CN102749933A - 一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，所述太阳能热发电系统设有聚光碟(20)和集热器(10)，所述对日跟踪方法包括如下步骤：1)获取所述集热器(10)的温度分布信息；2)根据所述温度分布信息判断太阳入射光线经所述聚光碟(20)聚光后是否完全聚焦，若是，执行步骤10)，若不是，执行步骤3)；3)获取所述聚光碟(20)的当前角度，以及完全聚焦时所需的聚光碟(20)的目标角度，并调整所述聚光碟(20)的所述当前角度至所述目标角度；10)保持聚光碟的当前角度不变。这种方法实现了对太阳的准确跟踪，增强对太阳入射光线的聚焦精度。本发明还提供一种与上述对日跟踪方法对应的对日跟踪系统。

Description

一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法和系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法和系统。

背景技术

随着世界经济的发展，全球对能源需求日益增长，传统的化石能源越来越不能满足人类的发展要求，全球面临着严重的能源短缺和燃烧化石能源产生的污染问题，世界各国均在寻找可替代化石能源的可持续发展的无污染的新能源。太阳能具有取之不尽，用之不竭，且无污染不受地域限制等特点，被认为是最理想的新能源之一。

碟式聚光太阳能热发电是目前效率最高的一种太阳能发电方式，最高效率可达29.4％。预计在未来形成产业化大规模应用，其成本将会大幅降低，成为与大规模常规电厂进行成本竞争的新能源发电。碟式太阳能热发电系统一般功率较小，约为5-100KW，因此可实现单独的分布式发电，也可以多台单机组网进行大规模电厂发电，应用范围十分广泛，是目前全球太阳能发电的研究热点。

碟式聚光太阳能热发电的原理是利用自动跟踪太阳的聚光镜将太阳能聚焦到热机的集热器，从而加热发动机进行运动做功，发动机拖动发电机，从而实现发电。由其原理可知，对太阳的自动跟踪系统是其关键部件之一。

现有的太阳自动跟踪装置大多采用定时跟踪方式、光敏传感器跟踪方式或定时跟踪与光敏传感器相结合的跟踪方式，但其对日跟踪精度不高，不能完全满足现有碟式太阳能发电的要求。

有鉴于此，亟待针对上述技术问题，另辟蹊径设计一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法和系统，实现对太阳光的准确跟踪，提高太阳能热发电系统对太阳光入射光线的聚光效果，从而增强热发电效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题为提供一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法和系统，提高对太阳光的跟踪精度，增强太阳能热发电系统对太阳光入射光线的聚光效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，所述太阳能热发电系统设有聚光碟和集热器，所述对日跟踪方法包括如下步骤：

1)获取所述集热器的温度分布信息；

2)根据所述温度分布信息判断太阳入射光线经所述聚光碟聚光后是否完全聚焦，若是，执行步骤10)，若不是，执行步骤3)；

3)获取所述聚光碟的当前角度，根据所述温度分布信息获取以及完全聚焦时所需的聚光碟的目标角度，并调整所述聚光碟的所述当前角度至所述目标角度；

10)保持所述聚光碟的当前角度不变。

优选地，所述步骤1)中具体采用红外热成像的方法获取所述集热器的温度分布图像。

优选地，在所述步骤1)后还包括：

步骤4)判断所述集热器是否过热，若是，则进行步骤5)，若不是，则执行步骤6)；

5)开启所述太阳能热发电系统的过热保护装置；

6)保持所述过热保护装置为关闭状态。

优选地，还包括：

获取当前风速、当前风向信号，并判断所述风速是否过大，若是，则根据所述风向开启所述太阳能热发电系统的避风保护装置；若不是，则保持所述避风保护装置为关闭状态。

优选地，执行所述步骤10)和所述步骤3)后均返回步骤1)。

本发明提供一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，首先获取集热器的温度分布信息；然后根据温度分布信息判断太阳入射光线经聚光碟聚光后是否完全聚焦，若是则保持聚光碟的当前角度不变，如不是则获取聚光碟的当前角度，以及完全聚焦时所需的聚光碟的目标角度，并调整聚光碟的当前角度至目标角度。

本发明提供的对日跟踪方法通过对集热器中温度分布信息的分析获知当前聚焦情况，并根据当前聚焦情况通过偏差调整的方法校正聚光碟的位置，实现了对太阳的准确跟踪，增强对太阳入射光线的聚焦精度。

本发明还提供一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪系统，所述太阳能热发电系统包括聚光碟和集热器；所述对日跟踪系统包括集热器热成像装置、微处理器和位置检测装置；

所述位置检测装置用于检测太阳能热发电系统的聚光碟的当前角度，并输出给所述微处理器；

所述集热器热成像装置对准所述集热器的集热器腔，用于采集所述集热器及其周边的温度分布；

所述微处理器与所述集热器热成像装置连接，用于根据温度分布信息判断太阳入射光线经所述聚光碟聚光后是否完全聚焦，并在非完全聚焦的情况下获取所述聚光碟的当前角度，分析计算出完全聚焦时所需的聚光碟的目标角度，并发出控制命令调整所述聚光碟的所述当前角度至所述目标角度。

优选地，所述热成像装置为红外热成像装置。

优选地，所述控制器还用于判断所述集热器是否过热，并在所示集热器过热的情况下开启所述太阳能热发电系统的过热保护装置。

优选地，还包括风速风向检测装置，用于检测当前风速、当前风向，并将其检测结果输出至微处理器，所述微处理器还用于判断风速是否过大，并在风速过大的情况下根据所述风向开启所述太阳能热发电系统的避风保护装置。

优选地，所述对日跟踪系统为闭环控制系统。

由于对日跟踪方法具有上述技术效果，因此，与上述对日跟踪方法对应的对日跟踪系统也应当具有相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明所提供对日跟踪方法的一种具体实施方式的流程框图；

图2为本发明所提供对日跟踪方法的另一种具体实施方式的流程框图；

图3为聚光碟的当前角度与目标角度相同时的红外成像图；

图4为聚光碟的当前高度角偏大时的红外成像图；

图5为聚光碟的当前方位角偏小时的红外成像图；

图6为聚光碟的当前高度角、当前方位角均偏小时的红外成像图；

图7为本发明所提供对日跟踪系统的一种具体实施方式的结构框图；

图8为图7所示的对日跟踪系统的实物结构简图。

其中，图7和图8中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

微处理器1；伺服驱动系统2；减速传动机构3；位置检测装置4；集热器热成像装置5；图像接口模块6；风速风向检测装置7；

集热器20；聚光碟10。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法和系统，其能够实现对太阳光的准确跟踪，提高太阳入射光线经聚光碟的聚光效果，进而增强太阳能热发电系统的发电效率。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明所提供对日跟踪方法的一种具体实施方式的流程框图。

在一种具体实施方式中，如图1所示，本发明提供一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，太阳能热发电系统设有聚光碟20和集热器10，聚光碟20将太阳入射光线聚焦，集热器10安装于聚光碟20的焦点前方，用于收集聚焦后的太阳光产生的热量，上述对日跟踪方法包括如下步骤：

S11：获取集热器10的温度分布信息；

由于集热器10是用来吸收太阳辐射使之转换为热能并传递给热介质的装置，集热器10温度越高的部分采集的光线越多，因此集热器10的温度分布信息可以反映出太阳光入射光线经聚光碟20聚光后的聚焦情况。

S12：对集热器温度分布信息进行分析、计算处理，并根据抛物面对平行光线的反射原理，提取出太阳入射光线与抛物面聚光碟的关系，进而判断太阳入射光线经聚光碟20聚光后是否完全聚焦，若是，执行步骤S14，若不是，执行步骤S13；

S13：获取聚光碟20的当前角度，并根据温度分布信息进一步获取完全聚焦时所需的聚光碟20的目标角度，并调整聚光碟20的当前角度至目标角度；

S14：保持聚光碟的当前角度不变。

步骤S13通过比较聚光碟20的当前角度与目标角度的偏差，并通过偏差调整的方法将聚光碟20的当前角度调整至目标角度，能够保证太阳入射光线经聚光碟20聚光后达到完全聚焦的效果。

由此可见，本发明提供的对日跟踪方法通过对集热器10中温度分布信息的分析获知当前聚焦情况，并根据当前聚焦情况通过偏差调整的方法校正聚光碟20的位置，实现了对太阳的准确跟踪，增强对太阳入射光线的聚焦精度。

可以想到，上述对日跟踪方法必然是建立在太阳入射光线经聚光碟聚焦后的光斑落在集热器内的前提上，因此在进行上述对日跟踪方法开始实施之前，必然需要先采用天文算法程序跟踪太阳轨迹，计算出太阳的粗调高度角和方位角，将聚光碟驱动至与太阳光线大致平行的方向，保证聚焦的光斑在集热器内。由于该步骤是本发明实施前必然需要的条件，又是现有技术中非常常见的步骤，因此本文不再赘述。

还可以进一步设置上述对日跟踪方法的具体执行步骤。

请参考图2，图2为本发明所提供对日跟踪方法的另一种具体实施方式的流程框图。

在另一种具体实施方式中，如图2所示，上述对日跟踪方法可以具体包括如下步骤：

S21：采用红外热成像的方法获取集热器10的温度分布图像。

具体地，可以在集热器10中设置红外成像装置，例如红外摄像头、红外摄像机等，该红外成像装置对准集热器腔，通过其拍摄能够直接获取集热器10的温度分布，即采集到太阳跟踪的最终输出结果，从而提供了准确、真实的反映信息，为后续控制过程奠定了较好的基础。

S22：根据温度分布信息判断太阳入射光线经聚光碟20聚光后是否完全聚焦，若是，执行步骤S211；若不是，执行步骤S23；

S23：获取聚光碟20的当前角度，以及完全聚焦时所需的聚光碟20的目标角度，并调整聚光碟20的当前角度至目标角度。

S211：保持聚光碟的当前角度不变。

下面分四种情况分别描述上述步骤S22、步骤S23的判断聚光效果、调整方位角和/或高度角的具体过程：

如图3所示，该图为聚光碟20的当前角度与目标角度相同时的红外成像图，该红外成像图中内部圆形阴影部分反映聚光碟20的位置，外圈圆环部分反映太阳入射光线的位置，此时聚光碟20与太阳光环的中心重合，表示太阳入射光线经聚光碟20后完全聚焦，无需调整聚光碟20位置。

如图4所示，该图为聚光碟20的当前高度角偏大时的红外成像图，此时聚光碟20的中心偏向于太阳光环中心的正上方，表示高度角偏大，此时处理器发出控制指令，减小聚光碟20的高度角。

如图5所示，该图为聚光碟20的当前方位角偏小时的红外成像图，此时聚光碟20的中心偏向于太阳光环中心的正左方，表示方位角偏小，此时处理器发出控制指令，增大聚光碟20的方位角。

如图6所示，该图为聚光碟20的当前高度角、当前方位角均偏小的红外成像图，此时聚光碟20的中心偏向于太阳光环中心的左下方，此时微处理器发出控制指令，增大聚光碟20的方位角和高度角。

同理可以推断出聚光碟20的高度角和方位角处于其他偏大或偏小情况对应的集热器10热成像图像，并相应地调整聚光碟20的高度角和方位角，以使聚光碟20完全聚焦。由此可见，通过红外热成像的方法直接采集对日跟踪的最终输出结果，能够为后续控制过程提供清楚直接、简单明了的依据，使得整个对日跟踪方法具有构思新颖、操作简单的优点。当然，上述对日跟踪方法还可以采用其他方式获取集热器10的温度分布信息。

在另一种具体实施方式中，上述步骤S21之后还包括：

步骤S24：判断集热器10是否过热，若是，则进行步骤S25，若不是，则执行步骤S26；

S25：开启太阳能热发电系统的过热保护装置；

S26：保持过热保护装置为关闭状态。

采用上述控制方法，能够对集热器10起到一定的保护作用，防止集热器10由于温度过高而被烧蚀等现象的发生，进一步保证太阳能热发电系统的工作稳定性和可靠性。由于过热保护装置的结构是现有技术，在此不在赘述。

在另一种具体实施方式中，上述对日跟踪方法还可以包括：

步骤S27：获取当前风速风向信号；

步骤S28：判断风速是否过大，若是，则执行步骤S29，若不是，执行步骤S210；

S29：根据风向开启太阳能热发电系统的避风保护装置；

S210：保持避风保护装置为关闭状态。

相类似地，采用这种控制方法能够防止风速过大对聚光碟20造成的破坏，进一步保证太阳能热发电系统的工作稳定性。

需要说明的是，上文仅以一种具体实施方式描述根据集热器10是否过热保护集热器，并根据风速风向信号保护聚光碟的方法，事实上，上述步骤S24至步骤S26所示的动作、步骤S27至步骤S210所示的动作并不仅限于上述顺序，前者可以在获取集热器的温度分布信息之后的任意时间进行，后者可以不受限制地在任意时间进行。用户可以根据实际需要自行选择。

另一种具体实施方式中，上述保护方法可以在执行完步骤S13、步骤S14后，返回执行步骤S11，即上述对日跟踪方法可以具体为闭环控制方法。

采用闭环控制方法能够通过实时检测-实时反馈-实时控制的方式实现对太阳的实时跟踪，保证太阳光经聚光碟20后时刻保持完全聚焦的效果。当然，上述对日跟踪方法也可以采用定时控制等其他方式的开环控制方法，用户可以根据实际需要自行选择。

请参考图7和图8，图7为本发明所提供对日跟踪系统的一种具体实施方式的结构框图；图8为图7所示的对日跟踪系统的实物结构简图。

在一种具体实施方式中，本发明还提供一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪系统，其包括集热器热成像装置5、微处理器1和位置检测装置4；

位置检测装置4可以具体为位置编码器，该位置编码器安装在聚光碟10方位角和高度角的终端，用于检测太阳能热发电系统的聚光碟10的当前角度，并输出给微处理器1。

集热器热成像装置5对准集热器10的集热器腔，如图8所示，可以具体安装在与集热器20平行的支撑横梁上，该集热器热成像装置5用于采集集热器20及其周边的温度分布信息，该温度分布信息实际上为温度分布图像，集热器热成像装置5采集温度分布图像后，可以具体通过图像接口模块6将图像发送至微处理器1。

微处理器1与集热器热成像装置5连接，用于根据温度分布信息判断太阳入射光线经聚光碟10聚光后是否完全聚焦，并在非完全聚焦的情况下获取聚光碟10的当前角度，分析计算出完全聚焦时所需的聚光碟10的目标角度，然后计算出当前角度与目标角度的偏差角度，发出控制指令给聚光碟10的伺服驱动系统2。

伺服驱动系统2可以具体包括驱动器(伺服驱动器或其他电机驱动器)和电机(伺服电机或步进电机等其他电机)，该伺服驱动系统2通过减速传动机构3(比如，多级减速齿轮或螺旋升降机)将聚光碟10的角度改变偏差角度，最终调整聚光碟10的当前角度至目标角度。由于伺服驱动系统2和减速传动机构3为现有技术中常用装置，不再赘述。

与上述对日跟踪方法类似地，采用这种对日跟踪系统通过对集热器20中温度分布信息的分析获知当前聚焦情况，并根据当前聚焦情况通过偏差调整的方法校正聚光碟10的位置，实现了对太阳的准确跟踪，增强对太阳入射光线的聚焦精度。

进一步的方案中，上述热成像装置为红外热成像装置，比如红外摄像头或是红外摄像机。

更具体的方案中，上述微处理器1还用于判断集热器20是否过热，并在集热器20过热的情况下开启太阳能热发电系统的过热保护装置。

在另一种具体实施方式中，上述对日跟踪系统还可以包括风速风向检测装置7，用于检测当前风速、当前风向，并将其检测结果输出至微处理器1，微处理器1还用于判断风速是否过大，并在风速过大的情况下根据风向开启太阳能热发电系统的避风保护装置。

此外，上述对日跟踪系统可以为闭环控制系统。

由于上述对日跟踪方法具有上述技术效果，因此，与上述对日跟踪方法对应的对日跟踪系统也应当具有相应的技术效果，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法和系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，所述太阳能热发电系统设有聚光碟(20)和集热器(10)，其特征在于，所述对日跟踪方法包括如下步骤：

1)获取所述集热器(10)的温度分布信息；

2)根据所述温度分布信息判断太阳入射光线经所述聚光碟(20)聚光后是否完全聚焦，若是，执行步骤10)，若不是，执行步骤3)；

3)获取所述聚光碟(20)的当前角度，根据所述温度分布信息获取完全聚焦时所需的聚光碟(20)的目标角度，并调整所述聚光碟(20)的所述当前角度至所述目标角度；

10)保持所述聚光碟的当前角度不变。

2.根据权利要求1所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)中具体采用红外热成像的方法获取所述集热器(10)的温度分布图像。

3.根据权利要求2所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，其特征在于，在所述步骤1)后还包括：

步骤4)判断所述集热器(10)是否过热，若是，则进行步骤5)，若不是，则执行步骤6)；

5)开启所述太阳能热发电系统的过热保护装置；

6)保持所述过热保护装置为关闭状态。

4.根据权利要求2所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，其特征在于，还包括：

获取当前风速、当前风向信号，并判断所述风速是否过大，若是，则根据所述风向开启所述太阳能热发电系统的避风保护装置；若不是，则保持所述避风保护装置为关闭状态。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪方法，其特征在于，执行所述步骤10)和所述步骤3)后均返回步骤1)。

6.一种用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪系统，所述太阳能热发电系统包括聚光碟(20)和集热器(10)；其特征在于，所述对日跟踪系统包括集热器热成像装置(5)、微处理器(1)和位置检测装置(4)；

所述位置检测装置(4)用于检测太阳能热发电系统的聚光碟(20)的当前角度，并输出给所述微处理器(1)；

所述集热器热成像装置(5)对准所述集热器(10)的集热器腔，用于采集所述集热器(10)及其周边的温度分布信息；

所述微处理器(1)与所述集热器热成像装置(5)连接，用于根据温度分布信息判断太阳入射光线经所述聚光碟(20)聚光后是否完全聚焦，并在非完全聚焦的情况下获取所述聚光碟(20)的当前角度，分析计算出完全聚焦时所需的聚光碟(20)的目标角度，并发出控制命令调整所述聚光碟(20)的所述当前角度至所述目标角度。

7.根据权利要求6所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪系统，其特征在于，所述热成像装置(5)为红外热成像装置(5)。

8.根据权利要求7所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪系统，其特征在于，所述控制器还用于判断所述集热器(10)是否过热，并在所示集热器(10)过热的情况下开启所述太阳能热发电系统的过热保护装置。

9.根据权利要求7所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪系统，其特征在于，还包括风速风向检测装置(7)，用于检测当前风速、当前风向，并将其检测结果输出至微处理器(1)，所述微处理器(1)还用于判断风速是否过大，并在风速过大的情况下根据所述风向开启所述太阳能热发电系统的避风保护装置。

10.根据权利要求6-9任一项所述的用于碟式太阳能热发电系统的对日跟踪系统，其特征在于，所述对日跟踪系统为闭环控制系统。

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