以采集所述光斑参照系统上信息的图像采集装置;（2）通过图像采集装置多次采样日光反射装置在光斑参照系统上的成像位置，先计算该日光反射装置的校正误差系数;（3）利用校正误差系数计算出所述日光反射装置当前需要调整的角度信息，使得太阳轨迹发生变化时保持太阳光线通过该日光反射装置反射到太阳光能量收集器指定的位置上。

Description

对日光反射装置进行精确控制的方法和系统
技术领域
本发明涉及太阳光能量收集和利用技术领域，具体涉及一种日光反射和聚集系统中对日光反射装置进行精确控制的系统及方法。
背景技术
随着经济和工业发展，对能源的需求越来越多，尤其是电能是工业和人们生活中不可或缺的能源。传统发电方式，例如，煤炭发电因为对煤矿依赖性太强，而煤炭是不可再生资源且污染较大，煤炭发电等传统的发电模式已经不能满足工业和经济发展的需要。为此，清洁、可再生的能源越来越受到人们重视，而在众多清洁能源中，太阳能因其覆盖面广，即有阳光的地方即可利用、而占有更重要的作用，因而被广泛应用在发电和发热领域中。在太阳光能量收集和利用系统中，塔式太阳光能量收集器是其中一种重要的方式。
请参阅图1，塔式太阳光能量收集系统包括放置在高塔（也可称接收塔）上的太阳光能量收集器11、高塔周围地面上铺设数千个以至数万个的日光反射装置12，计算机控制子系统和机电转动装置。计算机控制子系统利用机电转动装置控制该些日光反射装置12自动跟踪太阳，并将太阳的光线反射到位于接收塔顶部的太阳光能量收集器11。利用数千个以至数万个的日光反射装置12将太阳辐射能聚焦到置于接收塔顶部的太阳光能量收集器11上，使其中的介质沸腾，由此所产生的蒸汽来驱动汽轮发电机，进而实现发电的功效；或利用沸腾的介质来加热其它工业原料；或将产生的热量给民用供热。因此，当太阳轨迹随着时间变化时，必须精确控制日光反射装置12的转动角度以跟踪太阳的变化，从而实现对太阳能资源的高效利用。
目前日光反射和聚焦系统中日光反射装置轨迹的控制方法主要有以下几种： 
(1)开环控制：计算机控制子系统根据当地的地理信息和指定时间计算出太阳的位置（高度角和方位角），再计算出将太阳光线始终反射到太阳光能量收集器上，日光反射装置绕两轴应转动的角度（高度角和方位角），最后通过驱动机电转动装置实现日光反射装置对太阳的跟踪。这种方法要求使用高精度和高成本的机电转动装置，无法克服太阳轨迹计算中的建模误差、机电转动装置的误差以及日光反射装置安装和加工上的误差。
（2）开环控制、定期校正的方式：和上述开环控制一样，根据当地的地理信息和指定的时间计算出太阳的位置，再计算日光反射装置跟踪太阳绕两轴应转动的角度，最后通过驱动机电转动装置实现日光反射装置对太阳的跟踪。为了克服开环控制中存在的太阳轨迹计算误差、机电转动装置误差和日光反射装置加工和安装上的误差问题，因此采用照相成像技术，定时对指定的一块日光反射装置来进行校正。具体方法是：调整需要校正的这个日光反射装置的角度，使它对准照相机，拍下此时的照片，采用图像设别的方法计算出成像的情况，并对此块日光反射装置进行校正。这种方法需要在太阳光能量聚集系统中的日光反射装置中间增加照相系统，还需要进一步对照相得到的成像情况进行图像设别，一次只能对一个日光反射装置进行校正，对于一个大型的太阳光能量聚集系统而言，有着成千上万的反射装置，不能及时对每块日光反射装置进行误差校正以及实现闭环控制。
（3）闭环控制：日光反射装置的计算机控制子系统根据当地的地理信息和指定时间计算出太阳的位置（高度角和方位角），再计算出将太阳光线始终反射到太阳光能量收集器上，日光反射装置绕两轴应转动的角度，发出控制命令，通过驱动机电转动装置实现日光反射装置角度的转动。但由于有太阳轨迹计算误差、机电转动装置误差和其它干扰，当日光反射装置绕两轴转动以后，该日光反射装置在太阳光能量收集器的光斑位置和光斑的设定位置之间一定存在偏差。通过检测日光反射装置在中心吸热器上光斑的位置和设定的光斑位置之间的偏差，进一步调整日光反射装置的两轴转动角度，直到日光反射装置在中心吸热器上的光斑位置到达设定要求，这样的控制过程称日光反射装置的闭环控制。闭环控制是日光反射装置控制的发展趋势，目前商业系统应用的很少，原因是：一、因为在中心吸热器上同时有成千上万个日光反射装置的光斑，因此，无法对单独一个日光反射装置在中心吸热器光斑位置进行测量。为了实现闭环控制，若需要在每个日光反射装置上通过增加其它复杂的机电装置或者复杂的光电检测系统来间接测量光斑的位置，必定会增加投资成本和运行成本，影响太阳光能量的利用率。如何实现日光反射装置的低成本，高精度，高可靠的控制一直是塔式太阳光能量聚集系统中急待解决的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对日光反射装置进行精确控制的方法，以解决现有技术中很难做到成本低且精度高的技术缺陷。
    本发明的另一目的在于提供了一种日光反射和聚集系统，以解决现有技术中很难做到成本低且精度高的技术缺陷。
一种对日光反射装置进行精确控制的方法，包括以下步骤：
（1）在日光反射装置的中间、或周围、或太阳光能量收集器的下方设置若干光斑参照系统，并设置若干用以采集所述光斑参照系统上信息的图像采集装置;
（2）通过图像采集装置多次采样日光反射装置在光斑参照系统上的成像位置，先计算该日光反射装置的校正误差系数;
（3）利用校正误差系数计算出当前所述日光反射装置当前需要调整的角度信息，使得太阳轨迹发生变化时保持太阳光线反射到太阳光能量收集器上。
步骤（2）中通过图像采集装置多次采样日光反射装置在光斑参照系统上的成像位置，其中每一次采样步骤为：
转动需要采样的日光反射装置的高度角和方位角，使该日光反射装置的反射光线成像在某一光斑参照系统上;
保存采样的次数N、采样的时间t、太阳高度角                                                
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE001
、太阳方位角
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE002
、日光反射装置的方位角
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE003
、日光反射装置的高度角
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE004
、太阳反射光在光斑参照系统上的成像中心位置。
较佳地采样若干次，每一次采样分别保存采样的次数N、采样的时间t、太阳高度角
Figure 769602DEST_PATH_IMAGE001
、太阳方位角
Figure 36635DEST_PATH_IMAGE002
、日光反射装置的方位角
Figure 235535DEST_PATH_IMAGE003
、日光反射装置的高度角
Figure 451884DEST_PATH_IMAGE004
、太阳反射光在光斑参照系统上的成像中心位置
Figure 710827DEST_PATH_IMAGE005
。并且，步骤(2)中计算该日光反射装置的校正误差系数进一步为：
A： 获得每一次采样后的非线性式子，具体为：
A1：获得该日光反射装置的反射面中心位置
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE006
;
A2：根据
Figure 527473DEST_PATH_IMAGE005
和，计算出该日光反射装置面中心点指向光斑中心点的反射光线的单位向量
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE007
;
A3：根据
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE008
计算出该日光反射装置面中心点对太阳的单位向量信息
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE009
;
A4：获得该采样后的非线性式子为
B：通过获得的若干次采样后的非线性式子，组成非线性方程式，解该非线性方程式，得到该日光反射装置的校正误差系数。
还有，步骤(3)进一步包括：
M1：获得当前太阳高度角
Figure 974821DEST_PATH_IMAGE001
和太阳方位角
Figure 404665DEST_PATH_IMAGE002
，后根据计算出该日光反射装置面中心点对太阳的当前单位向量信息
Figure 983731DEST_PATH_IMAGE009
;
M2：获得当前该日光反射装置的中心点位置
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE012
，获得太阳光能量聚集器的位置
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE013
,计算出指向吸热器的单位向量；
M3：根据装置面的法线必须满足下列关系
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE015
来计算出当前日光反向装置需要调整的日光反射装置的方位角
Figure 814153DEST_PATH_IMAGE003
和日光反射装置的高度角
Figure 211636DEST_PATH_IMAGE004
。
由于采用了以上的技术方案，使得本发明相比于现有技术具有以下的优点和积极效果：
第一，本发明的太阳光能量收集和利用系统通过利用安装在日光反射装置的光斑参照系统上太阳反射光斑的成像位置，来对每块日光反射装置进行校正，从而精确计算出每个日光反射装置的安装和加工上的误差，最终实现太阳光能量收集系统中日光反射装置的精确控制。也就是说，在本发明中先对每块日光反射装置进行建模操作，即获得该日光反射装置的安装和加工上的误差参数，后每一次获得当前太阳的位置信息即可计算出该日光反射装置当前需要调整的角度，精度高，并且前期投入的成本非常低。
第二，本发明的太阳光能量收集和利用系统，可以按照具体情况来进一步校正该日光反射装置的安装和加工上的误差参数，由此更能提高精度。
附图说明
图1为现有太阳光能量收集和利用系统的部分结构示意图;
图2为本发明太阳光能量收集和利用系统的部分结构示意图;
图3为本发明一种对日光反射装置进行精确控制的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
请参阅图2，其为本发明一种对日光反射装置进行精确控制的太阳光能量收集和利用系统的原理图。它包括：设置在高塔塔顶的一太阳光能量收集器21和高塔周围地面上铺设的若干日光反射装置22。日光反射装置可以采用定日镜、金属反光板等具有反光效果的装置，但不局限于此。并且，针对每一日光反射装置22设置用于支撑该日光反射装置22的支撑机构以及用以驱动该日光反射装置转动的机电转动装置.本系统还包括：
若干光斑参照系统23： 可以设置在日光反射装置22的中间、或周围、或太阳光能量收集器21的下方。光斑参照系统可以使用白板来实现，但不局限于此。
若干图像采集装置24：用以采集光斑参照系统23上信息。图像采集装置24可以为照像设备，也可以是其它能获得光斑参照系统23上光斑位置信息的装置。其设置的位置不限，可以根据具体产品来获得。图像采集装置可以采用照相机来实现，但不局限于此。
控制计算机子系统：对于每一日光反射装置22，先通过图像采集装置24多次采样该日光反射装置22在光斑参照系统23上的成像位置，再计算该日光反射装置22的校正误差系数;后可利用校正误正系数来计算出当前所述日光反射装置22当前需要调整的角度信息，并控制机电转动装置调整，使得太阳轨迹发生变化时保持太阳光线反射到太阳光能量收集器21上。考虑到支撑机构和机电转动装置是现有机构，在此就不再说明。另外，控制计算机子系统如何控制机电转动装置转动，也是现有技术，因此也就不再详细说明了。
请参阅图3，其为本发明一种对日光反射装置进行精确控制的方法流程图。它包括以下步骤：
S110：在日光反射装置的中间、或周围、或太阳光能量收集器的下方设置若干光斑参照系统，并设置若干用以采集所述光斑参照系统上信息的图像采集装置;
S120：通过图像采集装置多次采样日光反射装置在光斑参照系统上的成像位置，先计算该日光反射装置的校正误差系数;
S130：利用校正误差系数计算出当前所述日光反射装置当前需要调整的角度信息，使得太阳轨迹发生变化时保持太阳光线反射到太阳光能量收集器上。
以下就举一个具体的实例来说明。
第一实施例
实现日光反射装置的精确控制分成下列步骤：
首先，完成对光斑参照系统上光斑成像的采样
接着，根据采样获得的数据来计算出日光反射装置安装和加工误差系数
最后，利用上述得到的误差系数来计算当前该日光反射装置反射到太阳光能量收集器指定位置时需调整的角度信息。
上述公开的仅是一个日光反射装置的一个精确控制。其它日光反射装置可以按照上述的方式来完成对其角度的调整。还有，当该日光反射装置满足下一次校正条件时，还需要重新进行采样和误差系数计算的步骤。上述谈到下一次校正条件包括日光反射装置的位置信息符合校正条件、调整次数达到预先设定的域值范围等。
以下介绍各个实现日光反射装置的精确控制的具体步骤。
1．光斑参照系统上光斑成像的采样：
其中光斑成像采样时，根据日光反射装置在装置场的不同位置，以及不同时刻太阳位置的不同，可以将日光反射装置反射光线成像在光斑参照系统B1或者B2上，下面流程只给出了成像在光斑参照系统B1的采样流程。
为了进行对日光反射装置的校正计算，完成了上述对一块日光反射装置的采样，获取了一系列的采样数据，包括采样时刻太阳的高度角和方位角，太阳的高度角和方位角是由一专用的计算太阳轨迹的软件实现，日光反射装置转动的角度，光斑参照系统上光斑中心位置。以及当地的地理位置的信息：经度，纬度，海拔高度，温度，压力等，时间信息。获取了上述采样数据以后，进行日光反射装置的校正计算。
2．              日光反射装置加工和安装误差描述参数的校正
由于日光反射装置加工和安装上的误差，若用3个角度
Figure 940558DEST_PATH_IMAGE011
来描述，但本发明不局限于3个参数，在此的3个参数仅应用于举例说明本发明。
假设日光反射装置初始位置为水平，考虑角度
Figure 19372DEST_PATH_IMAGE011
和转动方位角
Figure 828934DEST_PATH_IMAGE003
和高度角
Figure 335002DEST_PATH_IMAGE004
，日光反射装置反射面的法线可用下列方程来描述：
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE016
            （1）
由于太阳光线反射到光斑参照系统上光斑的中心位置为
Figure 613536DEST_PATH_IMAGE005
，因此，日光反射装置的法线还必须满足下列方程：
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE017
为装置面中心点对太阳的单位向量
Figure 309091DEST_PATH_IMAGE009
                  （2）
Figure 661575DEST_PATH_IMAGE008
                （3）
装置面中心点指向光斑中心点的反射光线的单位向量：
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE018
     （4）
因此，装置面法线单位向量为：
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE019
                         
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE020
（5）
因此，必须满足方程（5）和方程（1）相等
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE021
               （6）
从（6）式中可以看出有3个未知参数需要校正，因此必须采样3个不同时间，也即
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE022
，太阳不同高度角和方位角时，反射光线指向光斑参照系统时数据。通过解非线性方程组，得到3个未知参数。
也就是说：
每一次采样步骤为：
转动需要采样的日光反射装置的高度角和方位角，使该日光反射装置的反射光线成像在某一光斑参照系统上;
保存采样的次数N、采样的时间t、太阳高度角
Figure 40341DEST_PATH_IMAGE001
、太阳方位角
Figure 478276DEST_PATH_IMAGE002
、日光反射装置的方位角
Figure 898893DEST_PATH_IMAGE003
、日光反射装置的高度角、太阳反射光在光斑参照系统上的成像中心位置
Figure 32382DEST_PATH_IMAGE005
。
上述的采样步骤做三次，每一次采样分别保存采样的次数N、采样的时间t、太阳高度角
Figure 19930DEST_PATH_IMAGE001
、太阳方位角
Figure 244238DEST_PATH_IMAGE002
、日光反射装置的方位角
Figure 718836DEST_PATH_IMAGE003
、日光反射装置的高度角
Figure 3187DEST_PATH_IMAGE004
、太阳反射光在光斑参照系统上的成像中心位置
Figure 415714DEST_PATH_IMAGE005
。
然后，再计算该日光反射装置的校正误差系数进一步为：
A： 获得每一次采样后的非线性式子，具体为：
A1：获得该日光反射装置的位置;
A2：根据
Figure 240450DEST_PATH_IMAGE018
，计算出该日光反射装置面中心点指向光斑中心点的反射光线的单位向量;
A3：根据
Figure 690334DEST_PATH_IMAGE008
计算出该日光反射装置面中心点对太阳的单位向量信息
Figure 590157DEST_PATH_IMAGE009
;
A4：获得该采样后的非线性式子为
Figure 405535DEST_PATH_IMAGE021
B：通过获得的三次采样后的非线性式子，组成非线性方程式，解该非线性方程式，得到该日光反射装置的校正误差系数
Figure 441624DEST_PATH_IMAGE011
。
3.精确控制的实现
M1：获得当前太阳高度角
Figure 130095DEST_PATH_IMAGE001
和太阳方位角，后根据
Figure 933020DEST_PATH_IMAGE008
计算出该日光反射装置面中心点对太阳的当前单位向量信息
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE024
;
M2：获得当前该日光反射装置的位置
Figure 89195DEST_PATH_IMAGE006
，获得太阳光能量聚集器的位置
Figure 2010102868608100002DEST_PATH_IMAGE025
,计算出指向吸热器的单位向量；
M3：根据装置面的法线必须满足下列关系
  
来计算出当前日光反向装置需要调整的日光反射装置的方位角
Figure 761616DEST_PATH_IMAGE003
和日光反射装置的高度角
Figure 370452DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种对日光反射装置进行精确控制的方法，其特征在于，包括以下步骤： 
（1）在日光反射装置的中间、或周围、或太阳光能量收集器的下方设置若干光斑参照系统，并设置若干用以采集所述光斑参照系统上信息的图像采集装置; 
（2）通过图像采集装置多次采样日光反射装置在光斑参照系统上的成像位置，先计算该日光反射装置的校正误差系数; 
其中，步骤（2）中通过图像采集装置多次采样日光反射装置在光斑参照系统上的成像位置，其中每一次采样步骤为： 
转动需要采样的日光反射装置的高度角和方位角，使该日光反射装置的反射光线成像在某一光斑参照系统上; 
保存采样的次数N、采样的时间t、太阳高度角hs、太阳方位角θs、日光反射装置转动的方位角θ1、日光反射装置转动的高度角θ2、太阳反射光在光斑参照系统上的成像中心位置(xB1,yB1,zB1)； 
且如上所述采样若干次，每一次采样分别保存采样的次数N、采样的时间t、太阳高度角hs、太阳方位角θs、日光反射装置转动的方位角θ1、日光反射装置转动的高度角θ2、太阳反射光在光斑参照系统上的成像中心位置(xB1,yB1,zB1)； 
另外，步骤(2)中计算该日光反射装置的校正误差系数进一步为： 
A：获得每一次采样后的非线性式子，具体为： 
A1：获得该日光反射装置的反射面中心点的位置(xo,yo,zo); 
A2：根据光斑中心点位置(xB1,yB1,zB1)和(xo,xo,zo)，计算出该日光反射装置面中心点指向光斑中心点的反射光线的单位向量
Figure FDA0000459752720000011
A3：根据
Figure FDA0000459752720000012
计算出该日光反射装置面中心点对太阳的单 位向量信息
Figure FDA0000459752720000021
A4：获得该采样后的若干个非线性式子为 
Figure FDA0000459752720000022
其中：为用欧拉角表示的日光反射装置安装和加工上的若干个误差系数，θ1为日光反射装置转动的方位角、θ2为日光反射装置转动的高度角；
B：通过获得的若干次采样后的非线性式子，组成非线性方程式，解该非线性方程式，得到该日光反射装置的校正误差系数
Figure FDA0000459752720000024
（3）利用校正误差系数计算出当前所述日光反射装置当前需要调整的角度信息，使得太阳轨迹发生变化时保持太阳光线通过该日光反射装置反射到太阳光能量收集器指定的位置上； 
步骤(3)进一步包括： 
M1：获得当前太阳高度角hs和太阳方位角θs，后根据
Figure FDA0000459752720000025
计算出该日光反射装置面中心点对太阳的当前单位向量信息
Figure FDA0000459752720000026
M2：获得当前该日光反射装置中心点的位置(xo,yo,zo)，获得太阳光能量收集器的位置(xR,yR,zR),计算出指向太阳光能量收集器的单位向量
Figure FDA0000459752720000027
M3：根据装置面的法线必须满足下列关系 
Figure FDA0000459752720000028
来计算出当前日光反射装置需要调整的日光反射装置的方位角θ1和日光反射装置的高度角θ2。 
2.一种执行如权利要求1所述的对日光反射装置进行精确控制的方法的太阳光能量收集和利用系统，其中包括：设置在高塔塔顶的一太阳光能量收集器和高塔周围地面上铺设的若干日光反射装置、并且，针对每一日光反射装置设置用于支撑该日光反射装置的支撑机构以及用以驱动该日光反射装置转动的机电转动装置，其特征在于，本系统还包括： 
若干光斑参照系统：设置在日光反射装置的中间、或周围、或太阳光能 量收集器的下方; 
若干图像采集装置：用以采集所述光斑参照系统上光斑或者其它类型的图像; 
控制计算机子系统：对于每一日光反射装置，先通过图像采集装置多次采样该日光反射装置在光斑参照系统上的成像位置，再计算该日光反射装置的校正误差系数;后利用校正误差系数来计算出当前所述日光反射装置当前需要调整的角度信息，并控制机电转动装置调整，使得太阳轨迹发生变化时保持太阳光线反射到太阳光能量收集器指定的位置上。 
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述图像采集装置为照像装置。 
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