CN102929131A - 一种与机械传动相匹配的定日镜控制模型优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与机械传动相匹配的定日镜控制模型优化方法。本发明制定了一套与机械传动相匹配的定日镜控制数据体系。通过在镜场位置观测太阳运行轨迹及镜场相关函数体系建立的定日镜控制优化数学模型，在导入各定日镜特征因子后，控制系统即给出与机械传动相匹配的驱动定日镜所需各时段值、时段内高度角/方位角相对变化量和时间间隔等控制数据清单。本发明制定了不同精度要求下的控制数据清单。在效能/成本比的驱动下，塔式太阳能集热系统镜场中定日镜群应随与距塔底距离不同设定不同的控制精度。在设定不同控制精度要求下，本方法通过相关数学模型即可给出相应控制精度条件下的驱动定日镜所需各时段值、时段内高度角/方位角相对变化量和时间间隔等控制数据清单。

Description

一种与机械传动相匹配的定日镜控制模型优化方法

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种与机械传动相匹配的定日镜控制模型优化方法。

背景技术

塔式太阳能热利用系统在控制系统作用下，定日镜能够自动跟踪太阳，并将太阳光线反射到位于接收塔顶部的集热器表面，进而完成对太阳能热资源的传递、存储。定日镜精确地将太阳光斑投射到集热器相应表面，是确保集热器光能接收率的重要条件。

现有技术中，定日镜的开环控制系统是按照一种高精度的太阳位置算法控制定日镜将反射光斑投射至接收器表面，但此类控制系统仍存在以下问题：

1)太阳位置算法与机械传动系统的精度不统一。传动机构(减速机)的精度远低于太阳位置算法的最低要求，无法实现对定日镜的精准控制。

2)精确控制理论值与现行传动机构组合框架下的控制方法有待优化。由于现有技术还不能很好解决控制理论值与现行传动机构组合框架下的最佳控制方法，致使要么传动机构频繁启停造成机械损伤，要么启停频率过低而达不到预想的控制精度。该模式下的控制方法仍有较大研究余地。

3)增加成本。在塔式太阳能集热系统的实际应用中，一个定日镜场中有大量定日镜同时工作。定日镜与接收塔之间的距离不同，对反射光斑精度的要求区别较大。现有技术中，是按照同样高的精度控制所有定日镜，而精度越高的定日镜制造成本也越高，由此看来，现有的控制系统显然增加了不必要的成本。

发明内容

本发明的目的在于解决现有控制系统中的上述问题，在保证定日镜控制精度的前提下，提供一种与机械传动相匹配的定日镜控制模型优化方法。

本发明按照下述方案实现：

一种与机械传动相匹配的定日镜控制优化方法，基于塔式太阳能热利用系统，包括以下步骤：

第一步：确定定日镜驱动时间间隔t：基于镜场中某一特定定日镜，根据定日镜距塔底的距离确定定日镜驱动的时间间隔；距离塔较远的定日镜精度要求要高一些，驱动时间间隔相对较小，通过计算可以得出从日出t_出-t_落每间隔t时间太阳的高度角HS₀，HS₁，ΛHS_n，太阳的方位角AS₀，AS₁，ΛAS_n；

第二步：计算基于时间间隔定日镜的高度角和方位角：通过计算可以得出从日出t_出-t_落每间隔t时间定日镜高度角G₀，G₁ΛG_n和方位角分别对应为F₀，F₁ΛF_n，将G₀和F₀记为该定日镜启动初始时刻的状态；

第三步：计算间隔t时间定日镜高度角和方位角的相对变化量：间隔t时间高度角相对变化量为：ΔG₁，ΔG₂，ΔG₃，Λ，ΔG_n，方位角相对变化量为：ΔF₁，ΔF₂，ΔF₃，Λ，ΔF_，其中：

ΔG₁=G₁-G₀    ΔF₁=F₁-F₀

ΔG₂=G₂-G₁    ΔF₂=F₂-F₁

ΔG₃=G₃-G₂，  ΔF₃=F₃-F₂

     M             M

ΔG_n=G_n-G_n-1  ΔF_n=F_n-F_n-1

第四步：定日镜跟踪太阳的数据确定：在综合精度αmrad范围内，利用算法求得适合镜场中任意一个定日镜的的跟踪数据；

在特定精度下，适合定日镜传动的跟踪投射光斑的定日镜数据由以下过程计算可得：

<1>记日出时刻(t_出)(或系统启动时刻)定日镜的高度角和方位角分别为G₀和F₀；

<2>确定时段值：时段内定日镜的驱动量是不变的，现计算特定时段内定日镜的驱动量，令满足的精度不超过α+α′，其中α′越小，精度越高，一般取α′＝0.5mrad，计算过程如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;G}}_r}=\frac{{\mathrm{\&Delta;G}}_1+{\mathrm{\&Delta;G}}_2+{\mathrm{\&Delta;G}}_3+\mathrm{\&Lambda;}+{\mathrm{\&Delta;G}}_r}{r},$ 其中1≤r≤n……(1)

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;F}}_r}=\frac{{\mathrm{\&Delta;F}}_1+{\mathrm{\&Delta;F}}_2+{\mathrm{\&Delta;F}}_3+\mathrm{\&Lambda;}+{\mathrm{\&Delta;F}}_r}{r},$ 其中1≤r≤n……(2)

<3>判断依据：验证是否超过预设的精度范围(α+α′)mrad，若超过精度，则结束计算，并将前一次记为一个时段值，否则继续迭代。

3.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于，每时间间隔的两条反射光线的夹角θ由以下公式计算：

现用函数表示从t_出-t_落每间隔t时间光斑在集热器上的位置坐标

(x₀，y₀，z₀)=f(HS₀，AS₀，G₀，F₀)；…………………………………(3)

$(x_r,y_r,z_r)=f({\mathrm{HS}}_r,{\mathrm{AS}}_r,G_0+r\&times;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;G}},F_0+r\&times;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;F}});$ 其中1≤r≤n……(4)

由于空间三维坐标系以定日镜质心为原点，则每间隔t时间间隔的两条反射光线的夹角θ的计算如下：

$\mathrm{\&theta;}=\arccos \left(\frac{x_r\&times;x_{r+1}+y_r\&times;y_{r+1}+z_r\&times;z_{r+1}}{\sqrt{{x_r}^2+{y_r}^2+{z_r}^2}\&times;\sqrt{{x_{r+1}}^2+{y_{r+1}}^2+{z_{r+1}}^2}}\right);$ 其中1≤r≤n……(5)；

根据判断每时间间隔的两条反射光线的夹角θ与综合精度的大小，确定定日镜在精度范围内的传动数据如下所示：

如果θ<α+α′，则将r变为r+1继续执行以下步骤：

(1)→(2)→(3)→(4)→(5)；

如果θ≥α+α′，将r-1个时间间隔t作为第一个时段值，主要参数如下：

驱动时间范围：从t_出至t_出+(r-1)×t；

定日镜高度角变化量：

定日镜方位角变化量：

驱动时间间隔：t

从t_出+(r-1)×t至t_落这段时间内按照以上的<1>和<2>确定其他符合条件的定日镜驱动数据。

本发明在精度范围内计算了适合定日镜跟踪的一套数据，合理利用太阳能。定日镜距离塔底距离的差异性保证了跟踪的精度。时段值数量少，时段值内的变化量相等，减少了电脑与定日镜之间的通信次数。

本发明制定了一套与机械传动相匹配的定日镜控制数据体系。通过在镜场位置观测太阳运行轨迹及镜场相关函数体系建立的定日镜控制优化数学模型，在导入各定日镜特征因子后，控制系统即给出与机械传动相匹配的驱动定日镜所需各时段值、时段内高度角/方位角相对变化量和时间间隔等控制数据清单。

本发明制定了不同精度要求下的控制数据清单。在效能/成本比的驱动下，塔式太阳能集热系统镜场中定日镜群应随与距塔底距离不同设定不同的控制精度。在设定不同控制精度要求下，本方法通过相关数学模型即可给出相应控制精度条件下的驱动定日镜所需各时段值、时段内高度角/方位角相对变化量和时间间隔等控制数据清单。

附图说明

图1是本发明一个时间点的实际计算数据表；

图2是本发明一个定日镜角度变化示意图。

具体实施方式

与机械传动相匹配的定日镜控制优化方法，其具体步骤如下：

1)确定定日镜驱动时间间隔t：基于镜场中某一特定定日镜，根据定日镜距塔底的距离确定定日镜驱动的时间间隔；距离塔较远的定日镜精度要求要高一些，驱动时间间隔相对较小，反之，距离较近塔底较近的定日镜精度较低，驱动时间间隔相对比较大；通过计算可以得出从日出t_出-t_落每间隔t时间太阳的高度角HS₀，HS₁，ΛHS_n，太阳的方位角AS₀，AS₁，ΛAS_n；

2)计算基于时间间隔定日镜的高度角和方位角。通过计算可以得出从日出t_出-t_落每间隔t时间定日镜高度角G₀，G₁ΛG_n和方位角分别对应为F₀，F₁ΛF_n，将G₀和F₀记为该定日镜启动初始时刻的状态；

3)计算间隔t时间定日镜高度角和方位角的相对变化量：如下所示：间隔t时间高度角相对变化量为：ΔG₁，ΔG₂，ΔG₃，Λ，ΔG_n，方位角相对变化量为：ΔF₁，ΔF₂，ΔF₃，Λ，ΔF_n，其中：

ΔG₁=G₁-G₀    ΔF₁=F₁-F₀

ΔG₂=G₂-G₁    ΔF₂=F₂-F₁

ΔG₃=G₃-G₂，  ΔF₃=F₃-F₂

     M             M

ΔG_n=G_n-G_n-1  ΔF_n=F_n-F_n-1

4)定日镜跟踪太阳的数据确定。在综合精度αmrad(α的选取与定日镜距离塔的距离有关，目的是为了让更多的定日镜反射光打在集热器上，减少溢出损失)范围内，利用算法求得适合镜场中任意一个定日镜的的跟踪数据。具体计算过程如下：

<1>记日出时刻(t_出)(或系统启动时刻)定日镜的高度角和方位角分别为G₀和F₀；

<2>确定时段值：时段内定日镜的驱动量是不变的，现计算特定时段内定日镜的驱动量(包括定日镜高度角驱动量和方位角驱动量)，令满足的精度不超过α+α′，其中α′越小，精度越高，一般取α′＝0.5mrad。计算过程如下所示：

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;G}}_r}=\frac{{\mathrm{\&Delta;G}}_1+{\mathrm{\&Delta;G}}_2+{\mathrm{\&Delta;G}}_3+\mathrm{\&Lambda;}+{\mathrm{\&Delta;G}}_r}{r},$ 其中1≤r≤n……(1)

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;F}}_r}=\frac{{\mathrm{\&Delta;F}}_1+{\mathrm{\&Delta;F}}_2+{\mathrm{\&Delta;F}}_3+\mathrm{\&Lambda;}+{\mathrm{\&Delta;F}}_r}{r},$ 其中1≤r≤n……(2)

判断依据：验证是否超过预设的精度范围(α+α′)mrad，若超过精度，则结束计算，并将前一次记为一个时段值，否则继续迭代。如下：

现用函数表示从t_出-t_落每间隔t时间光斑在集热器上的位置坐标

(x₀，y₀，z₀)=f(HS₀，AS₀，G₀，F₀)；…………………………………(3)

$(x_r,y_r,z_r)=f({\mathrm{HS}}_r,{\mathrm{AS}}_r,G_0+r\&times;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;G}},F_0+r\&times;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;F}});$ 其中1≤r≤n……(4)

由于空间三维坐标系以定日镜质心为原点，则每间隔t时间间隔的两条反射光线的夹角θ的计算如下：

$\mathrm{\&theta;}=\arccos \left(\frac{x_r\&times;x_{r+1}+y_r\&times;y_{r+1}+z_r\&times;z_{r+1}}{\sqrt{{x_r}^2+{y_r}^2+{z_r}^2}\&times;\sqrt{{x_{r+1}}^2+{y_{r+1}}^2+{z_{r+1}}^2}}\right);$ 其中1≤r≤n……(5)

如果θ<α+α′，则将r变为r+1继续执行以下步骤：

(1)→(2)→(3)→(4)→(5)；

如果θ≥α+α′，将r-1个时间间隔t作为第一个时段值，主要参数如下：

时段值：从t_出至t_出+(r-1)×t；

定日镜高度角变化量：

定日镜方位角变化量：

驱动时间间隔：t

从t_出+(r-1)×t至t_落这段时间内按照以上的<1>和<2>确定其他符合条件的定日镜驱动数据(包括时段值、高度角变化量、方位角变化量和驱动的时间间隔)。

实施例：如图1所示，显示2012年6月21日定日镜位置(-9.110125，-4.123787，80)的计算数据：

其中数据说明，以第一行为例：

6:24:15-8:51:15：表示第一个时段值范围，其中6:24:15表示系统启动时刻，8:51:15表示第一个时段结束时刻；

<98>：表示第一个时段值内的时间间隔个数，即有98个t；

DeltaH：表示第一个时段值内定日镜高度角变化量，单位是个(即脉冲数的个数)；

DeltaF：表示第一个时段值内定日镜方位角变化量，单位是个(即脉冲数的个数)；

H0、F0：表示系统启动时刻定日镜的高度角和方位角，单位是度(°)。

1)系统启动前确定镜场中任何一个定日镜工作的初始时刻和结束时刻，以及初始时刻定日镜的高度角和定日镜的方位角，为合理利用太阳能创造更优的条件；

2)系统启动前计算特定定日镜需要跟踪太阳的数据：时间间隔、时段值、定日镜高独角变化量、定日镜方位角变化量和1)中的数据；

3)提前将定日镜的高度角和方位角调整到系统启动时刻(初始时刻)，等待太阳运动到这一时刻时，正式启动定日镜控制系统；

4)从系统启动时刻开始记，定日镜的高度角和定日镜的方位角每时间间隔变化一次，高度角和方位角变化的大小与第一个时段值内定日镜的高度角变化量和方位角变化量相等，持续到第一个时段值结束，有关定日镜高度和方位角变化量符号说明如下：

高度角变化量为正，定日镜高度角增大；

高度角变化量为负，定日镜高度角减小；

方位角变化量为正，定日镜方位角顺时针变化；

方位角变化量为负，定日镜高度角逆时针变化；

5)待第一个时段值结束时刻开始，每时间间隔定日镜按第二个时段内定日镜高度角和方位角的变化量跟踪太阳；待第二个时段值结束时刻开始，每时间间隔定日镜按第三个时段内定日镜高度角和方位角的变化量跟踪太阳；……按此运行模式，直到系统结束时刻为止。

以下结合附图2对本发明的一个实施例进行详细描述：

如图2所示，t₀时刻，定日镜状态为：高度角=∠AOB，方位角=∠BOE。太阳光t₀时刻的反射光斑于集热器R₁处，保持定日镜位置不变，经过ΔT=t₁-t₀，投射太阳光斑于集热器R2处，此时正好位于控制的精度处，则需要调整定日镜的位置：高度角变化量ΔG_i=∠COD-∠AOB，方位角变化量ΔF_i＝∠BOE-∠DOE，使太阳光斑投射到R₁附近。重复此操作，直到日落系统结束工作。

Claims (4)

1.一种与机械传动相匹配的定日镜控制优化方法，基于塔式太阳能热利用系统，包括以下步骤：

第一步：确定定日镜驱动时间间隔t：基于镜场中某一特定定日镜，根据定日镜距塔底的距离确定定日镜驱动的时间间隔；距离塔较远的定日镜精度要求要高一些，驱动时间间隔相对较小，通过计算可以得出从日出t_出-t_落每间隔t时间太阳的高度角HS₀，HS₁，ΛHS_n，太阳的方位角AS₀，AS₁，ΛAS_n；

第二步：计算基于时间间隔定日镜的高度角和方位角：通过计算可以得出从日出t_出-t_落每间隔t时间定日镜高度角G₀，G₁ΛG_n和方位角分别对应为F₀，F₁ΛF_n，将G₀和F₀记为该定日镜启动初始时刻的状态；

第三步：计算间隔t时间定日镜高度角和方位角的相对变化量：

间隔t时间高度角相对变化量为：ΔG₁，ΔG₂，ΔG₃，Λ，ΔG_n，方位角相对变化量为：ΔF₁，ΔF₂，ΔF₃，Λ，ΔF_n，其中：

ΔG₁=G₁-G₀   ΔF₁=F₁-F₀

ΔG₂=G₂-G₁   ΔF₂=F₂-F₁

ΔG₃=G₃-G₂， ΔF₃=F₃-F₂

      M           M

ΔG_n=G_n-G_n-1 ΔF_n=F_n-F_n-1

第四步：定日镜跟踪太阳的数据确定：在综合精度αmrad范围内，利用算法求得适合镜场中任意一个定日镜的的跟踪数据。

2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，在特定精度下，适合定日镜传动的跟踪投射光斑的定日镜数据由以下过程计算可得：

<1>记日出时刻(t_出)(或系统启动时刻)定日镜的高度角和方位角分别为G₀和F₀；

<2>确定时段值：时段内定日镜的驱动量是不变的，现计算特定时段内定日镜的驱动量，令满足的精度不超过α+α′，其中α′越小，精度越高，一般取α′=0.5mrad，计算过程如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;G}}_r}=\frac{{\mathrm{\&Delta;G}}_1+{\mathrm{\&Delta;G}}_2+{\mathrm{\&Delta;G}}_3+\mathrm{\&Lambda;}+{\mathrm{\&Delta;G}}_r}{r},$ 其中1≤r≤n……(1)

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;F}}_r}=\frac{{\mathrm{\&Delta;F}}_1+{\mathrm{\&Delta;F}}_2+{\mathrm{\&Delta;F}}_3+\mathrm{\&Lambda;}+{\mathrm{\&Delta;F}}_r}{r},$ 其中1≤r≤n……(2)

<3>判断依据：验证是否超过预设的精度范围(α+α′)mrad，若超过精度，则结束计算，并将前一次记为一个时段值，否则继续迭代。

3.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于，每时间间隔的两条反射光线的夹角θ由以下公式计算：

现用函数表示从t_出-t_落每间隔t时间光斑在集热器上的位置坐标

(x₀，y₀，z₀)=f(HS₀，AS₀，G₀，F₀)；…………………………………(3)

$(x_r,y_r,z_r)=f({\mathrm{HS}}_r,{\mathrm{AS}}_r,G_0+r\&times;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;G}},F_0+r\&times;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;F}});$ 其中1≤r≤n……(4)

由于空间三维坐标系以定日镜质心为原点，则每间隔t时间间隔的两条反射光线的夹角θ的计算如下：

$\mathrm{\&theta;}=\arccos \left(\frac{x_r\&times;x_{r+1}+y_r\&times;y_{r+1}+z_r\&times;z_{r+1}}{\sqrt{{x_r}^2+{y_r}^2+{z_r}^2}\&times;\sqrt{{x_{r+1}}^2+{y_{r+1}}^2+{z_{r+1}}^2}}\right);$ 其中1≤r≤n……(5)。

4.根据权利要求书3所述的方法，其特征在于，根据判断每时间间隔的两条反射光线的夹角θ与综合精度的大小，确定定日镜在精度范围内的传动数据如下所示：

如果θ<α+α′，则将r变为r+1继续执行以下步骤：

(1)→(2)→(3)→(4)→(5)；

如果θ≥α+α′，将r-1个时间间隔t作为第一个时段值，主要参数如下：

驱动时间范围：从t_出至t_出+(r-1)×t；

定日镜高度角变化量：

定日镜方位角变化量：

驱动时间间隔：t

从t_出+(r-1)×t至t_落这段时间内按照以上的<1>和<2>确定其他符合条件的定日镜驱动数据。

Images