CN103019261B - 双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，通过GPS技术，在定日镜场正南方吸热塔的北方位置设定一条由东向西的线段；在定日镜上安设低频输出激光器；在东西向线段与定日镜相对应的位置处安设一个光电感应半导体平面装置以使定日镜正确“找北”；检测时，定日镜的高度角为0，设被检测定日镜在镜场中的方向角相对于镜场坐标零点为θ，在该定日镜准确“找北”以后，驱动定日镜方位角转动θ角，摄像装置也朝向该定日镜转动θ角；若定日镜所发出的激光光斑对准摄像装置内部图像处理中心坐标，则所检测的定日镜跟踪角度准确。本发明简化了定日镜方位角检测，降低镜场成本；解决定日镜“找北”和方位角检测的技术问题。

Description

双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法

技术领域

本发明涉及一种双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法。

背景技术

在光热塔式电站的建立中，利用光的直线传播原理将激光光束汇聚在定日镜前方的光电感应装置上，利用光电感应技术将光信号转化成电信号，将上述直线传播原理和光电感应技术作用到定日镜上，用以解决定日镜的归零和方位角的测量。

定日镜是针对塔式太阳能光热发电电站中，用于将太阳光束反射至吸热器腔体内部的平面镜或者球面镜，其作用是将太阳的光能转化为热能以供加热吸热器内部的工质，产生蒸汽对汽轮机做功发电。目前，普遍认为定日镜的零点即是：定日镜在不工作的情况下，其镜面法线垂直向上，对于单边镜场，其定日镜前边缘垂直朝向正南方。当零点状态标定准确时，定日镜按照程序设定的角度旋转，将太阳光斑准确的反射到吸热器上，而在定日镜按照程序设定的规律准确运动时，且理想情况下，光斑在吸热器上不发生偏转或者移动。

另外，定日镜的方位角都是以正南方为零位，向东为正，向西为负，要准确检测定日方位角，必须精确的确定定日镜的零位，即准确的给定日镜“找北”。定日镜在现场安装的过程中，使定日镜面向正南方向而无偏差是十分关键且必要的，这关系到镜子从起始零点按照程序计算出的旋转角度转动时，能否将太阳的反射光斑准确的照射在吸热器上；在定日镜运行的期间，定日镜在归位零点时也容易出现误差，当定日镜的零点位置不准确或其跟踪误差较大时，若仍然将其按照程序指令运动反射太阳光，那么，定日镜的反射光斑将偏离其照射目标点甚至完全照射到吸热器之外，造成的后果一是使吸热器内部能流梯度的分布发生异常，影响吸热器的安全运行，二是由于光斑偏出吸热器后降低了电站的效率，并对吸热器周边设施造成危害。因此，定日镜“找北”也成为了问题，这涉及到定日镜的调试和检测，为解决这一问题，目前国内还没有完善的方法，大多只是通过目测和反复校准来粗略的实现，大大浪费了时间和人力；因此，“找北”问题成了定日镜安装和调试过程中的难点。目前还没有找出一种简易可行而又价格便宜的方法来给定日镜“找北”。

除此之外，由于太阳能密度低，需要大量的聚光面积才能收集到一定功率的热量用于发电，而单个定日镜的最大面积因各种原因受到限制，使得镜场中的定日镜数量众多，这就需要数量众多的定日镜按照一定的规律排列来收集太阳光。为了保证定日镜的反射光能准确的汇聚到吸热器上，还需要对其高度角和方位角进行检测，目前在测量定日镜方位角问题上，普遍用到的方法是利用光栅编码器之类的元件来测量，而一个高精度的编码器价格达几千元，在一个数量众多的定日镜场中，每面定日镜都需要安装一个高精度编码器，由于大批量的安装，造成镜场成本大幅增加；并且，用编码器进行角度检测属于接触式，编码器寿命有限，在电站运行年限内需要定期更换，这将使定日镜场的建设和运行成本大大增加。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于直线传播原理和光电感应原理的双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，使定日镜在安装和调试时都能够准确的朝向正南正北，达到当镜子法线垂直于地面时，镜子的前边缘准确的面向正南方向；并且简化了定日镜方位角检测，降低镜场成本；解决定日镜“找北”和方位角检测的技术问题，从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，将定日镜设置成镜场，并规定定日镜准确的朝向正南方时为定日镜的零点；以地面坐标系为标准，设吸热塔底部中心坐标为原点(0,0,0)，定日镜坐标为(x,y,z)，采用如下方法进行定日镜零点的标定：

第一步，通过GPS技术，在定日镜场正南方吸热塔的北方位置设定一条由东向西的线段，线段两端点通过标定经纬度来实现，该线段垂直于镜场的X轴，并与X轴相交于M点；

第二步，在定日镜的支架上安设低频输出激光器，激光器光束与定日镜的前边缘相垂直，激光器高出镜面中心的距离为s，激光发射口离地面高度为z+s；采用重力加速度传感器检测激光器和定日镜的高度角，当两者的高度角相同时表示定日镜反射面与激光器发出的光束平行；

第三步，在东西向线段坐标为(M，y，z+s)处安设一个能接收激光器发出平行汇聚光束的光电感应半导体平面装置，其接收面的大小满足目测定日镜面向正南方位时，光斑能打入该平面内；当光斑远距离打在该平面上时，给出第一个电信号，此时表示镜子粗略归零，在该平面的中心放置第二道、直径为0.45-0.65cm的光电感应半导体平面，当光斑远距离打在该区域内时，输出第二个电信号，此时说明定日镜已经“找北”；

待上述定日镜零点标定后，采用如下方法进行检测：

首先，在吸热塔的底部、与定日镜激光器口高度相同的位置安设一能绕吸热塔的原点(0,0,0)转动的摄像装置或者图像捕获装置；

然后，通过高度角检测装置保持定日镜的反射面与地面平行，即定日镜的高度角为0，设被检测定日镜在镜场中的方位角相对于镜场坐标零点为θ，在该定日镜准确“找北”以后，驱动定日镜方位角转动θ角，摄像装置也朝向该定日镜转动θ角；若定日镜所发出的激光光斑对准摄像装置内部图像处理中心坐标，则所检测的定日镜跟踪角度准确，反之，若光斑偏移中心位置的横向距离为m，镜子和塔的距离为n，则定日镜的偏移角度θ′为： ${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}\frac{m}{n};$

最后，根据所测量出的角度误差，调整吸热器的起始位置或旋转角度θ-θ′，修正定日镜的旋转角度。

作为一种优选方式，所述定日镜采用单边镜场排布，单边镜场排布包括平行排布和圆弧排布；零点朝向正南方。

作为一种优选方式，所述定日镜采用以吸热塔为中心的环形排布方式，所述光电感应装置围成一个以吸热塔中心为圆心的圆弧或圆圈；环形排布的时候，零点朝向塔中心。

更进一步地，所述定日镜的传动方式为双轴跟踪定日镜。

更进一步地，在摄像装置的云台上安装高精度高度角检测装置。

更进一步地，驱动定日镜方位角转动采用外接步进电机。

本发明的工作过程为：本发明利用光线的直线传播以及光电感应原理准确表示定日镜的零点位置，以北半球单边镜场为例，使定日镜能够正确的朝向地球的正南方，并间接的标定了定日镜旋转方位角，不用编码器的方式使镜子精确反射太阳光。

定日镜上面安装一个平行于镜面的激光装置，使其发出的聚焦光束平行镜面且垂直定日镜的前方边缘；在定日镜的正南方向且激光装置的同等高度处，安装一个光电感应装置，使得当定日镜正对正南方的时候，其上的聚焦光束正好打中光电感应装置的中心位置，实现“找北”。

在定日镜正确朝向正南方向以后，为了测量定日镜的精度，首先假设当定日镜正对塔时定日镜偏离正南方向的角度为θ，则控制定日镜的程序给定一个使定日镜旋转θ角的指令，若定日镜精度准确，则定日镜会按照指令旋转一个θ角，此时定日镜上的激光装置发出的聚焦光束会准确的照射在吸热塔下的摄像装置或者图像捕获装置光电感应装置的中心处；若定日镜精度有误差，则实际上定日镜旋转了θ-θ′的角度；再根据其旋转的角度误差，调整吸热器的起始位置或旋转角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，利用该法检测定日镜方位角将检测变的简易，并大大降低镜场成本；具体来说，具备以下优点：

1)、通过直线传播原理，用标定经纬度的方法确定一条与定日镜相对应的准确的点，通过远距离标定光斑的方法，能够精准的确定定日镜的零点位置；

2)、当在建设镜场的定日镜安装过程中，可以对定日镜的准确安装进行标定；

3)、当在镜场使用过程中，对定日镜组进行大范围调试和检测，可以通过该装置输出的信号判断定日镜是否正确朝向正北，定日镜是否略有偏差，从而对有偏差的定日镜进行调节、修正；

4)、此方法的应用不受日照条件的限制，可以在阴雨天或晚上对定日镜方位角度进行检测；

5)、采用此方法检测角度，可以避免采用价格较高的绝对值编码器元件；

6)、这种检测角度的方法属于非接触、间隔式测量，仪器的使用寿命长；

7)、通过测量激光器投射到光电感应器或图像捕捉器上的偏移位置，该方法也可以用于检测定日镜在方位角上的跟踪精度。

附图说明

图1是本发明实施例的坐标示意图；

图2是本发明实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例的结构示意图之二；

图4是本发明激光装置的安装示意图。

其中：1是镜场所占的地面范围，2是指在镜场中为了标定东西线段所画的标识线，3是光电感应装置，4是光束，5是激光装置，6是定日镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。

一种双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，将定日镜以单边平行的方式成排排布镜场，所排定日镜为双轴跟踪定日镜为例，在安装与调试过程中，使定日镜在零点时准确的朝向正南方，以地面坐标系为标准，设吸热塔底部中心坐标为(0,0,0)，定日镜坐标为(x,y,z)，采用如下方法进行定日镜方位角的标定：

第一步，目前，利用GPS卫星导航技术已很容易达到准确测量地球上任意位置的经度和纬度。因此，本发明通过GPS技术，在定日镜场正南方吸热塔的北方位置设定一条由东向西的线段，线段两端点通过标定经纬度来实现，该线段垂直于镜场的X轴，并与X轴相交于M点；

第二步，在定日镜的支架上安设低频输出激光器，作为其他选择，也可选择能够发出远程平行汇聚光束的光学仪器。选用的激光器最好是便携式仪器。激光器光束与定日镜的前边缘相垂直，激光器高出镜面中心的距离为s，激光发射口离地面高度为z+s；采用重力加速度传感器检测激光器和定日镜的高度角，当两者的高度角相同时表示定日镜反射面与激光器发出的光束平行；

第三步，在东西向线段坐标为(M，y，z+s)处安设一个能接收激光器发出平行汇聚光束的光电感应半导体平面装置，其接收面的大小满足目测定日镜面向正南方位时，光斑能打入该平面内；当光斑远距离打在该平面上时，给出第一个电信号，此时表示镜子粗略归零，在该平面的中心放置第二道、直径为0.45-0.65cm的光电感应半导体平面，或者作为其他的选择还可以用符号标记中心位置区域，当光斑远距离打在该区域内时，输出第二个电信号，此时说明定日镜已经找到了“北”；

待上述定日镜方位角标定后，采用如下方法进行检测：

首先，在吸热塔的底部、与定日镜激光器口高度相同的位置安设一能绕吸热塔的原点转动的摄像装置，在摄像装置的云台上安装高精度高度角检测装置；

然后，通过高度角检测装置保持定日镜的反射面与地面平行，即定日镜的高度角为0，设被检测定日镜在镜场中的方向角相对于镜场坐标零点为θ，在该定日镜准确“找北”以后，利用外接步进电机驱动定日镜方位角转动θ角，摄像装置也朝向该定日镜转动θ角；若定日镜所发出的激光光斑对准摄像装置内部图像处理中心坐标，则所检测的定日镜跟踪角度准确，反之，若光斑偏移中心位置的横向距离为m，镜子和塔的距离为n，则定日镜的偏移角度θ′为： ${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}\frac{m}{n};$

最后，根据所测量出的角度误差，调整吸热器的起始位置或旋转角度θ-θ′，修正定日镜的旋转角度。

作为其他的选择方式，所述定日镜还可采用圆弧排布的单边镜场方式，零点也朝向正南方；或者，定日镜采用以吸热塔为中心的环形排布方式，所述光电感应装置围成一个以吸热塔中心为圆心的圆弧或圆圈；环形排布的时候，零点朝向塔中心。

实施例：

其中：1是指镜场所占的地面范围；2是指在镜场中为了标定东西线段所画的标识线；3是光电感应装置；4是激光装置发射出的光束；5是发射激光的激光装置；6是定日镜。

如图1所示，利用GPS卫星导航技术达到准确测量地球上任意位置的经度和纬度，AB线段是GPS找到的地面东西向的直线，在该直线上可以确定任意一个坐标点。图中，定日镜6的坐标系中的坐标位置为：(-100,100，6)，假设激光装置高出定日镜0.1米，则激光器的坐标位置为：(-100,100,6.1)，假设光电转换装置的位置为：(20,100,6.1)。

如图2、图4所示，首先，以单边平行式排布镜场，所排定日镜以双轴定日镜为例，在安装与调试过程中，将每排定日镜在零点时准确的朝向正南方，其整个镜场所占的地面范围为图2中1圈示的范围，并且在镜场中为了标定东西线段，通过GPS技术，准备画出标识线2，线段两端点通过标定经纬度来实现，这样较为准确。设该线段垂直于镜场的X轴，并于X轴相交于M点。设被测的定日镜的坐标即已确定。

由于光电感应刚好在定日镜的正南方，故定日镜上面的激光装置5发出的光束被4被正前方的光电感应装置3接收，光线准直达到，说明定日镜朝向正南方。

如图3、图4所示，想要使定日镜朝向塔中心，则可将光电感应装置或者一个摄像装置置于塔中心处，利用光线的直线传播原理，检测镜子是否朝向该处；激光朝向的位置，即是定日镜朝向的准确位置，其是由于激光投射的方向和镜子前边缘面对的方向完全相同，所以激光指示的方向，就说明是镜子的朝向，若是想要镜子按照一定的方位角旋转以后能够投射在吸热塔下的摄像装置内部，那么只有激光打入摄像装置，才能判断镜子已经准确无误的照射在该方向处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，其特征在于：将定日镜设置成镜场，并规定定日镜准确的朝向正南方时为定日镜的零点；以地面坐标系为标准，设吸热塔底部中心坐标为原点(0,0,0)，定日镜坐标为(x,y,z)，采用如下方法进行定日镜零点的标定：

第一步，通过GPS技术，在定日镜场正南方吸热塔的北方位置设定一条由东向西的线段，线段两端点通过标定经纬度来实现，该线段垂直于镜场的X轴，并与X轴相交于M点；

第二步，在定日镜的支架上安设低频输出激光器，激光器光束与定日镜的前边缘相垂直，激光器高出镜面中心的距离为s，激光发射口离地面高度为z+s；采用重力加速度传感器检测激光器和定日镜的高度角，当两者的高度角相同时表示定日镜反射面与激光器发出的光束平行；

第三步，在东西向线段坐标为(M，y，z+s)处安设一个能接收激光器发出平行汇聚光束的光电感应半导体平面装置，其接收面的大小满足目测定日镜面向正南方位时，光斑能打入该平面内；当光斑远距离打在该平面上时，给出第一个电信号，此时表示镜子粗略归零，在该平面的中心放置第二道、直径为0.45-0.65cm的光电感应半导体平面，当光斑远距离打在该区域内时，输出第二个电信号，此时说明定日镜已经“找北”；

待上述定日镜零点标定后，采用如下方法进行检测：

首先，在吸热塔的底部、与定日镜激光器口高度相同的位置安设一能绕吸热塔的原点(0,0,0)转动的摄像装置或者图像捕获装置；

然后，通过高度角检测装置保持定日镜的反射面与地面平行，即定日镜的高度角为0，设被检测定日镜在镜场中的方位角相对于镜场坐标零点为θ，在该定日镜准确“找北”以后，驱动定日镜方位角转动θ角，摄像装置也朝向该定日镜转动θ角；若定日镜所发出的激光光斑对准摄像装置内部图像处理中心坐标，则所检测的定日镜跟踪角度准确，反之，若光斑偏移中心位置的横向距离为m，镜子和塔的距离为n，则定日镜的偏移角度θ′为：

最后，根据所测量出的角度误差，调整定日镜的起始位置或旋转角度θ-θ′，修正定日镜的旋转角度。

2.如权利要求1所述的双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，其特征在于：所述定日镜采用单边镜场排布，单边镜场排布包括平行排布和圆弧排布。

3.如权利要求1所述的双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，其特征在于：所述定日镜采用以吸热塔为中心的环形排布方式，所述光电感应装置围成一个以吸热塔中心为圆心的圆弧或圆圈。

4.如权利要求2或3所述的双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，其特征在于：所述定日镜的传动方式为双轴跟踪定日镜。

5.如权利要求4所述的双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，其特征在于：在摄像装置的云台上安装高精度高度角检测装置。

6.如权利要求4所述的双轴跟踪定日镜方位角标定和检测方法，其特征在于：驱动定日镜方位角转动采用外接步进电机。