CN103135521A - 用于控制和校正太阳能发电塔系统的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明为用于控制和校正太阳能发电塔系统的方法和系统，一个太阳能收集系统可包括配置为将阳光反射至安装于塔上目标的多个定日镜。每一定日镜可具有一个配置为控制一个各自定日镜将阳光从中反射至多个摄像机中至少一个摄像机的定日镜控制器。摄像机可定向于形成定日镜图像。一个第二控制器可配置为从其中的捕获图像，计算定义定日镜表面几何图形的几何数据。几何数据可指明表面的多个分区。第二控制器的计算可包括存储指出获取图像分区对应于定日镜多个分区的数据。第二控制器还可计算指出每一所述定日镜的每一所述分区的各自表面法线的数据。

Description

用于控制和校正太阳能发电塔系统的方法和系统

技术领域

本发明一般涉及将太阳辐射转化为可用的能源形式，例如热和/或电，更特别而言，涉及用于通过确定定日镜的精确形状以控制和校正太阳能收集系统的方法和系统。

发明内容

在此公开了用于在基于太阳能的发电系统中为太阳能接收器或接收器部件提供预定热分布（thermal profile）如均匀太阳能热通量分布的系统和方法。

太阳能发电系统可具有热-电发电组件，在这个组件中，入射的太阳辐射集中在太阳能热接收器上以加热用于发电的传热流体或者工作流体。安装了定日镜的镜子区域可将入射的太阳辐射反射和集中至太阳能接收器。为了能提供对太阳能发电系统的良好控制，知道入射至接收器上每一点的太阳能通量的总量很重要。知道此信息将允许计算传输至接收器上任一点上的工作流体的热量。

本公开还涉及直接监视基于太阳能的发电系统中太阳能接收器的能量通量的方法、系统和装置。在运行包括太阳能接收器的太阳能发电系统时，希望例如通过测量或计算得知传输给流经接收器的传热流体的能量数量，该能量通常以每单位面积的能量表示，其实质上即每单位面积捕获到的能量，或通量。在接收器表面上通量可能会改变。可以总体定义接收器的总通量，这可以是捕获并传递给传热流体的所有能量的总和。

摄像机可以用来确定定日镜的形状，这于是可用于特征化所反射光束和/或所反射光束横截面的属性以确定投射光束属性。在一些示例中，形状或横截面面积的测量可以源自由摄像机获得的数据。在另一个示例中，从该数据可以得到测量反射光束横截面上不同位置的通量强度的通量强度图。此外，定日镜的形状可用于确定形心位置，据此，定日镜可被进行相应的校正。

通过知道定日镜的确切形状，可获得对接收器上入射通量的精确控制，这将直接导致整体更有效的系统。

一些实施例涉及太阳能收集系统，该太阳能收集系统可以包括多个被配置为将阳光反射至安装于塔上的目标的定日镜。每个定日镜可包括定日镜控制器，其被配置为控制多个定日镜中相应的定日镜，使得从定日镜反射的阳光被引向多个摄像机中的至少一个摄像机。所述多个摄像机被定向成对所述多个定日镜中相应的定日镜进行成像。所述系统进一步包括第二控制器，其被配置为根据所捕获的相应定日镜图像来计算几何数据，该几何数据定义相应定日镜表面的几何形状，所述几何数据指明所述表面的多个分区。所述计算包含：存储指出所捕获图像的、与相应定日镜的多个分区对应的部分的数据。第二控制器进一步被配置为计算指出每个所述相应定日镜的每个所述分区的各自表面法线的数据。

多个摄像机可安装在塔上。在一些示例中，多个摄像机和目标都安装于同一个塔上。多个摄像机可以包括防热盾和滤光器中的至少一个。多个摄像机被配置为捕获多个定日镜的图像。例如，多个摄像机可捕获相应定日镜的至少两个图像，使得针对像定日镜的每个附加的图像，定日镜控制器控制相应的定日镜以偏移至不同的位置。在一些实施例中，定日镜控制器可以被配置为以仰角轴上大约1.25毫弧度的角距离和/或在方位轴上大约1.25毫弧度的角距离偏移定日镜。

在一些实施例中，所捕获图像的每个像素可定义所述多个分区的不同分区。在另一些实施例中，所捕获图像的每个分区是所捕获图像的单个像素。

根据实施例，第二控制器可被配置为至少部分基于每个分区的计算出的表面法线，估计对于相应定日镜的每个分区共同的至少一个几何参数。第二控制器也可以被配置为至少部分基于每个分区的计算得到的表面法线和相应定日镜的至少一个标称几何参数，估计对于相应定日镜的每个分区共同的至少一个几何参数。

一些实施例涉及运行太阳能收集系统的方法。该方法可包括：在第一时间，控制多个定日镜将阳光反射至安装于塔上的接收器。在不同于第一时间的第二时间，该方法可包括：控制多个定日镜中至少一个定日镜将阳光反射至摄像机；获取所述多个定日镜中至少一个定日镜的多个图像；将所述多个图像中的每个图像细分成多个分区，并且计算指出多个分区中每一分区分配给所述多个定日镜中至少一个定日镜的特定区域的对应数据；以及响应于所述多个图像，计算指出多个定日镜中至少一个定日镜的每一特定区域的表面法线的几何数据。

获取多个图像的步骤可以包括以仰角轴上大约1.25毫弧度和/或在方位轴上大约1.25毫弧度的角距离偏移定日镜，并在每次的定向偏移后获取图像。

该方法可进一步包括：响应于每一特定区域的表面法线，估计对于多个定日镜中至少一个定日镜的每一特定区域共同的至少一个几何参数。响应于估计出的几何参数，响应于至少一个几何参数，定日镜可被定向成将阳光反射至接收器。所述估计还可基于多个定日镜中至少一个定日镜的标称几何参数。在一些实施例中，基于计算出的几何数据计算定日镜形状。

一些实施例涉及控制太阳能收集系统的方法。该方法包括：捕获多个定日镜中第一定日镜的图像；将图像细分成多个分区，并计算指出将所述多个分区中的每个分区分配至第一定日镜的特定区域的对应数据；计算第一定日镜的每个特定区域的表面法线；并至少部分基于计算第一定日镜的每个特定区域的表面法线，计算以塔为基底的接收器（塔基接收器）的外表面上太阳能通量分布。

该方法可进一步包括：至少部分基于太阳能通量分布的计算，将定日镜定向成将入射的太阳辐射反射至接收器外表面上的瞄准点。计算太阳能通量的步骤可进一步包括估计从定日镜反射至接收器外表面的光束的形状。

进一步的实施例涉及一种运行太阳能收集系统的方法。该方法可以包括：在第一时间控制多个定日镜将阳光集中在一个接收器上，该接收器安装于塔上。在不同于第一时间的第二时间，该方法可以包括：控制摄像机和多个定日镜中的第一定日镜，以利用摄像机形成定日镜中反射的太阳的多个图像；处理多个图像中的每个图像且计算多个图像中所述每个图像的多个分区中每一分区的反射数据；计算将第一定日镜的区域映射至分区中相应分区的分配数据；并响应于反射数据，计算指出每一区域的表面法线的数据。

从结合附图考虑以下具体描述中将明白本发明的目的和优点。

附图说明

本发明的主旨由说明书的总结部分特别指出和明确声明。但是，参考结合附图给出的以下详细说明，能够很好地理解本发明（关于组织和操作方法二者）及其目的、特征和优点。

在适当的位置，类似标号用于指示附图中类似的部件。除非另有说明，附图并非按比例绘制。

图1-2为根据所公开主题的一个或更多实施例的、多个定日镜和中心发电塔的示意性正视图。

图3为根据所公开主题的一个或更多实施例的、分级式中心定日镜控制系统的图示。

图4为根据所公开主题的一个或更多实施例的、带有摄像机的中心太阳能发电系统的示意性正视图。

图5为根据所公开主题的一个或更多实施例的、将定日镜细分为多个单独部件的图示。

图6A示出根据所公开主题的一个或更多实施例的、定日镜朝向不同定向角时的多个快照。

图6B和图6C为根据所公开主题的一个或更多实施例的定日镜的图示，其中标识出该定日镜的、将光反射至摄像机的部件。

图7为根据所公开主题的一个或更多实施例的、示出针对定日镜的特定划分/部件下该定日镜朝向的定向图。

图8A-B为根据所公开主题的一个或更多实施例的、操作太阳能系统的例程的流程图。

图9A-B为根据所公开主题的一个或更多实施例的、定日镜和配备有摄像机的中心发电塔系统的正视图。

图10为根据所公开主题的一个或更多实施例的太阳能发电塔系统的平面图，其显示可如何提供多个摄像机来覆盖定日镜周围区域的示例。

具体实施方式

根据一些实施例，太阳能发电塔系统包含至少一个塔和至少一组定日镜。每个定日镜追踪太阳以将光线反射至塔上的目标。定日镜可以任意合适的方式排列，但是优选地，选择定日镜的间隔和定位，以根据预测的天气数据和至少一个最优化目标例如总太阳能利用、能量储备、发电或电力销售产生的收益，使得在寿命周期内提供最优金融回报。

能量转换目标或太阳能接收器使用经反射的（且任选地经集中的）太阳辐射并将其转换成一些有用的能源形式，例如热或电。太阳能接收器可置于接收塔的顶部或一些其他位置，例如，如果使用中间反射器（也可称为二级反射器）将在塔顶接收到的光向下反射至置于地面水平或中等高度的接收器。对于本公开而言，术语“能量转换目标”和“太阳能接收器”可互换使用，并且指的是用于将日光转换成一些其他形式能量如电或热的装置或设备。

现参考附图，尤其是图1，提供了一种太阳能发电塔系统43，其中定日镜38包含将入射太阳辐射28反射至安装于塔43上的目标（例如太阳能接收器1）的镜子8。安装于定日镜上的镜子8能够每天追踪太阳25横穿天空的明显运动，以当入射太阳辐射28的角度改变时，将反射焦点维持在接收器1的方向上。这种追踪能力可至少部分通过定日镜控制器（图1中未示出，但例如可参见图3中的部件65）来提供，该定日镜控制器用于控制镜子8的一个或更多定向参数以瞄准反射光束398。

本领域技术人员会意识到，定日镜控制器可包含任何的机械零件组合(例如包括电动机，致动器，等等)和/或电路（例如集成电路）。在一个非限制性示例中，电路包含一个或更多计算机微处理器，其被配置为执行软件或存在于易失性存储器中的编码模块。在另一个非限制性示例中，定日镜控制器可包含门阵列电子装置，例如现场可编程门阵列(FPGA)。正如接下来要解释的那样，在一些实施例中，定日镜38的定日镜控制器还可被配置为用于将镜子8对准除置于塔43顶的目标之外的其他位置。

在图1的示例中，太阳能接收器1（在本发明公开中，“接收器”和“太阳能接收器”可互换使用）置于塔43顶。图2说明了可替选的实施例，其中接收器1置于地面上，且目标是二级反射器（这与图1所示相反，在图1中，目标是太阳能接收器）。因此，在图2的示例中，安装于定日镜上的镜子8将太阳辐射反射至一个或多个二级反射器9上，该二级反射器9进一步将该太阳辐射反射至接收器1。

正如图中所示，入射辐射光束28的反射产生反射光束398，其被反射至目标，该目标可以是太阳能接收器（即用于将日光转换成另一种能量形式，如热能或电力）或被配置为将光传递至太阳能接收器的二级反射器。在一个示例中，太阳能接收器（其如图1所示安装于塔上，或如图2所示用于从安装于塔上的二级反射器接收日光）是用于加热水和/或加热蒸汽的太阳能热水器-此太阳能热水器可在工作中联接至用于将太阳能蒸汽转换成电的装置45。在另一个示例中，太阳能接收器是熔盐太阳能接收器。

应当理解，附图不要求按比例。例如，在一些实施例中，塔比定日镜38要高的多（举例来说，为至少5倍、或10倍、或20倍、或更多）。在不同的示例中，塔的高度为至少25米、至少75米、至少100米、至少125米、至少200米，或更高。

尽管定日镜的镜子在图中以表示平面镜的直线画出，但是应当理解，这并不构成限制，并且可采用其他形状的镜子。例如，定日镜的镜子是凹的。

如上所述，每个定日镜可包含定日镜控制器，该定日镜控制器包含用于追踪太阳的机械部分和电路。在一些以下将要讨论的实施例中，定日镜控制器可用于将反射光束移至除目标（例如接收器1或反射镜9）的另一个位置。

在一些实施例中，每个定日镜控制器是自动的并可在无需外部输入的情况下使镜子8瞄准以提供特定功能。可替选地或另外地，每个定日镜控制器可响应于从外部电子设备或系统（其位于任一位置）接收的、描述如何使镜子8瞄准的一个或更多电子通讯（例如，外部命令）。对于上述两种情况，都可以说是定日镜控制器“用于”提供该功能（例如，瞄准功能）。

太阳能发电塔系统43一般还包含定日镜场控制系统，用于帮助该系统运行者或所有者达到或维持预定义的运行参数和/或约束条件，其中一些运行参数和/或约束条件可基于达到最优化目标，而一些运行参数和/或约束条件可基于维持系统及其运行的安全性。例如，定日镜场控制系统可用于保证光能通量在目标表面上根据预定的所需值（参见例如第WO 2009/103077号国际公布，其通过引用以其整体并入本文）分布。可替选地，其可用于在确保接收器表面的局部温度或太阳能通量的局部浓度不超过预定的局部极大值时，将从太阳辐射至接收器中工作流体的潜热和/或显热的能量转换最大化，和/或将通过光电（或光电化学）装置实现太阳能至电的能量转换最大化。

对多个定日镜的总体控制既可集中至单个计算机中，也可分布在数个或许多处理器之间。因此，在一些实施例中，关于将定日镜瞄准哪里的决定可以由不同定日镜控制器本地作出。可替选地或另外地，定日镜场控制器可将瞄准指令传递至一个或多个定日镜控制器，该定日镜控制器被配置为提供这种瞄准功能。

场60中的定日镜70可通过中心定日镜场控制系统91进行控制，例如如图3所示。例如，中心定日镜场控制系统91可通过数据通信网络与单独定日镜的控制器进行分级通信。另外地或可替选地，定日镜场可由集中式控制或分布式控制的任一组合或变型来控制，例如通过采用经由数据通信网络与每个定日镜的单独或最终控制器进行分级通信的控制系统来控制。

图3说明了分级控制系统91，其包含三个等级的控制层级，但是在其他实现中可有更多或更少等级的层级，且在又一些其他实现中，例如在使用点对点通信协议的分布式处理方案中，整个数据通信网络可没有层级。在图示中最低等级的控制层级中（即由定日镜控制器提供的等级）提供有可编程定日镜控制系统（HCS）65，其例如当定日镜追踪太阳的运动时控制定日镜（图中未示出）的双轴（方向角和仰角）运动。在更高等级的控制层级中，提供了定日镜阵列控制系统（HACS）92、93，其中每个通过采用如CAN、Devicenet、以太网或诸如此类的网络操作系统的多点数据网络94和与定日镜场96、97中的定日镜70（未示出）相关联的可编程定日镜控制系统65进行通信，以控制这些定日镜70的运行。在又一级更高等级的控制层级上，提供有主控制系统（MCS）95，其通过与定日镜阵列控制系统92、93经由网络94进行通信而间接控制定日镜场96、97中的定日镜的运行。主控制系统95通过经网络94与接收器控制系统（RCS）99通信而进一步控制太阳能接收器（图中未示出）的运行。

图3中，定日镜场97中提供的可编程定日镜控制系统65与定日镜阵列控制系统93通过无线通信方式经由网络94进行通信。为此，定日镜场97中的每个可编程定日镜控制系统65装配有无线通信收发适配器102（现在为无线网络路由器101），其任选地部署在网络94中以更有效率地处理发往定日镜场97中可编程定日镜控制系统65以及在定日镜场97中可编程定日镜控制系统65之间的网络流量。在一些实施例中，提供于定日镜场96中的网络94部分可部分基于铜线或光纤连接。主控制系统95、定日镜阵列控制系统92和有线通信控制总线路由器100（其可任选地部署在网络94中）可装配有有线通信适配器，以更有效率地处理去往定日镜场97中的可编程定日镜控制系统65及在定日镜场97中的可编程定日镜控制系统65之间的网络流量。在一些实施例中，主控制系统95可任选地装配有无线通信适配器（图中未示出）。

控制系统（包括本地定日镜控制器和/或一个或多个更高等级控制器，如集中式定日镜场控制器）可能的功能之一是使定日镜指向目标表面上不同的瞄准点，或可替选地，当工作条件要求时将定日镜的指向离开目标的表面。这基于定期或持续估计各个输入来实现，这些输入可包含预测的和/或测量的气象数据；和测量的和/或计算出的定日镜与接收器的运行条件和运行参数，等等。可用于实施控制功能的运行条件和参数包括接收器外表面的即时和历史温度数据，以及接收器外表面的即时和历史光能通量密度数据。例如，可将在给定时刻接收器表面上的温度分布与预先设定的所需值进行比较、或者与较早时刻的数据进行比较，以使控制器确定当前的定日镜瞄准指令是否适于达到系统最优化目标或基于安全的运行约束条件，尤其是当将测量到的和预测的天气数据纳入考虑时。类似地，在给定时刻目标表面上的光能通量密度分布可与预先设定的所需值集合进行比较，或可替选地，可用于校正由控制系统使用的预测通量密度的计算，该控制系统基于所得光能通量密度的预测模式产生瞄准点的集合以及将定日镜指向这些瞄准点。本领域技术人员可例如指向通过引用并入本文的第WO 2009/103077号国际公布。

控制系统的另一项功能包括定日镜的校正，或更明确而言，包括相对于期望的或预测的反射而对太阳辐射到目标上的反射进行校正，例如就反射位置、或就反射形状、或就反射中多个点上的光通量密度、或就描述光束投射（反射）的所需格式数据的任一组合进行校正。如上面提到的那样，这种功能可由单个定日镜的定日镜控制器自动地或响应于从定日镜区域控制器接收到的电子通信而提供。

应该指出的是在一些情况下，定日镜控制器希望将定日镜对准目标以使得反射光束的形心位于目标形心位置。在一些现实世界场景中，随着时间推移，某些因素可引起定日镜偏离其较优的运行参数，例如风或机械后坐力可使镜子或一个或更多与定日镜瞄准相关的定日镜移动部分移动，温度改变可使镜子变形，地震活动可影响定日镜的瞄准，或任何其他因素可影响定日镜瞄准。

对于本发明公开，术语“瞄准”和“指向”可互换使用。

在一些实施例中，系统包括：被配置为将阳光反射至安装于塔上的目标的多个定日镜，以及指向定日镜且被配置为捕获至少一个定日镜的图像的多个摄像机。

在一些实施例中，由每个定日镜产生的反射光束（即太阳光束反射）可一次或多次瞄准摄像机而不是指向目标。摄像机用于检测由定日镜反射的光。

由摄像机捕获到的图像可用于确定定日镜的确切形状。在一个非限制性示例中，从所捕获照片中获得的数据可用于计算定日镜的多个分区/特定区域的表面法线。

如以下要更具体讨论的那样，每个摄像机获取的数据可用于使反射光束和/或其横截面属性特征化以确定投射光束属性。在一个非限制性示例中，可从该数据获得形状或横截面面积（或其指示性参数）的测量值。在另一个示例中，可从该数据获得测量反射光束横截面上不同位置的通量强度的通量强度图。在又一个示例中，可从该数据获得所谓的光束偏移。

所述数据可用于校正定日镜以确定和/或修改一个或多个定日镜的一个或多个运行参数。定日镜校正可在闭环系统中执行，但是可替选地，其可用于开环系统中。在闭环系统中，由控制器获得或得到的数据用于改变定日镜瞄准指令，改变数据库中定日镜的特征，或者通过由计算机程序周期性地或实时地分析数据并发出电子指令以实现定日镜维护，但没有显著的操作员介入。在开环系统中，存储或分析数据，通常在操作人员介入后，在后来将该数据用于改变定日镜瞄准指令或用于实现定日镜维护。

在一些实施例中，多个摄像机优选被定位为可接收大量定日镜的反射光束，因此最好位于其上设有接收器或其它目标的中心塔处、该中心塔上或其附近，原因在于大量定日镜通常能够将反射光瞄向中心塔的方向。多个摄像机最优选是靠近目标（例如接收器或二级反射器），以为了校正而使偏离常规跟踪（将反射光集中至目标上）的定日镜的行程时间最小化。

现参考图4，在与图1所示相似的太阳能收集系统中示出摄像机50。摄像机可置于塔43上。根据一些实施例，摄像机50可置于接收器1（未示出）下方，或可替选地置于接收器1上方。摄像机50可具有的视野52可包含太阳能场的至少一部分。在一些实施例中，摄像机50可被配置为捕获太阳能场中多个定日镜中的至少一个定日镜的多个图像。摄像机50可将产生的图像传至控制器54。将图像传送至控制器54可通过无线传输链路56或可替选择地通过有线传输链路（未示出）来实现。

根据一个实施例，摄像机还包括防热盾。防热盾的目的是消除入射至摄像机的大多数热。在没有防热盾时，热量会使摄像机的温度增加超出其推荐的工作条件。随着将阳光反射至摄像机的定日镜数量的增加，摄像机的温度也增加。在一些实施例中，这样会限制可同时将阳光反射至摄像机的定日镜的数量。相应的，防热盾的目的在于降低摄像机的温度。在一些实施例中，防热盾采用高反射材料。在另一些实施例中，可以包含气冷系统或水冷系统来从摄像机散热。可替选地，可减少摄像机的横截面，从而减少入射在摄像机主体上的光的量。

精确确定接收器表面的反射通量的一个方法是通过得知定日镜的形状。反射光束的每一点的强度可通过得知反射所述光束的定日镜的不同特征来计算。例如，通过得知定日镜反射表面形状，可确定定日镜各个分区/特定区域的表面法线，由此计算光束形状、光束位置和每个定日镜各自的通量强度。

类似地，也可实现相对于所需要的或所预测的反射而校正投射在接收器上的反射光束。

控制器54可被配置为使用从摄像机获取的捕获图像，以计算定日镜的特定分区/特定区域的表面法线。根据一些实施例，控制器54被配置为创建定日镜的分区。定日镜可根据需要被细分多次以提供足够的数据，该数据随后能够用于确定定日镜的精确形状。正如可预料地那样，分区数量越多，确定定日镜形状越精确。

现参考图5，定日镜60可包括多个虚拟分区62，多个虚拟分区共同覆盖定日镜60表面的至少一部分，且优选是基本覆盖整个定日镜60的表面。在太阳能收集系统的非限制性示例中，每个分区64可对应于由摄像机分辨率中单个像素覆盖的定日镜截面。可替选地，每一像素可对应多个分区。换句话说，控制器54还可被配置为将每个单独的分区64分配给定日镜的特定部件/区域。正如图5所示，分区64指的是位于定日镜60左上角的部件。

正如以下要详细讨论的那样，控制器54于是可为定日镜60的每个分区64计算表面法线。通过得知定日镜60的每个分区的表面法线，可确定定日镜的精确形状。通过这些信息，可计算和/或确定反射光束特征。这些特征可包括光束、形状、通量密度图和光束位置（即校正），等等。

根据实施例，定日镜可以使得定日镜的至少一部分将阳光反射至摄像机的方式指向该摄像机。

图6A说明了单个定日镜以不同的定向角定向时的多张快照。在图7A的示例中，其示出，取决于定日镜的定向，定日镜的不同部分将光朝向摄像机反射。在一些实例中，控制器54基于是/否响应函数，可确定光是否从定日镜的特定部件反射至摄像机。在另一些示例中，控制器基于所捕获图像中生成的特定部件的光强度，可计算从定日镜特定部件反射至摄像机的光的量。

图6B和图6C的示例是定日镜的简要图示，其中标识出将光反射至摄像机的定日镜中的部件。图6B中的定日镜70相对于方位角和仰角71处于第一定向角上，且图6C中的定日镜70相对于方位角和仰角处于第二定向角71’上。在第一定向角71上的定日镜70将光从被示为白色圆圈72的特定点/分区反射至摄像机。被示为黑色圆圈74的特定点/分区表示在第一定向角上未将光反射至摄像机的点/分区。在第二定向角71’上的定日镜70将光从被示为白色圆圈72’的特定点/分区反射至摄像机。被示为黑色圆圈74’的特定点/分区表示在第二定向角上未将光反射至摄像机的点/分区。

根据一些实施例，控制定日镜使得定日镜的至少一部分将光反射至摄像机来。被配置为捕获定日镜图像的摄像机捕获定日镜的图像。为了确定定日镜每个分区的表面法线，定日镜可关于轴旋转（即偏转和/或俯仰转）。在一些实例中，定日镜在方位角轴上以大约1.25毫弧度的角距离旋转（偏转）和/或在仰轴角轴上以大约1.25毫弧度的角度旋转（俯仰转）。

上述过程可一直重复直至获取到足够数量的、在不同定向角时的定日镜图像。获取到的定日镜在不同定向角的图像数量越多，可确定的定日镜形状越精确。根据一些实施例，定日镜可旋转至至少4、至少10、至少20或至少50个不同的定向角。在另一些实施例中，随着太阳在不同的位置，在一天不同的时间捕获图像，从而产生另外的向量和角度数据以便确定定日镜每个部件的表面法线。从一天中不同时间拍摄的图像获取的数据可用于校正定日镜并更新定日镜的几何参数。

为了确定定日镜每个分区的表面法线，可为定日镜的每个分区创建如图7所示的图。特定分区的图800实际是定向图，且示出定日镜的、关于该定日镜的特定分区/部件的定向。图800标明特定分区/部件是否将光反射至摄像机。根据一些实施例，该图的最上行810涉及由摄像机记录的仰角中的最高仰角，图的最下行820涉及由摄像机记录的仰角中的最低仰角，图的最左列830和最右列840涉及由摄像机记录的、由定日镜与地表面相切地经过的最远距离。对于定日镜的每个定向角，所述图示出特定分区/部件是否将光反射至摄像机。在图7中的特定示例中，白色圆圈860表示光从特定分区/部件被反射至摄像机，而黑色圆圈880表示光未被从特定区域/部件反射至摄像机。其他一些实施例可将摄像机检测到的光强度考虑在内。例如，摄像机可获取定日镜的灰度图。本示例中的白色和黑色只用于说明目的。通过对每个分区指定不同的灰度值，可更有精确地确定从特定分区/部件反射的阳光的量。由于实际上分区可能不是纯平面，且阳光的亮度并不是具有一个数值，所以采用灰度图可提供更精确的数据。

为了体现定日镜每个分区的表面法线的确定，上述讨论的系统采用关于太阳能收集系统的已知几何信息。当已知时间和地面上的位置时，太阳所在方向可通过已知方法得知。摄像机和定日镜的位置可通过标准的测量技术得知，如通过使用全球定位系统（GPS）设备得知。但是，不指导阳光的哪一部分被定日镜反射至摄像机。

如图7所示白色圆圈860的数据和配置可用于精确确定将光从太阳中心反射至摄像机的定日镜定向角。通过忽视黑点880，并结合每个白点860的已知可能，可精确确定定日镜的定向角。例如，通过围绕白点861画圆圈，该圆圈的尺寸与太阳直径相关，可知会在所述圆圈中某处找到来自太阳中心的光。通过围绕白点862画相同的圆圈，可知来自太阳中心的光只能在这两个圆圈的交叠区域。重复同样过程，以包含所有的白圈860。这允许确定法向向量，区分从定日镜分区至太阳中心的向量和从定日镜分区至摄像机的向量需要该法向向量。为了确保阳光被反射至摄像机，这种要求可能是必要的。

通过得知定日镜的每个分区的表面法线，可确定定日镜的精确形状。这一信息可进一步用于计算反射光束的形状和反射光束的通量密度图。进一步的，通过得知定日镜的每个分区的表面法线可校正和更新几何参数。几何参数是依据全球坐标系来定义定日镜的确切位置和/或定向的参数。所述参数的非限制性示例中可包含制作不确定性和/或安装不确定性，例如塔的垂直度、塔定向、仰角偏移、方位角定向轴和仰角定向轴之间的角度，仰角定向轴和镜面之间的角度等。

图8A-8B是根据一些实施例的、用于运行太阳能系统中定日镜的例程流程图。

参考图8A。在步骤S301中，定日镜指向安装于例如塔上的目标（例如太阳能转换目标和/或二级反射器），以从投射到目标上的反射光束产生能量。在步骤S305中，同一定日镜指向摄像机以使得该定日镜的至少一部分将阳光反射至摄像机且获取该定日镜的多个图像。

在第一示例中，定日镜从其瞄准目标时的第一定向从新指向瞄准摄像机时的第二定向。在第二示例中，定日镜指向目标，接着可重新指向以瞄准远离塔和摄像机的地方。在步骤S307中，图像划分成多个分区。可计算出指示将每个分区分配给定日镜的特定区域的对应数据。这些分区被分配给定日镜的特定区域。在一些实例中，获取到的定日镜图像可与虚拟网格重叠以使得每个分区对应于定日镜的特定部分（见图5）。在步骤S309中，计算出指出每个特定区域的表面法线的几何数据。一些实施例可包含确定定日镜的一个或多个参数的步骤S311。

现参考附图8B，在步骤S309中，针对定日镜的每个特定区域，计算出指出表面法线的相应几何数据。在步骤S320中，分析该数据。在一个特定示例中，确定每个定日镜的各自形状或每个定日镜的通量强度图，以例如建立定日镜形状或定日镜强度图的数据库。在步骤S330中，根据数据分析的结果，可进行定日镜选择，也就是说，选择所述多个定日镜中的次多个定日镜用于同时瞄准目标，在一个示例中，期望在目标上提供某一通量分布，且相应地选择定日镜反色光束（其光束参数可从数据中得知）。

在一些实施例中，系统包括用于为定日镜提供指令以追踪摄像机的软件，包含至少一组追踪坐标和追踪速度。指令可通过数据网络传播或依照太阳场控制系统的体系结构直接通信。所述指令如提前传输，可包含定日镜控制器开始执行指令的时间，且定日镜控制器可配备数据存储装置以存储这些指令。可替选地，指令可被预编程于定日镜控制器中（例如，存储于该控制器的计算机可读介质上）。举例来说，定日镜控制器可包括存储的指令集，以采用指定周期如每周或每月追踪摄像机。

在优选的实施例中，所述系统还包括用于分析由数字成像设备或其他光学摄像机获取或记录的数据的计算机硬件和软件。该分析是为了校正定日镜，其中，校正可包括至少以下之一：确定或接近光束投射形状及其与预测的偏差；确定光束投射中的多个点上的光强度以及与投射的光强度分布的偏差；纠正结构或装配错误，或形状偏差，或任一其他故障或与定日镜设计的偏差；存储或使用任一这些数据元素，为了更新或改变定日镜相关数据的数据库，或更新或改变定日镜的瞄准和/或追踪指令；或系统设计者或操作者的数据分析。

分析软件能够使用摄像机获取和/或记录的数据，并任选地使用将高斯或其他概率分布应用于定日镜光束投射的光强度的统计技术，计算光束投射形状和/或计算统计分布。另外地，软件能够生成光束投射中多个点上的通量强度的数字图。任一这些计算出的参数可如上所述用于定日镜的校正。定日镜（或定日镜的控制系统和/或定日镜控制器）被配置为响应于在校正过程期间获取的数据或响应于数据分析的结果，修改瞄准指令例如目标坐标。

分析软件还可包括用于曲线投射转换的软件，以将光束投射形状和/或光强度值的图“翻译”成接收器的表面几何形状，其考虑在内的有：与反射光在摄像机上的入射角相比，反射光在接收器上的不同入射角；接收器关于定日镜场的不同姿态；和/或接收器的外表面特征（例如，其可包括单独圆形锅炉管而不是光滑的外表面面板）。

在另一个实施例中，太阳能发电塔系统包括太阳能场和塔上的多个摄像机。诸如热接收器或光电接收器等的目标，或可替选地二级反射器，位于塔顶或塔顶周围。所述多个摄像机可依照任一前述实施例提供。

对于热接收器或光电目标，例如，摄像机最佳如图9A所示位于塔的一侧、接收器下方。现参考图9A，接收器1位于塔43顶部，与图1所示布置相似。至少一个定日镜38被配置有前述的追踪和绕轴旋转装置以将阳光28反射至接收器1上。摄像机100位于塔43上、在接收器1的下方，以使得定日镜38也可追踪摄像机100并将阳光28反射至摄像机100上。反射光30依据由定日镜38时不时执行的追踪指令而反射至摄像机。摄像机100可任选地朝向太阳能场成一角度，以使得从定日镜反射的光以更加适宜的角度到达摄像机（如果该角度的益处超过额外的材料、安装和/或维护费用）。

对于用作“光束向下”镜子的二级反射器，摄像机可在二级反射器上方或位于二级反射器的支撑塔之一上，如图9B所示。在图9B中，接收器1位于塔43上但非塔顶（或可替选地靠近塔座或塔座上），在塔43上设有二级反射器9，与图2所示的布置相似。至少一个定日镜38配置有如上所述的追踪和绕轴旋转装置，以将阳光反射至二级反射器9。摄像机100a位于塔43上、二级反射器9的下方，使得定日镜38也能追踪摄像机100b。可替选地，或另外可选地，摄像机100b位于塔43上，高于二级反射器9，处于允许定日镜追踪摄像机100b的位置，不使光束在至少部分时间里被接收器阻挡。

在优选实施例中，摄像机包括光学元件以提高摄像机检测或测量定日镜反射光的能力。为了将总的光强度或最大光强度减少至更适合于摄像机的灵敏度和/或运行特征的水平，光学元件的一个示例是可置于摄像机上的滤镜。光学元件的其他示例可包括具有抗反射涂层或防尘涂层的透镜、聚焦透镜或光谱选择性滤镜。可替选地，光强度可由软件调节。

在另一个优选实施例中，太阳能发电塔系统包括多个摄像机已使它们可接收太阳能场中的所有定日镜。在一个示例中，太阳能发电塔系统包括在四侧塔上的环绕式接收器，另外还包括环绕式定日镜场，即360度环绕该塔。在这种情况下，系统会包括至少一个摄像机，塔的每一侧都有一摄像机。现参考图10，其上设有接收器（未示出）的塔43由太阳能场39环绕，该太阳能场39在四个象限Q1、Q2、Q3和Q4中每个象限内包括多个定日镜38，等等。至少一个摄像机100固定于塔上，使得多个摄像机100中的每一个可适应四个象限Q1、Q2、Q3和Q4之一中的定日镜的校正。

在另一些实施例中，用于运行太阳能发电塔系统的方法包括：为了校正目的，采用摄像机捕获从定日镜反射的光，其中，校正可包括至少以下之一：确定或接近定日镜的光束投射的统计分布和/或其与所需的或预测的值集合的偏差；确定光束投射形状和/或其与所需的或预测的值集合的偏差；确定光束投射中多个点的通量和/或光强度，和/或其与所需的或预测的值集合的任一偏差；纠正结构或组装错误，或形状像差，或任意其他故障或与定日镜设计的偏差；为更新或改变定日镜相关数据的数据库或更新或改变定日镜的瞄准和/或追踪指令，存储或使用任一这些数据元素；或由系统设计者或操作者对数据的分析。根据所述方法，例如两周一次、一月一次、或两月一次，通过获取每个定日镜的图像，或可替选地获取定日镜组的图像，使用摄像机进行太阳能发电塔系统中的定日镜校正。因此，所述方法较优包括直接地或通过数据通信网络发送指令至定日镜，以使其追踪摄像机。可替选地，可利用预编程的定日镜控制器，该预编程的定日镜控制器使定日镜以所需周期或在特定预设条件下追踪摄像机。在任一实施例中，由定日镜反射至摄像机的光可来自太阳、月亮或投光器。

所述方法还包括：根据定日镜的相对可用性，或相反根据太阳能发电塔系统需要每个定日镜的程度，选择定日镜用于追踪摄像机。例如，已知在日照高峰小时期间，许多定日镜从其平常的接收器或其他目标移开，以不让接收器或一些其他系统组件（其在集中式太阳能热电站的情况下例如为涡轮）超载，或不超过约定限制或规定的限制（例如电力购买协议的条款）。因此，希望选择在日照高峰小时期间不即刻需要的那些定日镜，而是让它们在那个时候追踪摄像机。在另一个示例中，在塔的一侧可能有过量的定日镜；例如，已知下午时在塔东边的定日镜（在北半球）可反射其在早上反射的三倍多的光至接收器的东侧（因为反射光根据入射光和反射光之间夹角的一半的余弦减少）。根据该方法，会希望在不需要这些过多的定日镜用于能量转换时在这些时间期间使得这些定日镜追踪摄像机进行校正，以使这些定日镜不会在其他更强烈需要的时间（如东边区域的早晨时段）而不可用。

其他实施例涉及通过将月光反射至多个摄像机以校正太阳能发电塔系统的方法。系统可包括：多个被配置为将阳光反射至接收器的定日镜；朝向多个定日镜的多个摄像机，摄像机被配置为捕获所述多个定日镜中的至少一个的图像；以及被配置为获取每个定日镜的一个或多个定向角的控制器，其中，为了该定向角，将月光从每个定日镜反射至摄像机之一。这可意味着当定日镜将月光反射至摄像机时，控制器确定定日镜的定向角。

在获取过程中，定日镜可以多个不同的配置进行旋转，使得被反射月光的形心对准摄像机。

上述系统可包括二级控制器，其被配置成针对每个定日镜估计至少一个几何参数。在一些示例中，所述估计可至少部分地基于通过从所获取的定向角和标称的几何参数集合计算新的一组更新的参数。标称参数可从太阳能电站的蓝图或可替选地从定日镜之前的校正获得。

根据其他实施例，系统可进一步包括追踪控制器，其被配置为部分根据定日镜的更新的/刷新的参数集合，控制和旋转定日镜以将阳光反射至接收器。

利用月光进行校正过程的优点在于定日镜校正可在太阳能电站不运行的晚上进行定日镜的校正。由于电站运行期间的校正，需要使定日镜“下线”，因此它们不能用于产生蒸汽，即电力。

应当理解，上述方法、过程和系统可通过硬件、由软件编程的硬件、存储于非易失的计算机可读介质上的软件指令或以上的组合来实施。例如，此处描述的处理器可被配置为执行存储于非易失的计算机可读介质上的程序指令序列。处理器可包括（但不限于）个人计算机或工作站或其他此类的计算系统，计算系统包括处理器、微型处理器、微型控制设备或由包含诸如专用集成电路(ADIC)等集成电路的控制逻辑构成。指令可从依照如Java、C++,C#.net等编程语言提供的源代码指令编译获得。指令还可包括依照如Visual BasicTM语言或其他结构化编程语言或面向对象编程语言提供的代码和数据对象。编程指令序列及与之关联的数据可存储于非易失的计算机可读介质如计算机存储器或存储装置上，该存储装置可为任一适合的存储器，例如（但不限于）只读存储器（ROM），可编程只读存储器(PROM),电可擦写可编程只读存储器(EEPROM),随机存储器（RAM），闪速存储器，磁盘驱动器，等等。

此外，所公开的方法、过程和/或系统可由单个处理器或分布式处理器实施。进一步的，可以理解的是，这里讨论的步骤可在单个处理器或分布式处理器（单核和/或多核）上实施。而且，以上实施例中描述方法、过程和/或系统可分布于多个计算机或系统上，或者可共同位于单个处理器或系统中。在下文中提供适于实施本文所述方法、过程和/或系统的示例性结构化实施例替选方式，但不限于此。

此处描述的方法、过程和/或系统可实施为例如经编程的通用计算机、微码编程的电子设备、硬线连接的模拟逻辑电路、存储在计算机可读介质或信号上的软件、光计算设备、电子和/或光学设备的联网系统、专用计算机、集成电路设备、半导体芯片和软件模块或存储于计算机可读介质或信号上的对象。此外，所公开的方法、过程和/或系统的实施例可由在经编程通用计算机、专用计算机，微型处理器等等上运行的软件实施。

公开的方法、过程和/或系统（或其子部件或模块）的实施例可在通用计算机、专用计算机、经编程的微型处理器或微控制器和外围集成电路部件、ASIC或其他集成电路、数字信号处理器，硬线连接的电子逻辑电路如分立元件电路、如可编程逻辑设备（PLD）的可编程逻辑电路、可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列（FPGA）、可编程阵列逻辑（PAL）设备等等上实施。总之，能够实施这里所述功能或步骤的过程可用于实施所述方法、过程、系统和/或计算机程序产品（存储于计算机可读介质上的软件）的实施例。

此外，公开的方法、过程和/或系统的实施例可无困难地全部或部分实施于例如提供了可用于各种计算机平台的可移植代码的对象或面向对象的软件开发环境的软件运用中。可供选择地，公开方法、过程和/或系统的实施例可部分或全部事实于如标准逻辑电路或超大规模集成电路（VLSI）设计的硬件运用中。其他硬件或软件可用于实施依靠系统、特定功能、和/或特定软件或硬件系统、微处理器、或微型计算机的利用速度和/或效率要求的实施例。公开的方法、过程和/或系统可由通常具备可用技术中的人员实施于任一已知或后续开发的系统或结构、设备和/或软件硬件和/或软件运用，可用技术来自此处提供的功能描述和具备成像基本知识和/或计算机编程技术。

有时可有利地使用公开主旨的一定特征，而没有其他特征的对应使用。详细展示和描述特定实施例以说明本发明的应用原则，本发明在不脱离这些原理的情况下以其他方式来体现是可以理解的。

因此，按照现有的公开，提供的太阳能发电塔的控制和校正系统和方法是显而易见的。许多的备选方案、修改和变形可通过现有公开得到。在发明范围内生成另外实施例中可对公开的实施例的特征结合、重排、省略，等等。相应的，申请人意图包括在本发明精神和范围内所有这样的可替选方案、修改、等同和变形。

Claims (22)

1.一种太阳能收集系统，包括：

多个定日镜，其被配置为将阳光反射至安装于塔上的目标，每个定日镜包括定日镜控制器，该定日镜控制器被配置为控制多个定日镜中相应的定日镜，使得从所述相应的定日镜反射的阳光被引向多个摄像机中的至少一个摄像机；

多个摄像机，其被定向为对所述多个定日镜中相应的定日镜进行成像；和

二级控制器，其被配置为：

从所捕获的定日镜图像计算几何数据，该几何数据定义相应定日镜的

表面的几何形状，几何数据指明该表面的多个分区；

所述计算包含：存储指出所捕获图像的、与相应定日镜的所述多个分区对应的部分的数据；以及计算指出每个所述相应定日镜的每个所述分区的各自表面法线的数据。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个摄像机安装于塔上。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述多个摄像机和所述目标安装于同一个塔上。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个摄像机被配置为捕捉所述多个定日镜的图像。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个摄像机捕捉相应定日镜的至少两个图像。

6.如权利要求5所述的系统，其中，针对每个附加的图像，所述定日镜控制器控制相应的定日镜移至不同的位置。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述定日镜控制器被配置为以仰角轴上大约1.25毫弧度的角距离和/或方位轴上大约1.25毫弧度的角距离偏移所述定日镜。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个摄像机进一步包括防热盾和滤光器中的至少一个。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所捕获图像的每一像素定义所述多个分区中的不同分区。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所捕获图像的每个部分为所捕获图像的单独像素。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二控制器被配置为至少部分基于所计算出的每个分区的表面法线，估计对于相应定日镜的每一分区共同的至少一个几何参数。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述第二控制器被配置为至少部分基于所计算出的每一分区的表面法线和相应定日镜的至少一个标称几何参数，估计对于相应定日镜的每一分区共同的至少一个几何参数。

13.一种运行太阳能收集系统的方法，包括：

在第一时间：

（a1）控制多个定日镜将阳光反射至接收器，所述接收器安装于塔上；

在不同于所述第一时间的第二时间：

（b1）控制所述多个定日镜中的至少一个定日镜将阳光反射至摄像机；

（b2）获取所述多个定日镜中至少一个定日镜的多个图像；

（b 3）将所述多个图像中的每个图像细分成多个分区，并计算指出将所述多个分区中的每个分区分配给所述多个定日镜中所述至少一个定日镜的特定区域的对应数据；和

（b4）响应于所述多个图像，计算指出所述多个定日镜中所述至少一个定日镜的每一特定区域的表面法线的几何数据。

14.如权利要求13所述的方法，其中，获取多个图像的步骤(b2)包括：以仰角轴上大约1.25毫弧度和/或方位轴上大约1.25毫弧度的角距离偏移所述至少一个定日镜，并在每次定向移动后获取图像。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括：响应于每个特定区域的表面法线，估计对于所述多个定日镜中所述至少一个定日镜的每个特定区域共同的至少一个几何参数。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：响应于所述至少一个几何参数，确定所述多个定日镜中所述至少一个定日镜的方向，以将阳光反射至接收器。

17.如权利要求16所述的方法，其中，估计步骤进一步基于所述多个定日镜中所述至少一个定日镜的标称几何参数。

18.如权利要求13所述的方法，其中，基于计算出的几何数据计算定日镜形状。

19.一种控制太阳能收集系统的方法，包括：

捕捉多个定日镜中的第一定日镜的图像；

将所述图像细分成多个分区，并计算指出将所述多个分区中的每个分区分配给所述第一定日镜的特定区域的对应数据，

计算所述第一定日镜的每一特定区域的表面法线；和

至少部分基于所述第一定日镜的每一特定区域的表面法线，计算塔基接收器的外表面上的太阳能通量分布。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：至少部分基于太阳能通量分布的计算，将多个定日镜中的第一定日镜进行定性，以将入射的太阳辐射反射至接收器外表面上的瞄准点。

21.如权利要求19所述的方法，其中，计算太阳能通量的步骤进一步包括：估计从定日镜反射至接收器外表面上的光束的形状。

22.一种运行太阳能收集系统的方法，包括：

在第一时间：

(a1)控制多个定日镜将阳光集中至接收器，所述接收器安装于塔上；

在不同于所述第一时间的第二时间：

(b1)控制摄像机和所述多个定日镜中的第一定日镜以使用摄像机形成所述定日镜中反射的太阳的多个图像；

(b2)处理所述多个图像中的每一图像且为所述多个图像中所述每个图像的多个分区中的每一分区计算反射数据；

(b 3)计算将所述第一定日镜的区域映射到所述分区中相应分区的分配数据；和

(b4)响应于所述反射数据而计算指出每一区域的表面法线的数据。

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