CN102997453B

CN102997453B - 塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法

Info

Publication number: CN102997453B
Application number: CN201210478310.5A
Authority: CN
Inventors: 王涛明; 周永福; 马贵鹏; 姚成生; 牛震宇; 汪腾飞; 王泽华; 陆栋; 锁兴亚; 冷贯南; 刘晓光
Original assignee: NINGXIA PHOTOSYNTHETIC ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shanxi Xike Boer Special Materials Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: CN102997453A

Abstract

本发明涉及一种塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法，利用相关数学模型建立各定日镜高度角和方位角变化数据清单，确保任一时刻定日镜能够精确跟踪太阳并投射光斑至集热器指定位置，通过找到发生机械误差后定日镜面质心位置并予以该位置新的跟踪模型的方法，消除该定日镜产生的机械误差，在满足可控精度的条件下，给出一种与机械传动相匹配的定日镜控制数据优化方法，包容控制系统机械误差生产的影响，降低系统成本，提高系统可靠性。

Description

塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法

技术领域

本发明涉及塔式太阳能集热系统技术领域，特别是一种塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法。

背景技术

塔式太阳能集热装置中，一般采用双轴驱动的定日镜控制方法，依据太阳运行轨迹相关数据，建立由镜场及单个定日镜跟踪与投射控制数学模型、机械误差校准数学模型以及工程优化数学模型等控制方法组成的体系。该方法、体系的功能与质量将直接影响塔式太阳能集热系统的太阳能收集能力与效果。但是，目前双轴驱动式定日镜的控制方法与系统存在以下问题：

1)定日镜跟踪控制模型尚有较大改进空间。由于现有技术中跟踪控制模型设计还存在一些缺陷且操作过程复杂，致使成本增高。

2)机械误差校准不完全。现有技术只是针对某一时刻的机械误差进行了校正，但不能实现任一时段跟踪行程的机械误差校准功能，即除机械误差被校准的时刻之外，其他时刻定日镜仍然存在机械误差致使投射光斑误差较大，要对其再次进行校准，所需时间较多，成本增大。

3)在精确控制理论值与现行传动机构组合框架下如何优化控制方法。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。即其如何优化该模式下的控制方法仍有较大研究余地。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法，实现定日镜精确投射光斑、完全校准机械误差、与机械传动相匹配的定日镜控制模型优化。

本发明按照下述方案实现：塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法，利用相关数学模型建立各定日镜高度角和方位角变化数据清单，确保任一时刻定日镜能够精确跟踪太阳并投射光斑至集热器指定位置，通过找到发生机械误差后定日镜面质心位置并予以该位置新的跟踪模型的方法，消除该定日镜产生的机械误差，在满足可控精度的条件下，给出一种与机械传动相匹配的定日镜控制数据优化方法，包容控制系统机械误差生产的影响，降低系统成本，提高系统可靠性；

控制投射光斑位置包括以下步骤：

(1)以定日镜镜面中心为坐标原点，建立三维空间坐标系，并以正北方向为定日镜跟踪投射太阳光斑的基准点；

(2)设定一集热器用于接受定日镜所投射的太阳光斑；

(3)选取高精度精密测量仪器测得定日镜相对集热器在三维空间中所处地理位置坐标以及集热器中心点距定日镜镜面中心点的垂直距离；

(4)选取一种高精度太阳位置定位系统用于获取太阳的高度角和方位角；

(5)将上述所述的定日镜地理位置坐标(x，y)、集热器中心点距定日镜镜面中心点的垂直距离h及太阳的高度角HS、方位角AS代入定日镜高精度投射太阳光斑算法中，经过上位机控制系统精确运算出定日镜高度角和方位角。

特定地理坐标系下的任意时刻的定日镜高度角和方位角的计算公式如下：

公式中的坐标(x，y)是定日镜相对集热器所处位置的坐标；h表示集热器中心点距离定日镜的垂直距离；HN表示定日镜镜面中心高度角；FN表示定日镜镜面中心方位角；

定日镜机械误差校准的方法是利用摄像机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置，光斑的质心位置与指定位置相比较，如有偏差，说明定日镜发生了机械误差，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑时定日镜的高度角和方位角以及定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标，通过计算模型推算出发生偏差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标，将定日镜质心的偏移量，通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，建立新的定日镜中心点，并在以此为原点的坐标系下确定集热器指定的位置坐标，以发生机械误差后的定日镜为基准，再次计算发送至该定日镜跟踪并投射光斑的数据，达到高效率跟踪并且投射太阳光斑的目的。

发生机械误差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标由以下模型推导得到：

x_{0} = a_{0} - \frac{- b + \sqrt{b^{2} - 4 \times a \times c}}{2 \times a} \times ω_{1} . . . (1)

y_{0} = b_{0} - \frac{- b + \sqrt{b^{2} - 4 \times a \times c}}{2 \times a} \times ω_{2} . . . (2)

z_{0} = h_{0} - \frac{- b + \sqrt{b^{2} - 4 \times a \times c}}{2 \times a} \times ω_{3} . . . (3)

其中，(1)、(2)和(3)式中的变量a，b，c由以下公式计算

a=ω₁ ²+ω₂ ²-ω₃ ²…………………………………………………(4)

b=(2×l+2×h₁)×ω₃-2×a₀×ω₁-2×b₀×ω₂…………………………(5)

c=a₀ ²+b₀ ²-h₀ ²-2×l×h₀…………………………………………(6)

其中，(4)、(5)和(6)式中的变量ω₁，ω₂，ω₃由以下公式计算

其中，(7)、(8)和(9)式中的变量由以下公式计算

以上公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)中符号的解释说明如下所示：

HS：表示太阳的高度角，即太阳光线与水平面(地面)之间的夹角(或太阳光线与竖直方向之间的夹角90°-HS)，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

AS：表示太阳的方位角，即太阳光线在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°(或-180°至180°)；

G：表示定日镜的高度角，即定日镜的法线与水平面(地面)的夹角(或定日镜面与水平面的夹角(90°-G))，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

F：表示定日镜的方位角，即定日镜法线(或定日镜面)在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°或(-180°至180°)；

l：表示定日镜支架的高度，即定日镜中心点与水平面(地面)之间的垂直距离(最短距离)，单位是米(m)；

ω₁，ω₂，ω₃，表示计算过程中涉及的中间变量，没有实际意义；

a₀，b₀，h₀：表示摄像机拍摄偏移光斑的质心点坐标，即光斑质心点相对于以发生机械误差前定日镜质心点为坐标原点的空间直角坐标系中的坐标为(a₀，b₀，h₀)，单位是米(m)；

x₀，y₀，z₀：表示相对于原来坐标系下定日镜新的中心点的位置，单位是米；

与机械传动相匹配的定日镜控制优化方法包括以下步骤：

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０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。

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：

\overset{&OverBar;}{{ΔG}_{r}} = \frac{{ΔG}_{1} + {ΔG}_{2} + {ΔG}_{3} + Λ + {ΔG}_{r}}{r},

其中1≤r≤n……(1)

\overset{&OverBar;}{{ΔF}_{r}} = \frac{{ΔF}_{1} + {ΔF}_{2} + {ΔF}_{3} + Λ + {ΔF}_{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。

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 ({HS}_{r}, {AS}_{r}, G_{0} + r \times \overset{&OverBar;}{ΔG}, F_{0} + r \times \overset{&OverBar;}{ΔF});

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：

θ = \arccos (\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}}});

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。定日镜距塔底距离的大小保证了跟踪的精度。时段值数量少，时段值内的变化量相等，减少了计算机与定日镜之间的通信次数。

本发明有如下益处：其一，利用相关数学模型建立各定日镜高度角和方位角变化数据清单，确保任一时刻定日镜能够精确跟踪太阳并投射光斑至集热器指定位置。其二，通过找到发生机械误差后定日镜面质心位置并予以该位置新的跟踪模型的方法，消除了该定日镜产生的机械误差。其三，在满足可控精度的条件下，给出一种与机械传动相匹配的定日镜控制数据优化方法，包容控制系统机械误差生产的影响，降低系统成本，提高系统可靠性。

附图说明

图12012年10月21日定日镜位于(20，30，80)处高度角变化曲线；表示结合实例x=20，y=30，h=80定日镜镜面中心高度角变化曲线图；

图22012年10月21日定日镜处在(10，20，80)处方位角变化曲线；表示结合实例x=20，y=30，h=80定日镜镜面中心方位角变化曲线图；

图3是本发明定日镜高精度投射光斑系统示意图。图中：1-上位机控制器；2-下位机控制器；3-定日镜微处理器；4-伺服电机；5-定日镜镜面；6-集热塔；7-集热器；8-光源。

图4是本发明定日镜机械误差校准方法流程示意图；

图5是本发明定日镜机械误差校准装置示意图。图中：5-1-发生机械误差后定日镜质心位置；5-2-未校准机械误差前定日镜质心位置；5-3-校准面上实际光斑位置；5-4-集热器中心点；5-5-校准面的中心点；5-6-计算机；5-7-照相机(或摄像机)。

图6是本发明定日镜控制优化方法一个时间点的实际计算数据表；

图7是本发明定日镜控制优化方法一个定日镜角度变化示意图。

具体实施方式

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/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。

如图3所示：定日镜高精度聚焦投射光斑系统，包括数学模型和定日镜系统，在该系统中提前在上位机控制器(1)中输入当地经纬度和海拔高度以及当天日期，通过上位机控制器(1)所编写的软件，运行输出太阳日出时刻的高度角和方位角，进一步输入定日镜所处位置坐标任然通过上位机控制器(1)输出定日镜镜面中心高度角和方位角，将输出的信息发送至下位机控制器(2)，下位机控制器(2)接收信息后解释成相应时序信号后发送至定日镜微处理器(3)，定日镜微处理器(3)获取指令后控制伺服电机(4)执行指令，伺服电机(4)按照指令驱动定日镜支撑机构快速精确运转至定日镜在日出时刻所对应的定日镜镜面中心高度角和方位角，当光源(8)到达日出时刻，定日镜面开始聚焦并反射太阳辐射量至集热塔(6)内的指定点位置，在光源(8)运动的过程中，通过该系统发送指令驱动定日镜聚焦投射光斑至集热塔(6)内直到光源(8)日落，当光源(8)日落后，停止对定日镜发送驱动指令并将定日镜归位；集热塔用于支撑集热器。

本发明结合实例进行了验证，其中，坐标取值分别为x=20，y=30，h=80并且取2012年10月21日太阳的高度角和方位角，发现满足需求；上述坐标单位为米。

时间	定日镜高度角	定日镜方位角
			8:10:0	39.067666	122.502479
9:10:0	43.693067	130.562718
			10:10:0	47.787514	139.754322
11:10:0	51.146910	150.256084
			12:10:0	53.548730	162.070486
13:10:0	54.787525	174.893288
			14:10:0	54.740185	188.088904
15:10:0	53.420132	200.886584
			16:10:0	50.975050	212.692412
17:10:0	47.636237	223.264613

绘制的曲线如附图1和附图2所示。

发生机械误差后的控制如图4、图5所示，步骤为：第一步：基于定日镜实时跟踪太阳，利用照相机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置：

其一，通过摄像机观察到光斑的质心位置与指定位置吻合(重合)，说明没有误差；

其二，通过摄像机观察到光斑的质心位置与指定位置有偏差(不重合)，说明跟踪过程中出现了误差，此误差来源于机械误差。

第二步：用摄像机拍摄集热器上实际光斑，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑定日镜的高度角和方位角、定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标；

第三步：图像分析。利用图像分析的方法计算第二步拍摄的集热器上实际光斑质心点坐标；

第四步：利用以下公式计算定日镜实际中心点的位置坐标，如下：

x_{0} = a_{0} - \frac{- b + \sqrt{b^{2} - 4 \times a \times c}}{2 \times a} \times ω_{1} . . . (1)

y_{0} = b_{0} - \frac{- b + \sqrt{b^{2} - 4 \times a \times c}}{2 \times a} \times ω_{2} . . . (2)

z_{0} = h_{0} - \frac{- b + \sqrt{b^{2} - 4 \times a \times c}}{2 \times a} \times ω_{3} . . . (3)

其中，(1)、(2)和(3)式中的变量a，b，c由以下公式计算

a=ω₁ ²+ω₂ ²-ω₃ ²……………………………………………………(4)

b=(2×l+2×h₀)×ω₃-2×a₀×ω₁-2×b₀×ω₂……………………(5)

其中，(7)、(8)和(9)式中的变量由以下公式计算

HS：表示的是太阳的高度角，即太阳光线与水平面(地面)之间的夹角(或太阳光线与竖直方向之间的夹角90°-HS)，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

x₀，y₀，z₀：表示相对于原来坐标系下定日镜新的中心点的位置，单位是米(m)。

第五步：坐标系转换。将定日镜质心的偏移量通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，基于以新的定日镜中心点为原点的坐标系下确定集热器中心的位置坐标；

第六步：基于新的定日镜中心点坐标，继续实时跟踪太阳。

以上的过程如图5所示。

实施例：

1)用摄像机拍摄集热器位置，检验经定日镜反射的光斑是否打在集热器的指定位置，如果打在光斑处在目标点的位置，则证明没有发生机械误差；否则，拍摄光斑在集热器上实际位置图像，如图5所示；

2)用图像分析的方法的找到所拍实际光斑的中心位置作为利用以上数学模型的已知条件；

记录数据：包括定日镜的高度角和方位角、太阳的高度角和方位角、指定点的位置坐标和实际点的位置坐标；将这些数据同样作为数学模型的已知条件；

4)使用数学模型进行新的指定点位置的计算：

假设定日镜质心发生机械误差，利用拍摄的实际光斑计算出新的质心位置，并且通过坐标变换得到新的指定点的实际位置坐标，校准之后再找机会拍摄光斑的图像，如果光斑投射到指定点处，机械误差已校准，否则重新拍照重复1)、2)、3)步，直到光斑投射在指定点处为止；

5)若以上校准完毕之后发现光斑仍然未打在指定点处，说明定日镜没有发生机械误差，导致这个现象的原因可能是其他原因。

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：

<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：

\overset{&OverBar;}{{ΔG}_{r}} = \frac{{ΔG}_{1} + {ΔG}_{2} + {ΔG}_{3} + Λ + {ΔG}_{r}}{r},

其中1≤r≤n……(1)

\overset{&OverBar;}{{ΔF}_{r}} = \frac{{ΔF}_{1} + {ΔF}_{2} + {ΔF}_{3} + Λ + {ΔF}_{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：

{(x}_{r}, y_{r}, z_{r}) = f ({HS}_{r}, {AS}_{r}, G_{0} + r \times \overset{&OverBar;}{ΔG}, F_{0} + r \times \overset{&OverBar;}{ΔF});

其中1≤r≤n……(4)

θ = \arccos (\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}}});

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)；

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6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(°)。

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；

以下结合附图7对本发明的一个实施例进行详细描述：

如图7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

1.塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法，利用相关数学模型建立各定日镜高度角和方位角变化数据清单，确保任一时刻定日镜能够精确跟踪太阳并投射光斑至集热器指定位置，通过找到发生机械误差后定日镜面质心位置并予以该位置新的跟踪模型的方法，消除该定日镜产生的机械误差，在满足可控精度的条件下，给出一种与机械传动相匹配的定日镜控制数据优化方法，包容控制系统机械误差生产的影响，降低系统成本，提高系统可靠性；

控制投射光斑位置包括以下步骤：

(1)以定日镜镜面中心为坐标原点O，以正北方向为X轴，正东方向为Y轴，垂直于XOY面竖直向上为Z轴建立三维空间坐标系，并以正北方向为定日镜跟踪投射太阳光斑的基准点；

(2)设定一集热器用于接受定日镜所投射的太阳光斑；

(5)将上述所述的定日镜地理位置坐标(x,y)、集热器中心点距定日镜镜面中心点的垂直距离h及太阳的高度角HS、方位角AS代入定日镜高精度投射太阳光斑算法中，经过上位机控制系统精确运算出定日镜高度角和方位角；

定日镜机械误差校准的方法是利用摄像机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置，光斑的质心位置与指定位置相比较，如有偏差，说明定日镜发生了机械误差，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑时定日镜的高度角和方位角以及定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标，通过计算模型推算出发生偏差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标，将定日镜质心的偏移量，通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，建立新的定日镜中心点，并在以此为原点的坐标系下确定集热器指定的位置坐标，以发生机械误差后的定日镜为基准，再次计算发送至该定日镜跟踪并投射光斑的数据，达到高效率跟踪并且投射太阳光斑的目的；

其中，(1)、(2)和(3)式中的变量a,b,c由以下公式计算

a＝ω₁ ²+ω₂ ²-ω₃ ²…………………………………………………(4)

b＝(2×l+2×h₀)×ω₃-2×a₀×ω₁-2×b₀×ω₂…………………………(5)

c＝a₀ ²+b₀ ²-h₀ ²-2×l×h₀…………………………………………(6)

其中，(4)、(5)和(6)式中的变量ω₁,ω₂,ω₃由以下公式计算

ω₁＝2×φ×cos(G)×sin(F)-cos(HS)×sin(AS)……………………(7)

ω₂＝2×φ×cos(G)×cos(F)-cos(HS)×cos(AS)……………………(8)

ω₃＝2×φ×sin(G)-sin(HS)………………………………………(9)

其中，(7)、(8)和(9)式中的变量φ由以下公式计算

φ＝cos(HS)×sin(AS)×cos(G)×sin(F)+

…………(10)

cos(HS)×cos(AS)×cos(G)×cos(F)+sin(HS)×sin(G)

HS:表示太阳的高度角，即太阳光线与水平面(地面)之间的夹角(或太阳光线与竖直方向之间的夹角90°-HS)，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

ω₁,ω₂,ω₃,φ：表示计算过程中涉及的中间变量，没有实际意义；

a₀,b₀,h₀：表示摄像机拍摄偏移光斑的质心点坐标，即光斑质心点相对于以发生机械误差前定日镜质心点为坐标原点的空间直角坐标系中的坐标为(a₀,b₀,h₀),单位是米(m)；

x₀,y₀,z₀：表示相对于原来坐标系下定日镜新的中心点的位置，单位是米。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于与机械传动相匹配的定日镜控制优化方法包括以下步骤：

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,…HS_n，太阳的方位角AS₀,AS₁,…AS_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,G₁…G_n和方位角分别对应为F₀,F₁…F_n，将G₀和F₀记为该定日镜启动初始时刻的状态；

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

ΔG₁＝G₁-G₀ ΔF₁＝F₁-F₀

ΔG₂＝G₂-G₁ ΔF₂＝F₂-F₁

ΔG₃＝G₃-G₂，ΔF₃＝F₃-F₂

· ·

ΔG_n＝G_n-G_n-1 ΔF_n＝F_n-F_n-1

3.如权利要求2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)定日镜的高度角和方位角分别为Go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：

其中1≤r≤n……(1)

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。

4.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：

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

其中1≤r≤n……(4)

其中1≤r≤n……(5)。

5.根据权利要求书4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