CN102445949A

CN102445949A - 一种定日镜定位系统与方法

Info

Publication number: CN102445949A
Application number: CN2011103194679A
Authority: CN
Inventors: 黄文君; 朱晓明; 祝雪妹; 项翀
Original assignee: Zhejiang Supcon Solar Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Supcon Solar Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102445949B

Abstract

本发明公开一种定日镜定位系统，包括中央接收器，定日镜，二维伺服系统平台，CCD探测器，激光测距装置，主控制器，闪烁发光体，全反射棱镜。本发明还公开了一种基于上述系统的定日镜定位方法，包括：（1）利用二维伺服系统平台调整激光测距装置二维角度；（2）利用CCD探测器和闪烁发光体捕捉待测定日镜；（3）利用CCD探测器判断激光光斑与定日镜中心点的偏差大小，控制旋转二维伺服系统平台调整激光射至定日镜中心；（4）利用激光测距装置测量激光发射点至定日镜中心点距离；（5）重复步骤（1）-（4），由测得的激光测距装置至定日镜中心点的距离及激光测距装置的位置坐标求得定日镜中心点的实际坐标。本发明可精确计算定日镜的实际坐标，实现定日镜的精确定位。

Description

一种定日镜定位系统与方法

发明领域

本发明涉及太阳能热发电领域，具体涉及塔式太阳能热发电中的一种定日镜的定位系统与方法。

背景技术

塔式太阳能热发电是利用成千上万面定日镜将太阳光反射至接收塔顶部的中央接收器上，加热接收器内的工质使之产生蒸汽驱动汽轮机、发电机发电。只有定日镜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，而保证定日镜精确追日的关键是定日镜定位精确，即定日镜的位置坐标要精确。

目前有以下几种获得定日镜坐标的方法：

一、在定日镜场建设的初期，由设计图纸中规定的名义坐标获得定日镜坐标值，输入计算机中进行定日镜的控制。但由于受土地的平整性，定日镜的制造和安装过程中的偏差等因素影响，定日镜中心点的实际坐标值往往与设计坐标有较大差距；

二、利用手持式GPS测量装置进行测量。由于定日镜场有上万面镜子，逐个测量不但费时费力，而且目前的手持式GPS存在很大的误差。

三、利用全站仪进行测量。全站仪理论上可有3km的测程，但由于其望远镜放大倍率和必须通视等因素的影响，其真正有效的测程只有1km,因此不适用于大规模的定日镜场测量；且在导线测量的过程中积累误差会随导线的延伸而越来越大。因此亟需一种自动化程度高的高精度定日镜定位系统与方法。

GPS定位原理：首先利用GPS接收机测得一颗位置已知的定位卫星发射电磁波信号至接收机所需的时间，再乘以电磁波信号的传播速度即可得到定位卫星至GPS接收机的距离，重复以上步骤可得多组定位卫星到GPS接收机的距离。由于GPS接收机在空间坐标系的位置需要用三个参数X、Y、Z描述，再加上接收机的钟差Vt0，所以只需利用四颗卫星到接收机之间的四个距离方程即可解得四个参数。

发明内容

为了解决目前定日镜定位坐标不准确的问题，本发明提供一种高精度的定日镜定位系统与方法。

本发明主要内容有：

本发明提供一种定日镜定位系统，该系统包括:

中央接收器，用于收集太阳辐射能量；

定日镜，用于将太阳光反射到中央接收器；

二维伺服系统平台，绕相互交叉垂直的两轴沿水平和俯仰方向转动，从而带动固定在所述平台上的激光测距装置转动；

CCD探测器，设置在二维伺服系统平台上，用于探测定日镜，其内

设高性能图像处理单元，可判断激光光斑与定日镜中心点的偏差大小；

激光测距装置，设置在二维伺服系统平台上，用于测量激光发射点至定日镜中心点的距离；

二维陀螺稳定仪，用于保证二维伺服系统平台的稳定性；

主控制器，用于计算和样本存储；

闪烁发光体，安装在待测定日镜上，用于引导变焦距CCD探测器检测待测定日镜；

全反射棱镜，位于定日镜中心，用于将入射激光沿原路反射回去。

较佳地，二维伺服系统平台可绕相互交叉垂直的两轴沿水平和俯仰方向转动，从而带动固定在平台上的CCD探测器及激光测距装置进行转动。

较佳地，CCD探测器的镜头轴线与激光测距装置物镜轴线平行。

较佳地，CCD探测器内设高性能图像处理单元，可判断激光光斑与定日镜中心点偏差大小。

较佳地，激光测距装置由激光发射单元，光电接收单元，门控计时单元，计数器，驱动单元，控制单元，主控制器和CCD探测器的通讯接口等组成。

较佳地，激光发射单元采用激光二极管脉冲式光源，光电接收单元采用PIN光电管。

较佳地，闪烁发光体固定于定日镜上，其光源类型、发光强度和频率可根据CCD探测器的灵敏度进行选择。

较佳地，全反射棱镜安装在定日镜中心。

较佳地，全反射棱镜为柱体结构，横截面为等腰三角形，斜边所在的平面与定日镜面平行。

较佳地，主控制器控制定日镜旋转至指定角度，通过测得的距离数据和激光测距装置的位置坐标计算出定日镜的实际坐标。

一种基于上述系统的定日镜定位方法，包括以下步骤：

（1）利用二维伺服系统平台调整激光测距装置二维角度，其进一步包括：通过激光测距装置坐标与定日镜中心点名义坐标计算出射向该定日镜中心点时激光测距装置角度，然后通过控制二维伺服系统平台使激光测距装置旋转至该角度，同时旋转定日镜至主控制器计算出的角度；

（2）利用CCD探测器和闪烁发光体捕捉待测定日镜，其进一步包括：

通过CCD探测器检测定日镜上的闪烁发光体以捕捉待测定日镜；

（3）利用CCD探测器判断激光光斑与定日镜中心点的偏差大小，控制旋转二维伺服系统平台调整激光射至定日镜中心；其进一步包括：

捕捉到定日镜后，打开激光发射单元发射激光，CCD探测器检测激光光斑与定日镜中心点的偏差，利用探测器内的高性能图像处理单元判断激光光斑与定日镜中心点偏差大小，并控制旋转二维伺服系统平台，使激光逐渐接近定日镜中心的全反射棱镜；

（4）利用激光测距装置测量激光发射点至定日镜中心点距离，其进一步包括：找到定日镜中心后，关闭激光发射单元再重新打开，记录此时的激光发射时间，利用脉冲激光测得激光发射点至定日镜中心点距离；

（5）重复步骤（1）-（4），由测得的激光测距装置至定日镜中心点的距离及激光测距装置的位置坐标求得定日镜中心点的实际坐标，其进一步包括：

得到多组激光测距装置至待测定日镜中心的距离数据，结合激光测距装置的位置坐标求得定日镜中心点的实际坐标。

较佳地，提高测量精度的方法是将镜场分为若干区域，每个区域一角分别有激光测距装置，每个区域内的定日镜在进行测距定位时，只利用其它区域的激光测距装置，而不利用自身所在区域的激光测距装置。

较佳地，提高测量精度的方法是在定日镜面上及激光测距装置旁加装全反射棱镜。

较之目前的定日镜坐标获取方式，利用本发明可以更为精确快速地获得定日镜实际坐标，为定日镜将光斑准确投射至中央接收器提供保证。

附图说明

图1是本实施例的定日镜定位系统示意图；

图2是本实施例的激光测量装置及变焦CCD探测器结构示意图；

图3a是本实施例的定日镜背面示意图；

图3b是本实施例的定日镜正面示意图；

图4是本实施例的定日镜中心搜索示意图；

图5是本实施例的脉冲式激光测距示意图；

图6是本实施例的获取一组距离样本流程图；

图7a是本实施例的镜场分区调度图；

图7b是本实施例的多反射棱镜示意图。

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。

本发明提供一种定日镜定位系统，如图1所示，该系统包括:

中央接收器1，用于收集太阳辐射能量；

定日镜2，用于将太阳光反射到中央接收器1；

二维伺服系统平台3，设置在镜场四角，可绕相互交叉垂直的两轴沿水平和俯仰方向转动，从而带动固定在所述平台3上的激光测距装置5转动；

CCD探测器4，设置在二维伺服系统平台3上，用于探测定日镜，本实施例采用变焦距CCD探测器；

激光测距装置5，设置在二维伺服系统平台3上，用于测量激光发射点至定日镜中心点的距离；

二维伺服系统平台3位于一塔架上，塔架的高度应保证CCD探测器4的视野和激光测距装置5发射的激光不被遮挡；变焦距CCD探测器4镜头41的轴线和激光测距装置5的物镜轴心大致平行，面向镜场方向；

二维陀螺稳定仪6，用于保证二维伺服系统平台3的稳定性；

主控制器7，用于计算和样本存储；

闪烁发光体8，安装在待测定日镜上，用于引导变焦距CCD探测器4检测待测定日镜；

全反射棱镜9，位于定日镜中心，用于将入射激光沿原路反射回去。

图2为变焦距CCD探测器4和激光测距装置5的结构示意图。微处理单元控制二维伺服系统平台3围绕相互交叉垂直的两轴沿水平和俯仰方向转动，从而带动固定在平台上的CCD探测器4和激光测距装置5转动。本实施例中激光测距装置5的激光发射单元51采用激光二极管脉冲式光源，光电接收单元52采用PIN光电管。二维陀螺稳定仪6的作用是保证旋转平台的稳定性。主控制器7通过激光发射点坐标与定日镜中心点的名义坐标（即设计图纸中的坐标）计算出激光垂直射入定日镜中心点时激光测距装置5的角度和定日镜2应旋转的角度，然后二维伺服系统平台3控制激光测距装置5旋转至指定角度，定日镜2旋转至指定角度。因为定日镜名义坐标与实际坐标存在差距，且激光测距装置5的旋转角度也存在误差，因此一般来说此时若开启激光发射单元51，激光并不能直接投射至定日镜中心。

图3a是定日镜背面示意图。闪烁发光体8的光源类型、发光强度和频率可根据CCD探测器的灵敏度进行选择。发光体支架10通过螺母固定在定日镜的背面支架11上。闪烁发光体8的作用是引导变焦距CCD探测器4检测到待测定日镜。如前所述，由于误差的存在，激光不一定能正确投射至要定位的定日镜，为防止变焦距CCD探测器4在定日镜中心搜索过程中出现找错定日镜的情况，可以利用定日镜一角的闪烁发光体8明暗变化使CCD探测器4易于探测到定日镜。锁定定日镜后，CCD探测器自动变焦以更准确地捕捉定日镜上激光光斑的移动信息。

图3b是定日镜正面示意图。定日镜中心设有全反射棱镜9，棱镜为柱体结构，横截面为等腰三角形，斜边所在的平面与定日镜面平行，通过框架12固定之后粘贴在定日镜镜面中心。全反射棱镜9能将入射光线沿原路反射回去，而且光损耗非常小，大大提高了检测的灵敏度。

图4为定日镜中心搜索示意图。在激光测距装置5和定日镜2都调整到各自角度，变焦距CCD探测器4通过检测闪烁发光体8判断出待测定日镜后，启动定日镜中心搜索程序。如图4所示，打开激光发射单元51，此时激光光斑若位于201处，即光斑在待测定日镜一角，此时可操作二维伺服旋转平台3按照步进方式移动，使得光斑首先沿水平方向由201处步进至202处，此时光斑与定日镜中心还存在水平方向的误差，然后继续沿水平步进至203处，此时水平误差为零，之后沿竖直方向步进移动直至204处，即定日镜中心的全反射棱镜9所在位置，此时光电接收单元52接收到反射回的激光，但此时并不记录时间，记录时间是在接下来的激光测距程序环节中进行的。

图5为激光测距装置5的示意图。该系统由激光发射单元51，光电接收单元52，门控计时单元53，计数器54，驱动单元55，控制单元56，主控制器和CCD探测器的通讯接口57等组成。光电接收单元52还应加上干涉滤光片，其作用是减少背景光及杂散光的影响，降低其光电探测器输出信号的背景噪声。当CCD探测器4捕捉到定日镜2之后，经通讯接口57通知控制单元56发出测量开始信号，驱动单元55脉冲信号，激光发射单元51发射调制后的脉冲激光，开始进行定日镜中心搜索程序。当激光照射至定日镜中心全反射棱镜9时，激光被全部原路反射至光电接收单元52，这时关闭激光发射单元51，同时内部计时单元不进行计数。重新打开激光发射单元51，主波经部分反射镜取样，将小部分能量作为参考信号直接送到光电接收单元52，由光电探测器转化为电信号，放大整形后开启门控计时单元53，控制计数器54开始对参考时钟脉冲进行计数。其余射向定日镜2的激光脉冲能量，经棱镜9反射后得到回波脉冲，经光电转换、放大整形后的电信号关闭门控计时单元53，使计数器54停止工作。可以计算出从激光发射点至定日镜中心点距离为：

其中N为计数脉冲个数，为参考时钟脉冲频率。得到待测距离后，与激光发射点坐标作为一组样本S1，传送至主控室的主控制器7。

在得到一组样本S1之后，再通过另外两个激光测距装置测量它们至定日镜的距离，得到另外两组样本S2，S3。列写方程组：

Figure 2011103194679100002DEST_PATH_IMAGE002

其中，（x₁，y₁，z₁）、（x₂，y₂，z₂）、（x₃，y₃，z₃）为三个激光器发射点的坐标值，可由精密GPS装置测量得到；为测得的三组距离数据；是待测定日镜中心点的实际坐标值。

由上述方程组可求得定日镜中心点的实际坐标。

利用上述定日镜定位系统，可以依照如下步骤完成对定日镜的定位：

（1）利用二维伺服系统平台调整激光测距装置二维角度，其进一步包括：通过激光测距装置5的坐标与定日镜中心点的名义坐标计算出射向该定日镜中心点时激光测距装置5的角度，然后通过控制二维伺服系统平台3使激光测距装置5旋转至该角度，同时旋转定日镜2至主控制器7计算出的角度。

（2）利用CCD探测器和闪烁发光体捕捉待测定日镜，其进一步包括：通过变焦CCD探测器4检测定日镜2上的闪烁发光体8以捕捉待测定日镜；捕捉到定日镜后，变焦距CCD探测器4自动变焦至固定倍数以便监测定日镜。

捕捉到定日镜后，开激光发射单元51发射激光，变焦距CCD探测器4检测激光光斑与定日镜中心点的偏差，利用CCD探测器4内的高性能图像处理单元判断激光光斑与定日镜中心点偏差大小，并控制旋转二维伺服系统平台3使激光逐渐接近定日镜中心的全反射棱镜9。

（4）利用激光测距装置测量激光发射点至定日镜中心点距离，其进一步包括：找到定日镜中心后，关闭激光发射单元51再重新打开，记录此时的激光发射时间，利用脉冲激光测得激光发射点至定日镜中心点的距离。

测出三组激光测距装置5至要定位的定日镜中心的距离，列出三组方程，求得定日镜中心点的实际坐标。

图6是获取一组距离样本的流程图。

在定日镜定位系统的实施过程中，影响距离测量精度的最重要因素是激光往返时间的测量精度。本发明提出两种提高测量精度的方法：

方法一：

利用图7a所示的方式，将镜场分为A，B，C，D四个区域，每个区域一角分别有激光测距装置，每个区域内的定日镜在进行测距定位时，不利用自身所在区域的激光测距装置。如A区域的定日镜利用5b、5c、5d这三个激光测距装置进行测距，这样能够增加激光往返距离，提高测距精度。

方法二：

在定日镜面上再安装一全反射棱镜9b，在激光测距装置旁边也安装一全反射棱镜9c，这样共有9a、9b、9c三个全发射棱镜，如图7b所示。与只设置一面全反射棱镜的测量方式相比，该方法可以增加两倍光程，从而可将时间测量精度提高一倍。

虽然为了说明的目的对优选实施例进行了详细描述，但在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以做出多种改变。因此，本发明不限于此，而是权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种定日镜定位系统，其特征在于，包括：

中央接收器，用于收集太阳辐射能量；

定日镜，用于将太阳光反射到中央接收器；

CCD探测器，设置在二维伺服系统平台上，用于探测定日镜；

主控制器，用于计算和样本存储；

闪烁发光体，用于引导变焦距CCD探测器检测待测定日镜；

全反射棱镜，用于将入射激光沿原路反射回去。

2.根据权利要求1所述的定日镜定位系统，其特征在于，二维伺服系统平台可绕相互交叉垂直的两轴沿水平和俯仰方向转动，从而带动固定在平台上的CCD探测器及激光测距装置进行转动。

3.根据权利要求1所述的定日镜定位系统，其特征在于，CCD探测器的镜头轴线与激光测距装置物镜轴线平行。

4.根据权利要求3所述的定日镜定位系统，其特征在于，CCD探测器内设高性能图像处理单元，可判断激光光斑与定日镜中心点偏差大小。

5.根据权利要求1所述的定日镜定位系统，其特征在于激光测距装置由激光发射单元，光电接收单元，门控计时单元，计数器，驱动单元，控制单元，主控制器和CCD探测器的通讯接口等组成。

6.根据权利要求5所述的定日镜定位系统，其特征在于，激光发射单元采用激光二极管脉冲式光源，光电接收单元采用PIN光电管。

7.根据权利要求1所述的定日镜定位系统，其特征在于，闪烁发光体固定于定日镜上，其光源类型、发光强度和频率可根据CCD探测器的灵敏度进行选择。

8.根据权利要求1所述的定日镜定位系统，其特征在于，全反射棱镜安装在定日镜中心。

9.根据权利要求8所述的定日镜定位系统，其特征在于，全反射棱镜为柱体结构，横截面为等腰三角形，斜边所在的平面与定日镜面平行。

10.根据权利要求1所述的定日镜定位系统，其特征在于，主控制器控制定日镜旋转至指定角度，通过测得的距离数据和激光测距装置的位置坐标计算出定日镜的实际坐标。

11.一种基于权利要求1所述系统的定日镜定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

12.根据权利要求11所述的定日镜定位方法，其特征在于，提高测量精度的方法是将镜场分为若干区域，每个区域一角分别有激光测距装置，每个区域内的定日镜在进行测距定位时，只利用其它区域的激光测距装置，而不利用自身所在区域的激光测距装置。

13.根据权利要求11所述的定日镜定位方法，其特征在于，提高测量精度的方法是在定日镜面上及激光测距装置旁加装全反射棱镜。