CN102830715A - 一种光斑实时可调的定日镜及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光斑实时可调的定日镜，包括若干个反射单元，各反射单位中心均设有中心转轴，所述反射单元与所述中心转轴转动连接，所述中心转轴带动所述反射单元进行角度调节；反射单元由若干个平面镜或曲面镜组成；平面镜或曲面镜位于同一平面或按一定方式拼接排列成曲面；所述反射单元为多边形；所述反射单元之间设有适当间隙；各反射单元的中心点位于同一平面内；通过调节定日镜各反射单元角度，可得到满足形状、大小、聚光质量等要求的光斑，具有较强的适应性。同时本发明还提供一种光斑实时可调的定日镜调节方法，可根据需要在任一时刻发送不同的指令改变各反射单元转动的角度，实现光斑的实时调节，聚焦灵活性强。

Description

一种光斑实时可调的定日镜及其调节方法

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热发电定日镜领域，尤其涉及一种光斑实时可调的定日镜及其调节方法。

背景技术

目前，现有的太阳能热发电系统主要有槽式、塔式和碟式三种基本类型。而塔式太阳能热发电系统采用大量的定日镜将太阳光聚集到吸热塔上的吸热器上，加热工质，产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机发电。其中定日镜是塔式太阳能热发电系统的重要组成部分，用于将分散的太阳辐射收集并投射到吸热器上，从而实现塔式太阳能电站的光热转换。

定日镜是一种由镜面、镜架、跟踪传动机构及其控制系统等组成的聚光装置，用于跟踪接收并反射太阳光吸热塔顶部的吸热器上，是塔式太阳能热发电电站的主要装置之一。

目前，定日镜反射面的普遍形式主要有：（1）单片平面或曲面反射面；（2）若干小面积平面组成大的平面或曲面反射面。对于第一种定日镜形式，单片平面镜通常尺寸较小，虽然制造成本较低，定日镜安装运输方便，但对于大规模不规则塔式太阳能热电站镜场，需要数量庞大的定日镜，加大了镜场控制及调度难度，且定日镜的清洗、维护难度较大。而单片曲面反射镜，对于塔式太阳能电站而言，定日镜焦距较大、曲率较小，因此对单片曲面反射镜的热弯模具精度及机械制造水平要求均较高，这无疑增加了定日镜制造成本，增加了电站初期投资成本，限制了塔式热发电的大规模发展。对于第二种定日镜形式，由若干小面积平面镜通过精密机械加工和拼接而成具有一定曲率的聚光凹镜，其对机械工艺、批量制造质量、工程化安装等都有较高要求。此类型定日镜一旦安装定型完成后，其镜面曲率就不可再调，因此无法根据需要对光斑进行实时调节，聚焦灵活性不够。在长期运行过程中定日镜将不可避免地出现由于面形、机械结构变化、外界风压等因素而导致聚焦精度下降的问题，导致其精度校正费时费力、单镜维护成本较高。而若干小面积平面组成大面积平面反射面，虽然制造工艺、安装难度稍低，但聚光效果不如曲面反射面。

发明内容

为了克服上述技术问题存在的缺陷，本发明提供一种光斑实时可调的定日镜及其调节方法，通过调节各反射单元角度，改变其反射光路，得到满足要求的反射光斑。

本发明公开了以下技术方案：

一种光斑实时可调的定日镜，包括若干个反射单元，各反射单位中心均设有中心转轴，所述反射单元与所述中心转轴转动连接，所述中心转轴带动所述反射单元进行角度调节。

较佳地，所述的定日镜，其反射单元为平面镜或曲面镜。

较佳地，所述的定日镜，其反射单元由若干个平面镜或曲面镜组成。

较佳地，所述的定日镜，其平面镜或曲面镜位于同一平面或按一定方式拼接排列成曲面。

较佳地，所述的定日镜，其反射单元为多边形。

较佳地，所述的定日镜，其反射单元之间设有适当间隙。

较佳地，所述的新型定日镜，其各反射单元的中心点位于同一平面内。

一种光斑实时可调的定日镜调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：已知某一时刻的太阳高度角、方位角、镜场中定日镜中心点坐标，及吸热器目标点位置，根据反射定律计算出定日镜实现准确投射目标位置的整体姿态角；

S2：根据定日镜接收姿态角命令后的运转情况，确定定日镜转动后各反射单元中心点坐标；

S3：根据S2所得各反射单元中心点坐标计算各反射单元中心点投射到吸热器上的点的坐标，并计算其到定日镜中心点投射在吸热器上的点之间的距离；

S4：以S3所得反射单元中心点在吸热器上的投射点到目标位置的距离为依据，调节反射单元角度，改变光斑形状和大小，从而得到满足聚光要求的光斑。

较佳地，所述光斑实时可调的定日镜调节方法，其S4中可对任意个反射单元的角度进行调节。

较佳地，所述光斑实时可调的定日镜调节方法，其整体姿态角包括高度角和方位角。

本发明的有益效果是：

（1）通过调节定日镜各反射单元角度，可得到满足形状、大小、聚光质量等要求的光斑，具有较强的适应性。

（2）定日镜在长期运行过程中将不可避免地出现由于面形、机械结构变化等因素而导致聚焦精度下降的问题，而利用本发明所提供的定日镜，对反射单元角度进行简单调整，即可实现重新得到所需光斑，因此可有效降低单镜维护成本、提高聚光精度。

（3）可根据需要在任一时刻发送不同的指令改变各反射单元转动的角度，实现光斑的实时调节，聚焦灵活性强。

附图说明

图1为本发明实施例所述定日镜反射单元形式Ⅰ结构示意图；

图2为本发明实施例所述定日镜反射单元1侧视图；

图3为本发明实施例所述定日镜反射单元角度调整前后光路示意图；

图4为本发明实施例所述定日镜反射单元形式Ⅱ结构示意图；

图5为本发明实施例所述定日镜反射单元形式Ⅲ结构示意图；

图6为本发明实施例所述定日镜反射单元形式Ⅳ结构示意图。

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述：

如图1，一种光斑实时可调的定日镜，包括若干个反射单元，本实施例中反射单元为四边形，具体实施时还可以为如图4、图5、图6形式的反射单元形式，但不限于此，各反射单位还可以为其他多边形；所述反射单元中心均设有中心转轴（图中未显示），所述反射单元与所述中心转轴转动连接，所述中心转轴带动所述反射单元进行角度调节；为减小定日镜风抗及反射单元间的阴影遮挡，所述反射单元之间设有适当间隙。

如图1，本实施例中，每个反射单元由若干轮廓、尺寸相同的平面镜或曲面镜组成，但不限于此，具体实施时也可根据需要采用不同轮廓、尺寸的平面镜或曲面镜；图1所示定日镜包括“1”、“2”、“3”、“4”、“5”五个反射单元，具体实施时反射单元数量不受限制；所述五个反射单元中心点分别为O、A、B、C、D，每个反射单元的中心点在同一平面上，其中A、O、B在同一直线上，C、O、D在同一直线上，“1”、“2”、“3”、“4”4个反射单元可以分别可绕其中心轴a、b、c、d旋转。

反射单元角度改变，则各反射单元的反射光路改变，其中心点在吸热器上的投射位置随之改变，由此光斑形状及大小发生相应变化，实现光斑调节。值得注意的是，在进行光斑调节时，可对任意个反射单元的角度进行调节，而当“1”、“2”、“3”、“4”四个反射单元同时绕其中心轴旋转一定角度时，光斑形状及大小的变化效果更加明显。

图2为反射单元1的侧视图，由侧视图可见，组成该反射单元的平面镜不在同一平面上，该设计可达到更好的聚光效果，但不限于此，具体实施时也可根据实际将组成反射单元的平面镜或曲面镜设于同一平面。

反射单元角度调整前后反射光路及光斑形状的改变如图3所示，其为左视图，图中虚线表示定日镜反射单元角度未调整前的反射光路，实线表示反射单元角度调整后的反射光路。

以下对定日镜光斑调节方法作进一步说明：

S1：已知某一时刻的太阳高度角At、方位角Az、镜场中定日镜中心点O的坐标(x_o,y_o,z_o)，根据反射定律计算定日镜中心点O(x_o,y_o,z_o)投射至吸热器目标位置O'(x_o',y_o',z_o′)点处定日镜的高度角At_m和方位角Az_m。

通过定日镜中心点O坐标(x_o,y_o,z_o)及吸热器上O'点坐标(x_o',y_o',z_o')，计算得到反射向量：

$\stackrel{\→}{\mathrm{ray}\_\mathrm{out}}=((x_o-{x_o}^{\′}),(y_o-{y_o}^{\′}),(z_o-{z_o}^{\′}))=(\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_x,\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_y,\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_z),$

归一化，得：

$\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_x=\frac{(x_o-{x_o}^{\′})}{\sqrt{{(x_o-{x_o}^{\′})}^2+{(y_o-{y_o}^{\′})}^2+{(z_o-{z_o}^{\′})}^2}}$

$\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_y=\frac{(y_o-{y_o}^{\′})}{\sqrt{{(x_o-{x_o}^{\′})}^2+{(y_o-{y_o}^{\′})}^2+{(z_o-{z_o}^{\′})}^2}}$

$\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_z=\frac{(z_o-{z_o}^{\′})}{\sqrt{{(x_o-{x_o}^{\′})}^2+{(y_o-{y_o}^{\′})}^2+{(z_o-{z_o}^{\′})}^2}}$

由公式

ray_in(1)＝-cos(At)*cos(Az)；

ray_in(2)＝cos(At)*sin(Az)；

ray_in(3)＝sin(At)，

$\mathrm{Nr}=\sqrt{{(\mathrm{ray}\_\mathrm{in}\left(1\right)+\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_x)}^2+{(\mathrm{ray}\_\mathrm{in}\left(2\right)+\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_y)}^2+{(\mathrm{ray}\_\mathrm{in}\left(3\right)+\mathrm{ray}\_\mathrm{out}\_z)}^2}$

得到此时定日镜的法线单位向量为(Nx,Ny,Nz)，其中

Nx＝(ray_in(1)+ray_out_x)/Nr；

Ny＝(ray_in(2)+ray_out_y)/Nr；

Nz＝(ray_in(3)+ray_out_z)/Nr；

则定日镜转动的高度角为：At_m＝90-arcsin(Nz)；

方位角为：

S2：定日镜接收姿态角命令后开始转动，使定日镜中心点O投射于吸热器目标位置O'点处，计算此时“1”、“2”、“3”、“4”反射单元的中心点A、B、C、D坐标。具体计算方法为：

由下式计算得到定日镜旋转完方位角后“2”反射单元中心点A坐标(x_A1,y_Al，z_A1)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sqrt{{(x_A-x_{A1})}^2+{(y_A-y_{A1})}^2+{(z_A-z_{A1})}^2}}{\sqrt{{(x_A-x_O)}^2+{(y_A-y_O)}^2+{(z_A-z_O)}^2}}=\sin \left(\frac{\mathrm{Az}}{2}\right)\\ \sqrt{{(x_A-x_O)}^2+{(y_A-y_O)}^2+{(z_A-z_O)}^2}=\sqrt{{(x_{A1}-x_O)}^2+{(y_{A1}-y_O)}^2+{(z_{A1}-z_O)}^2}\\ z_O=z_A=z_{A1}\end{array}\right.$

其中，(x_A,y_A,z_A)为定日镜角度调整前各反射单元中心点A坐标；(x_A1,y_A1,z_A1)为定日镜旋转完方位角后各反射单元中心点A的坐标。

由下式计算得到定日镜旋转完高度角后的A点坐标(x_A2，y_A2，z_A2)

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sqrt{{(x_{A2}-x_{A1})}^2+{(y_{A2}-y_{A1})}^2+{(z_{A2}-z_{A1})}^2}}{2\sqrt{{(x_{A1}-x_o)}^2+{(y_{A1}-y_o)}^2+{(z_{A1}-z_o)}^2}}=\sin \left(\frac{\mathrm{At}}{2}\right)\\ \sqrt{{(x_{A1}-x_A)}^2+{(y_{A1}-y_A)}^2+{(z_{A1}-z_A)}^2}=\sqrt{{(x_{A2}-x_A)}^2+{(y_{A2}-y_A)}^2+{(z_{A2}-z_A)}^2}\\ z_{A2}=\sin \left(\mathrm{At}\right)\sqrt{{(x_A-x_O)}^2+{(y_A-y_O)}^2+{(z_A-z_O)}^2}+z_O\end{array}\right.$

同理可得定日镜旋转后“1”、“3”、“4”反射单元的中心点B、C、D坐标(x_B2,y_B2,z_B2)、(x_C2,y_C2,z_C2)、(x_D2,y_D2,z_D2)。

S3：利用S2的方法和公式，计算定日镜旋转后“1”、“2”、“3”、“4”四个反射单元中心点A、B、C、D投射在吸热器上的点A'、B'、C'、D'坐标(x′_A2,y′_A2,z′_A2)、(x_B2',y_B2',z_B2')、(x_C2',y_C2',z_C2')、(x_D2',y_D2',z_D2')，并计算O'到A'、B'、C'、D'的距离L_O′A′、L_O′B′、L_O′C′、L_O′D′。

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{O^{\′}{A}^{\′}}=\sqrt{{({x_O}^{\′}-{x_{A2}}^{\′})}^2+{({y_O}^{\′}-{y_{A2}}^{\′})}^2+{({z_O}^{\′}-{z_{A2}}^{\′})}^2}\\ L_{O^{\′}{B}^{\′}}=\sqrt{{({x_O}^{\′}-{x_{B2}}^{\′})}^2+{({y_O}^{\′}-{y_{B2}}^{\′})}^2+{({z_O}^{\′}-{z_{B2}}^{\′})}^2}\\ L_{O^{\′}{C}^{\′}}=\sqrt{{({x_O}^{\′}-{x_{C2}}^{\′})}^2+{({y_O}^{\′}-{y_{C2}}^{\′})}^2+{({z_O}^{\′}-{z_{C2}}^{\′})}^2}\\ L_{O^{\′}{D}^{\′}}=\sqrt{{({x_O}^{\′}-{x_{D2}}^{\′})}^2+{({y_O}^{\′}-{y_{D2}}^{\′})}^2+{({z_O}^{\′}-{z_{D2}}^{\′})}^2}\end{array}\right.$

S4：调节反射单元角度，改变光斑形状和大小，得到满足聚光要求的光斑。以“2”反射单元为例进行说明，其它反射单元同理：

绕轴a旋转“2”反射单元一定角度α_A，则此时“2”反射单元的高度角变为Ah'＝At_m-α_a，根据S1所述方法及公式，可计算得到此时该反射单元中心点投射在吸热器上的坐标(x_A3',y_A3',z_A3')，L_O′A′变为：

由此可见，若“2”反射单元投射在吸热器上的点A'越靠近O'，即“2”“5”两反射单元中心投射点的距离L_O′A′越小，则光斑越小，光能量越集中；反之，两反射单元中心投射点的距离越大，则光斑越大，光能量越发散。由于L_O′A′与反射单元旋转角度α_a直接相关，因此可通过改变反射单元角度来调节光斑形状及大小。值得注意的是，在进行光斑调节时，可对任意个反射单元的角度进行调节，而当“1”、“2”、“3”、“4”四个反射单元同时绕其中心轴旋转一定角度时，光斑形状及大小的变化效果更加明显。

基于上述S1、2、3、4，在一天任一时刻，通过下发下述七个指令：定日镜中心点坐标(x_o,y_o,z_o)、太阳高度角At、太阳方位角Az、“1”、“2”、“3”、“4”4个反射单元绕其中心轴a、b、c、d旋转的角度α_a、α_b、α_c、α_d，就可以实现光斑实时调节的目的。

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 (10)

1.一种光斑实时可调的定日镜，其特征在于，包括若干个反射单元，各反射单位中心均设有中心转轴，所述反射单元与所述中心转轴转动连接，所述中心转轴带动所述反射单元进行角度调节。

2.根据权利要求1所述的定日镜，其特征在于，所述反射单元为平面镜或曲面镜。

3.根据权利要求1所述的定日镜，其特征在于，所述反射单元由若干个平面镜或曲面镜组成。

4.根据权利要求3所述的定日镜，其特征在于，所述平面镜或曲面镜位于同一平面或按一定方式拼接排列成曲面。

5.根据权利要求1所述的定日镜，其特征在于，所述反射单元为多边形。

6.根据权利要求1所述的定日镜，其特征在于，所述反射单元之间设有适当间隙。

7.根据权利要求1所述的定日镜，其特征在于，各反射单元的中心点位于同一平面内。

8.一种光斑实时可调的定日镜调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：已知某一时刻的太阳高度角、方位角、镜场中定日镜中心点坐标，及吸热器目标点位置，根据反射定律计算出定日镜实现准确投射目标位置的整体姿态角；

S2：根据定日镜接收姿态角命令后的运转情况，确定定日镜转动后各反射单元中心点坐标；

S3：根据S2所得各反射单元中心点坐标计算各反射单元中心点投射到吸热器上的点的坐标，并计算其到定日镜中心点投射在吸热器上的点之间的距离；

S4：以S3所得反射单元中心点在吸热器上的投射点到目标位置的距离为依据，调节反射单元角度，改变光斑形状和大小，从而得到满足聚光要求的光斑。

9.根据权利要求8所述光斑实时可调的定日镜调节方法，其特征在于，所述S4中可对任意个反射单元的角度进行调节。

10.根据权利要求8所述光斑实时可调的定日镜调节方法，其特征在于，所述整体姿态角包括高度角和方位角。

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