CN102508498A - 一种快速定位太阳光斑的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速定位太阳光斑的方法，包括以下步骤：A1：选择定日镜场的某一定日镜，判断选定的定日镜是否为首次定位，若是，则开始执行轮廓定位操作，否则直接进行步骤A2，其中，所述轮廓定位包括:在高度角和方位角构成的坐标系内，定日镜沿一曲线改变高度角和方位角，直至图像采集检测到光斑出现在光斑成像装置上，再进行采集光斑样本操作，或者将定日镜角度设定为目标区域附近的一系列随机角，直至光斑定位到光斑成像装置上再进行采集光斑样本操作；A2：直接执行智能定位操作，所述智能定位操作包括利用相同时间间隔内理想情况下定日镜的理论角度变化值和实际情况下的角度变化值几乎一样的特性，采用理论角度变化值调整定日镜角度，将脱离目标区域的光斑再次定位于目标区域内，再进行采集光斑样本操作。与现有技术相比，本发明所提供的太阳光斑定位方法效率高、耗时少、成本低、定位精度高、适用性强、自动化程度高。

Description

一种快速定位太阳光斑的方法

发明领域

本发明一般涉及塔式太阳能热发电领域，具体涉及一种快速定位太阳光斑的方法。

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的定日镜、计算机控制系统和跟踪传动机构。计算机控制系统控制定日镜自动跟踪太阳，并将太阳光线反射到位于接收塔顶部的接收器，使其中的介质沸腾，由此所产生的蒸汽驱动汽轮发电机发电。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，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。为了提高定日镜的追日精度，需将光斑定位于光斑成像装置，采集不同时刻的太阳光斑位置与定日镜角度数据以研究太阳光斑位置与定日镜角度之间的关系。然而由于定日镜制造和安装上存在误差，若按理论计算结果进行追日并不能将太阳光准确打到目标区域，因此需采用准确快速的方法将太阳光斑定位于目标区域。目前进行光斑定位的方法主要有两种：

一是美国专利US4564275及中国专利CN102116604所提到的，控制定日镜将太阳光反射至光斑成像装置上，然后利用摄像机采集光斑图像，通过图像处理技术测量实际光斑与光斑成像装置中央点的偏差，然后利用计算机修正定日镜单元参数，使其将光斑投射至光斑成像装置中心点。该种定位方法操作比较简单，成本低廉，但最大的问题在于定位效率太低，对于成千上万面镜子的定位显然不合适；

二是美国专利US20090107485所提到的，使用指向定日镜的摄像机获取定日镜指向样本，然后通过参数估计的方法得到定日镜的跟踪参数。该种定位方法的问题主要在于图像处理子系统复杂，光斑搜索时间长，效率较低。

因此亟需一种兼顾准确性与快捷性的太阳光斑定位方法。

发明内容

针对上述问题，本发明为了克服现有技术难题，在图像处理技术和算法上进行发明，提供了一种当太阳光斑脱离光斑成像装置时，使太阳光斑准确快速地定位到光斑成像装置的方法。

本发明还提供一种快速定位太阳光斑系统，以解决现有技术中准确性与快捷性不能兼顾的技术问题。

一种快速定位太阳光斑的方法，包括以下步骤：

A1：选择定日镜场的某一定日镜，判断选定的定日镜是否为首次定位，若是，则开始执行轮廓定位操作，否则直接进行步骤A2，其中，所述轮廓定位包括：在高度角和方位角构成的坐标系内，定日镜沿一曲线改变高度角和方位角，直至图像采集检测到光斑出现在光斑成像装置上，再进行采集光斑样本操作，作为替代方案，还可以通过探索性方法执行轮廓定位，而不使用螺旋模式，例如，可以将定日镜角度设定为目标区域附近的一系列随机角，直至光斑定位到光斑成像装置上；

A2：直接执行智能定位操作，所述智能定位操作包括利用相同时间间隔内理想情况下定日镜的理论角度变化值和实际情况下的角度变化值几乎一样的特性，采用理论角度变化值调整定日镜角度，将脱离目标区域的光斑再次定位于目标区域内，再进行采集光斑样本操作.具体来说，在某个时刻t₁，经定日镜反射的光斑位于目标区域内，此时定日镜的实际高度角和方位角分别为

和θ₁₁，理论高度角和方位角分别为

和θ₁₂。经过时间Δt到达t₂时刻，太阳光斑再次脱离目标区域，从定日镜角度变化量数据库中调出Δt时间段内理论角度变化量

和Δθ，调整定日镜高度角和方位角至

和θ₁₁+Δθ，将光斑准确地打到光斑成像装置上，利用图像采集装置采集光斑样本。

其后每一次太阳光斑定位都采用智能定位法，直至满足数据采集需要。

需要指出，t₂时刻定日镜传动机构收到定日镜控制单元发出的指令开始调整定日镜，经过时间Δt₀，即t₂+Δt₀时刻镜子调整到位。因此定日镜的角度调整量应为t₁时刻至t₂+Δt₀时刻的理论角度变化量，但考虑到定日镜传动机构执行效率高，调整速度快，Δt₀的大小可忽略不计，因此不考虑调整时间Δt₀对于定位准确度的影响。

使用智能定位法的前提是进行光斑智能定位前的某个时刻太阳光斑位于目标区域内，即若进行光斑智能定位前的任何一个时刻光斑都不在目标区域内，则不能使用智能定位法。基于该前提，可在智能定位前使用轮廓定位法将太阳光斑定位于目标区域内，因为轮廓定位法在任何情况下都能准确定位太阳光斑，不需要任何前提条件。在太阳光斑采集过程中需对光斑进行多次定位，为了兼顾准确性和快速性，首次定位使用轮廓定位法，后续定位使用智能定位法。

一种快速定位太阳光斑的系统，所述系统进一步包括：

定日镜，用来将太阳光反射到光斑成像装置上；

光斑成像装置，用来形成太阳光斑图像；

图像采集装置，用来采集在所述光斑成像装置上形成的光斑图像；

图像处理子系统，用来处理图像采集装置采集到的光斑图像；

全场控制子系统，用来控制包括镜场在内的模块，并且判断选定的定日镜是否为首次定位，若判定为是，则开始执行轮廓定位，若判定为否，则直接执行智能定位；所述轮廓定位包括：在高度角和方位角构成的坐标系内，定日镜沿一曲线改变高度角和方位角，直至图像采集检测到光斑出现在光斑成像装置上，再进行采集光斑样本操作；所述智能定位操作包括利用相同时间间隔内理想情况下定日镜的理论角度变化值和实际情况下的角度变化值几乎一样的特性，采用理论角度变化值调整定日镜角度，将脱离目标区域的光斑再次定位于目标区域内，再进行采集光斑样本操作。

所述全场控制子系统包括定日镜场控制单元和定日镜控制单元，其中：

所述全场控制子系统根据包括塔式太阳能发电站中吸热器在内设备的工作状态，向定日镜场控制单元发送控制指令，通过定日镜场控制程序确定各个定日镜的工作状态，协调镜场与其他功能模块的工作关系；

所述定日镜场控制单元根据全场控制子系统的要求，确定每一面定日镜的工作状态，并向图像采集装置与图像处理子系统发送开始检测的指令；并根据太阳高度角、方位角以及定日镜和光斑成像装置的相对位置计算任意时刻每一面定日镜高度角和方位角，得到任意时间间隔内的角度变化量，建立理想情况下的定日镜理论角度变化量数据库；

所述定日镜控制单元，用于接收定日镜场控制单元的信息以调整定日镜至目标角度。

与现有技术相比，本发明提供的太阳光斑快速定位方法具有以下有益效果：

第一，本发明对于首次定位采用轮廓定位法，后续定位采用智能定位法。相同条件下，较之于轮廓定位法，智能定位法需要调整的角度变量较少，因此整个定位过程耗时更少、效率更高。即，较之于原来无规律的太阳光斑定位方法，本发明克服了占用资源较多，耗费时间长的问题；

第二，进行光斑采集前，计算得到每一时刻每一面定日镜的理论角度数据及任意时间间隔内的定日镜理论角度变化量，并将数据存储于定日镜场控制单元数据库中，不需实时计算，节约了定位时间。

第三，本发明成本低、跟踪精度高、适用性强，整个过程不需要太多的人为干预，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明实施例中光斑快速定位系统示意图；

图2为本发明实施例中执行快速定位操作时定日镜角度变化曲线图；

图3为本发明实施例中光斑快速定位方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一个实施例进行详细描述，但本发明并不仅限于此。本发明涵盖根据本发明原理做出的任何替代、修改、等效方案。

如图1，所述系统进一步包括：

定日镜1，用来将太阳光反射到光斑成像装置2上；

光斑成像装置2，用来形成太阳光斑图像；

图像采集装置3，用来采集在光斑成像装置2上形成的光斑图像；本实施例采用CCD摄像机进行图像采集，但并不限于此；

图像处理子系统4，用来处理图像采集装置3采集到的光斑图像；

全场控制子系统5，用来控制镜场与其他功能模块；

所述全场控制子系统进一步包括定日镜场控制单元51、定日镜控制单元52。

全场控制子系统5的主要功能是根据塔式太阳能发电站中吸热器等设备的工作状态，向定日镜场控制单元51发送控制指令，通过定日镜场控制程序确定各个定日镜的工作状态，协调镜场与其他功能模块的工作关系。

定日镜场控制单元51根据全场控制子系统5的要求，确定每一面定日镜的工作状态，并向图像采集装置3与图像处理子系统4发送开始检测的指令。定日镜场控制程序根据太阳高度角、方位角以及定日镜和光斑成像装置的相对位置计算任意时刻每一面定日镜高度角和方位角，得到任意时间间隔内的角度变化量，建立理想情况下定日镜理论角度变化量的数据库。

定日镜控制单元52由定日镜控制器、位置传感器、定日镜传动机构组成，与定日镜场控制单元51交换信息，控制定日镜传动机构调整定日镜至目标角度。

一种快速定位太阳光斑的方法，包括以下步骤：

S1：选定定日镜

S2：定日镜判定

由定日镜场控制单元51判断选定的定日镜是否为首次定位，若判定为是，则开始执行轮廓定位，若判定为否，则直接执行智能定位。

轮廓定位：

在高度角

和方位角θ构成的坐标系内，按角度变化曲线改变定日镜的高度角和方位角，直至CCD摄像机探测到光斑出现在光斑成像装置上。图2是示例性定日镜角度变化曲线图，水平轴表示高度角

垂直轴表示方位角θ。当CCD摄像机开始搜索光斑成像装置时，定日镜角度状态处于起始位置01，其可以是任一角度值，定日镜沿螺旋曲线11变化角度至位置02，再从位置02变化角度至位置03，直至CCD摄像机检测到光斑出现在光斑成像装置上，此时定日镜处于位置04，完成太阳光斑的首次定位和采集。本实施例角度变化轨迹为三角螺旋形，但是在其它实例中可以使用任意合适的螺线形螺旋，例如四边形、五边形、六边形螺线型螺旋以及圆形螺旋。所示螺旋曲线沿顺时针方向移动，但是在其它实例中也可以沿逆时针方向移动。根据替代方案，也可以通过探索性方法执行轮廓定位，而不使用螺旋模式，例如，可以将方位角设定为目标区域附近的一系列随机角，直至光斑定位于光斑成像装置上。

智能定位：

下面举例说明智能定位的过程，但是该方法不限于此，而是可以进行变化和修改，而不脱离本发明的范围。

定日镜场控制单元51执行控制程序，根据太阳高度角、方位角以及定日镜和光斑成像装置的相对位置计算从8点至18点期间每一时刻(时间间隔为1分钟)每一面定日镜的高度角和方位角，得到任意时间间隔(最小时间间隔为1分钟)内的定日镜角度变化量，建立理想情况下的定日镜理论角度变化量数据库。t₁时刻，定日镜通过轮廓定位法将光斑定位于成像装置上，此时定日镜的高度角和方位角分别为

和θ。t₂时刻定日镜场控制单元51从定日镜角度变化量数据库中调出从t₁时刻到t₂时刻这一时间段内定日镜高度角和方位角的变化量

和Δθ，定日镜控制单元52从定日镜场控制单元51获取角度变化量信息，调整定日镜的高度角和方位角至

和θ+Δθ，则t₂时刻CCD摄像机检测到光斑出现在光斑成像装置上，定日镜从位置04转动到位置05，完成第二次光斑定位和采集，该过程的定日镜角度变化曲线如图2所示。其后的每次定位都采用智能定位法，直到满足数据采集的需要。

若出现意外情况，定日镜在进行智能定位时无法将太阳光斑完全定位于目标区域内，则再次执行轮廓定位法使太阳光斑完全位于目标区域内。

光斑快速定位方法的流程如图3所示。即，

A1：选择定日镜场的某一定日镜(S110)，判断选定的定日镜是否为首次定位(S120)，若是，则开始执行轮廓定位操作(S160)，否则直接进行步骤A2，其中，所述轮廓定位包括：在高度角和方位角构成的坐标系内，定日镜沿一曲线改变高度角和方位角，直至图像采集检测到光斑出现在光斑成像装置上，再进行采集光斑样本操作，或者将定日镜角度设定为目标区域附近的一系列随机角，直至光斑定位到光斑成像装置上再进行采集光斑样本操作；

A2：直接执行智能定位操作(S130)，所述智能定位操作包括利用相同时间间隔内理想情况下定日镜的理论角度变化值和实际情况下的角度变化值几乎一样的特性，采用理论角度变化值调整定日镜角度，将脱离目标区域的光斑再次定位于目标区域内(S140)，再进行采集光斑样本操作(S150)，如果光斑不在目标区域内，也可以使用执行轮廓定位操作(S160)。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种快速定位太阳光斑的方法，其特征在于，包括以下步骤：

    A1：选择定日镜场的某一定日镜，判断选定的定日镜是否为首次定位，若是，则开始执行轮廓定位操作，否则直接进行步骤A2，其中,所述轮廓定位包括:在高度角和方位角构成的坐标系内，定日镜沿一曲线改变高度角和方位角，直至图像采集检测到光斑出现在光斑成像装置上，再进行采集光斑样本操作，或者将定日镜角度设定为目标区域附近的一系列随机角，直至光斑定位到光斑成像装置上再进行采集光斑样本操作;

    A2: 直接执行智能定位操作, 所述智能定位操作包括利用相同时间间隔内理想情况下定日镜的理论角度变化值和实际情况下的角度变化值几乎一样的特性，采用理论角度变化值调整定日镜角度，将脱离目标区域的光斑再次定位于目标区域内，再进行采集光斑样本操作。

2.   如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

   重复进行智能定位操作，直至满足预设光斑样本采集的条件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

确定每一面定日镜的工作状态，并向图像采集装置与图像处理子系统发送开始检测的指令；

根据太阳高度角、方位角以及定日镜和光斑成像装置的相对位置计算任意时刻每一面定日镜高度角和方位角，得到任意时间间隔内的角度变化量，建立理想情况下的定日镜理论角度变化量数据库。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，“定日镜沿一曲线改变高度角和方位角”进一步包括：

定日镜沿逐步向外发散的多边形螺旋曲线改变角度，或者沿逐步向外发散的平滑的螺线形螺旋改变角度，螺旋线方向为顺时针或逆时针。

5.权利要求1所述的方法，其特征在于，满足以下条件才能进行使用智能定位操作：进行光斑智能定位前的某个时刻太阳光斑位于目标区域内。

6.一种快速定位太阳光斑的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

定日镜，用来将太阳光反射到光斑成像装置上；

光斑成像装置，用来形成太阳光斑图像；

图像采集装置，用来采集在所述光斑成像装置上形成的光斑图像；

图像处理子系统，用来处理图像采集装置采集到的光斑图像；

全场控制子系统，用来控制包括镜场在内的模块，并且判断选定的定日镜是否为首次定位，若判定为是，则开始执行轮廓定位，若判定为否，则直接执行智能定位；所述轮廓定位包括：在高度角和方位角构成的坐标系内，定日镜沿一曲线改变高度角和方位角，直至图像采集检测到光斑出现在光斑成像装置上，再进行采集光斑样本操作;所述智能定位操作包括利用相同时间间隔内理想情况下定日镜的理论角度变化值和实际情况下的角度变化值几乎一样的特性，采用理论角度变化值调整定日镜角度，将脱离目标区域的光斑再次定位于目标区域内，再进行采集光斑样本操作。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述全场控制子系统包括定日镜场控制单元和定日镜控制单元，其中：

所述全场控制子系统根据包括塔式太阳能发电站中吸热器在内设备的工作状态，向定日镜场控制单元发送控制指令，通过定日镜场控制程序确定各个定日镜的工作状态，协调镜场与其他功能模块的工作关系;

所述定日镜场控制单元根据全场控制子系统的要求，确定每一面定日镜的工作状态，并向图像采集装置与图像处理子系统发送开始检测的指令；并根据太阳高度角、方位角以及定日镜和光斑成像装置的相对位置计算任意时刻每一面定日镜高度角和方位角，得到任意时间间隔内的角度变化量，建立理想情况下的定日镜理论角度变化量数据库;

所述定日镜控制单元，用于接收定日镜场控制单元的信息以调整定日镜至目标角度。

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