CN103713649A - 一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统及控制方法。该系统包括一个远程监控计算机、一个ZigBee无线通信装置、一个太阳能利用装置、多个平面镜反射聚光装置及与之相匹配的多个聚光跟踪控制器。所述聚光跟踪控制器根据设定指令驱动平面镜反射聚光装置，将太阳光反射到太阳能利用装置。所述平面镜反射聚光装置包括两个相互垂直且可旋转的机械轴和带动两机械轴旋转的电机及机械传动装置，可以在控制器的驱动下将平面镜旋转至目标姿态。采用本发明所提供的技术方案，可以使用多个平面镜将太阳反射聚集至太阳能利用装置，大幅度提高了太阳能利用装置的工作效率，并实现了对聚光跟踪控制器和太阳能利用装置的远程无线监控。

Description

一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，具体涉及一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统及控制方法。

背景技术

光伏和光热是太阳能的两大主要利用方式。一般光伏电池和光热装置都能够承受高的太阳光辐照度，以大幅度的提高其输出功率。那么采用聚光技术使一块光伏电池或光热装置接受聚集增强的太阳光辐照度，不仅能够提高设备工作效率，还可以节约大量制作太阳能电池或光热装置的昂贵材料消耗成本。因此，聚光技术是太阳能利用效率和经济的双重统一。

平面反射镜是包括凸透镜、曲面镜在内的众多光学聚光元件中最简单、易制造、也是唯一能对空间任意点均成理想汇聚的光学元件，平面镜作用的本质仅改变光路的方向，光线经平面镜反射得到的镜像像差，不产生任何性质的变化。单独平面镜的反射并不能形成对光能的聚集，但是利用平面镜可改变光路方向的性质，采用多个平面镜可以很容易地将大面积的阳光聚集于较小的面积上从而达到聚光的效果。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的问题，克服现有曲面透镜和曲面透反射镜聚光成本高的不足，提供一次反射多平面镜太阳能聚光跟踪控制器与控制策略，实现对空间上任意点的太阳光线反射多平面镜汇聚功能。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统，包括：一个远程监控计算机、一个ZigBee无线通信装置、一个太阳能利用装置、多个平面镜反射聚光装置及与之相匹配的多个聚光跟踪控制器。

所述远程监控计算机通过ZigBee无线通信装置分别与多个聚光跟踪控制器和太阳能利用装置连接，读取各个聚光跟踪控制器和太阳能利用装置的运行状态信息；所述聚光跟踪控制器根据设定指令驱动平面镜反射聚光装置，将太阳光反射到太阳能利用装置；所述太阳能利用装置由一个光伏装置或光热装置和一个数据采集装置构成，所述的光伏装置或光热装置的空间位置是固定不变的。

所述聚光跟踪控制器由微处理器电路连接光强检测电路、实时时钟电路、初始姿态校准电路、机械极限位置限位开关电路、电机驱动电路、光电编码电路和ZigBee无线通信模块组成。所述光强检测电路用于判断光照条件是否符合跟踪光照强度门限；所述实时时钟电路提供日历及时间，用于计算太阳位置以及判断是否符合设定跟踪时间；所述初始姿态校准电路用于将平面镜的方位角和高度角都校准为0度，以消除前一天跟踪产生累计误差；所述机械极限位置限位开关电路用于防止电机失控所导致的装置损毁；所述电机驱动电路用于驱动电机旋转，改变平面镜的高度角和方位角；所述光电编码电路用于读取两个电机旋转角度并换算为平面镜的高度角和方位角实际值；所述ZigBee无线通信模块用于与远程监控计算机交互信息。

所述平面镜反射聚光装置包括平面镜、供平面镜安装就位的定位机构、以及驱动定位机构动作以使得平面镜将太阳光反射到太阳能利用装置处的驱动机构。

所述定位机构包括与水平面相平行的X轴和与水平面相垂直的Z轴，所述X轴设置在Z轴的顶部，且所述平面镜固设在X轴上；平面镜的镜面法线在水平面上的投影线与指向正东方向的线之间的夹角构成平面镜方位角（∠DOB1）,平面镜的镜面法线与水平面之间的夹角构成平面镜高度角（∠BOB1）；所述机械传动装置带动X轴和Z轴旋转使得平面镜方位角（∠DOB1）在0～180°、平面镜高度角（∠BOB1）在0～90°之间可调。

所述驱动机构包括驱动X轴旋转的第一电机及机械传动装置，还包括驱动Z轴旋转的第二电机及机械传动装置；所述X轴和Z轴分别设定一对正、反方向旋转的机械极限位置和一个初始姿态校准位置，且X轴和Z轴分别安装有所述的两个机械极限位置限位开关电路和一个初始姿态校准电路；所述X轴和Z轴上均安装有用于测量机械轴旋转角度的光电编码电路。

本发明还提供了一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制方法，包括以下步骤：

1）微处理器电路读取实时时钟电路提供的时间，若符合设定跟踪时间，则聚光跟踪控制器开始跟踪，并转入步骤2）；若不符合设定跟踪时间，聚光跟踪控制器等待跟踪；

2）聚光跟踪控制器开始跟踪后，首先由微处理器电路通过电机驱动电路驱动两机械轴旋转至初始姿态校准位置，然后初始化光电编码电路计数，消除累计误差，并转入步骤3）；

3）微处理器电路读取光强检测电路提供的光照强度，若高于设定跟踪光照强度，聚光跟踪控制器继续跟踪，并转入步骤4）；若低于设定跟踪光照强度，聚光跟踪控制器再次执行步骤3，即微处理器电路再次读取光强检测电路提供的光照强度，并与设定跟踪光照强度进行比较；

4）微处理器电路根据实时时钟电路提供的时间，计算太阳位置，并转入步骤5）；

5）微处理器电路根据太阳位置、太阳能利用装置位置，计算平面镜将太阳光反射到太阳能利用装置的目标姿态和目标姿态所对应的光电编码电路计数值，并转入步骤6）；

6）微处理器电路根据当前光电编码电路计数值和目标姿态所对应的光电编码电路计数值，通过电机驱动电路驱动两机械轴旋，带动平面镜旋转至目标姿态，并转入步骤7）；

7）平面镜旋转至目标姿态后，重复执行步骤3）-6）直至微处理器电路读取实时时钟电路提供的时间不在跟踪时间段内以后，聚光跟踪控制器停止跟踪，并等待至第二天跟踪起始时间段。

采用本发明所提供的技术方案，可以使用多个平面镜将太阳反射聚集至太阳能利用装置，大幅度提高了太阳能利用装置的工作效率，并通过精确计算太阳位置、高精度的镜面角度控制以及各种辅助措施，实现了对聚光跟踪控制器和太阳能利用装置的远程无线监控。

附图说明

图1是本发明反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统实施例的示意图；

图2是本发明实施例中聚光跟踪控制器的结构示意图；

图3是本发明实施例中平面镜反射聚光装置的结构示意图；

图4是本发明一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制方法的流程图；

图5是本发明实施例中平面镜目标姿态示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如附图1所示，本实施例所述的反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统包括：一个远程监控计算机100、一个ZigBee无线通信装置101、一个太阳能利用装置102、三个平面镜反射聚光装置103及与之相匹配的三个聚光跟踪控制器104。

如图1所示，在本实施例中所述的太阳能利用装置102由一个光伏电池板105、数据采集装置106组成。该太阳能利用装置102通过光伏电池板105将太阳能转换为电能，通过数据采集装置106采集光伏电池板105发电的电压、电流等信息，并传输到远程监控计算机100。光伏电池板105在空间的位置是固定不变的。太阳能利用装置102的空间位置固定，有利于聚光跟踪控制器104计算平面镜303的姿态，以便将太阳光反射到光伏电池板105上。

远程监控计算机100通过RS232与ZigBee无线通信装置101块相连，并通过ZigBee无线通信装置101分别与三个聚光跟踪控制器104和太阳能利用装置中的数据采集装置106连接，读取各聚光跟踪控制器104和数据采集装置106状态信息。三个聚光跟踪控制器104根据设定指令驱动三个平面镜反射聚光装置103工作，包括开始跟踪、停止跟踪和平光镜303姿态的调整，将太阳光反射到光伏电池板105上。

如附图2所示，所述聚光跟踪控制器104由微处理器电路200连接光强检测电路201、实时时钟电路202、初始姿态校准电路203、机械极限位置限位开关电路204、电机驱动电路205、光电编码电路206和ZigBee无线通信模块207组成。通过光强检测电路201，判断是否符合跟踪光照强度门限；通过实时时钟电路202提供的日历及时间，计算太阳位置以及判断是否符合设定跟踪时间；通过初始姿态校准电路203将平面镜303的方位角305和高度角306都校准为0度，以消除前一天跟踪产生累计误差；通过机械极限位置限位开关电路204，防止电机失控导致所导致的装置损毁；通过电机驱动电路205，驱动第一电机208和第二电机209，分别带动X轴机械传动装置210和Z轴机械传动装置211动作，使得X轴和Z轴旋转，改变平面镜303的高度角306和方位角305；通过光电编码电路206，读取两个电机旋转角度并换算为平面镜303的高度角306和方位角305的实际值；通过ZigBee无线通信模块207，与远程监控计算机100交互信息。

平面镜反射聚光装置103包括平面镜303、供平面镜303安装就位的定位机构以及驱动定位机构动作以使得平面镜303将太阳光反射到太阳能利用装置103处的驱动机构。

所述定位机构包括与水平面相平行的X轴301和与水平面相垂直的Z轴302，所述X轴301设置在Z轴302的顶部。所述驱动机构包括驱动X轴301的第一电机208和机械传动装置210，以及驱动Z轴302旋转的第二电机209和机械传动装置211；

如附图3所示：平面镜反射聚光装置103两个相互垂直且可旋转的机械轴分别为X轴301和Z轴302。平面镜方位角305为镜面法线304在水平面上投影线307与正东方向夹角（∠DOB1），Z轴302正转，方位角305增大，Z轴302反转，方位角305减小。平面镜高度角306为镜面法线304与水平面夹角，X轴301正转，高度角306增大，X轴301反转，高度角306减小。X轴301由第一电机208和X轴机械传动装置210带动，Z轴302由第二电机209和Z轴机械传动装置211带动，X轴301和Z轴302分别安装光电编码电206路，用于测量机械轴旋转的角度。为保护平面镜反射聚光装置（如X轴301的旋转会导致平面镜303与Z轴302相碰），每轴设定两个机械极限位置限位开关电路204，限定镜面的高度角306和方位角305在0～180度范围内。将平面镜303的高度角306为0度、方位角305为0度的姿态（镜面法线指向正东）作为初始姿态校准位置，安装两个初始姿态校准电路203。如图3所示，本实施例使用光电开光实现初始姿态校准。当电机某一轴旋转到初始姿态时，光电开光发光组件308发出光线被接收组件309接收，发出该轴初始姿态已校准信号。

如附图4所述，本实施例所述的反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制方法包括以下步骤：

1）聚光跟踪控制器104开始跟踪后，首先由微处理器电路200读取实时时钟电路202提供的时间，若符合设定跟踪时间，则聚光跟踪控制器104开始跟踪，即转入步骤2）；若不符合设定跟踪时间，聚光跟踪控制器104等待跟踪。在本实施例中，设定的跟踪时段为8：00到17：00；

2）聚光跟踪控制器104开始跟踪后，首先由微处理器电路200通过电机驱动电路205驱动两机械轴旋转至初始姿态校准位置，这时，平面镜303的方位角305和高度角306都为0度，然后将光电编码电路206计数清0，以消除前一天跟踪产生累计误差，并转入步骤3）；

3）微处理器电路200读取光强检测电路206提供的光照强度，若高于设定跟踪光照强度，聚光跟踪控制器104继续跟踪，并转入步骤4）；若低于设定跟踪光照强度，聚光跟踪控制器104再次执行步骤3，即再次读取光强检测电路206提供的光照强度，并与设定跟踪光照强度进行比较；

4）微处理器电路200根据实时时钟电路202提供的日历及时间，计算太阳位置，并转入步骤5）；

5）如图5所示，微处理器电路200根据太阳位置A、光伏电池板105中点为C，镜面中心点为O，计算平面镜303将太阳光反射到光伏电池板105的目标姿态及目标姿态所对应的光电编码电路计数值，并转入步骤6）。镜面法线OB的目标姿态为∠AOC的空间角平分线。

6）微处理器电路200根据当前光电编码电路计数值和目标姿态所对应的光电编码电路计数值，通过电机驱动电路205驱动两机械轴旋，带动平面镜303旋转至目标姿态，并转入步骤7）；

7）平面镜303旋转至目标姿态后，重复执行步骤3）、4）、5）、6）直至微处理器电路200读取实时时钟电路202提供的时间不在跟踪时间段内以后聚光跟踪控制器104停止跟踪，并等待至第二天跟踪起始时间段。

Claims (6)

1.一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统，包括：一个远程监控计算机、一个ZigBee无线通信装置、一个太阳能利用装置、多个平面镜反射聚光装置及与之相匹配的多个聚光跟踪控制器，其特征在于：所述远程监控计算机通过ZigBee无线通信装置分别与多个聚光跟踪控制器和太阳能利用装置连接，读取各个聚光跟踪控制器和太阳能利用装置的运行状态信息；所述聚光跟踪控制器根据设定指令驱动平面镜反射聚光装置，将太阳光反射到太阳能利用装置；所述太阳能利用装置由一个光伏装置或光热装置和一个数据采集装置构成，所述的光伏装置或光热装置的空间位置是固定不变的。

2.根据权利要求1所述的反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统，其特征在于：所述聚光跟踪控制器由微处理器电路连接光强检测电路、实时时钟电路、初始姿态校准电路、机械极限位置限位开关电路、电机驱动电路、光电编码电路和ZigBee无线通信模块组成；

所述光强检测电路用于判断光照条件是否符合跟踪光照强度门限；所述实时时钟电路提供日历及时间，用于计算太阳位置以及判断是否符合设定跟踪时间；所述初始姿态校准电路用于将平面镜的方位角和高度角都校准为0度，以消除前一天跟踪产生累计误差；所述机械极限位置限位开关电路用于防止电机失控所导致的装置损毁；所述电机驱动电路用于驱动电机旋转，改变平面镜的高度角和方位角；所述光电编码电路用于读取两个电机旋转角度并换算为平面镜的高度角和方位角实际值；所述ZigBee无线通信模块用于与远程监控计算机交互信息。

3.根据权利要求1所述的反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统，其特征在于：所述平面镜反射聚光装置包括平面镜、供平面镜安装就位的定位机构、以及驱动定位机构动作以使得平面镜将太阳光反射到太阳能利用装置处的驱动机构。

4.根据权利要求3所述的反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统，其特征在于：所述定位机构包括与水平面相平行的X轴和与水平面相垂直的Z轴，所述X轴设置在Z轴的顶部，且所述平面镜固设在X轴上；平面镜的镜面法线在水平面上的投影线与指向正东方向的线之间的夹角构成平面镜方位角（∠DOB1）,平面镜的镜面法线与水平面之间的夹角构成平面镜高度角（∠BOB1）；所述机械传动装置带动X轴和Z轴旋转使得平面镜方位角（∠DOB1）在0～180°、平面镜高度角（∠BOB1）在0～90°之间可调。

5.根据权利要求3所述的反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制系统，其特征在于：所述驱动机构包括驱动X轴旋转的第一电机及机械传动装置，还包括驱动Z轴旋转的第二电机及机械传动装置；所述X轴和Z轴分别设定一对正、反方向旋转的机械极限位置和一个初始姿态校准位置，且X轴和Z轴分别安装有所述的两个机械极限位置限位开关电路和一个初始姿态校准电路；所述X轴和Z轴上均安装有用于测量机械轴旋转角度的光电编码电路。

6.一种反射式多平面镜太阳能聚光跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）微处理器电路读取实时时钟电路提供的时间，若符合设定跟踪时间，则聚光跟踪控制器开始跟踪，并转入步骤2）；若不符合设定跟踪时间，聚光跟踪控制器等待跟踪；

2）聚光跟踪控制器开始跟踪后，首先由微处理器电路通过电机驱动电路驱动两机械轴旋转至初始姿态校准位置，然后初始化光电编码电路计数，消除累计误差，并转入步骤3）；

3）微处理器电路读取光强检测电路提供的光照强度，若高于设定跟踪光照强度，聚光跟踪控制器继续跟踪，并转入步骤4）；若低于设定跟踪光照强度，聚光跟踪控制器再次执行步骤3，即微处理器电路再次读取光强检测电路提供的光照强度，并与设定跟踪光照强度进行比较；

4）微处理器电路根据实时时钟电路提供的时间，计算太阳位置，并转入步骤5）；

5）微处理器电路根据太阳位置、太阳能利用装置位置，计算平面镜将太阳光反射到太阳能利用装置的目标姿态和目标姿态所对应的光电编码电路计数值，并转入步骤6）；

6）微处理器电路根据当前光电编码电路计数值和目标姿态所对应的光电编码电路计数值，通过电机驱动电路驱动两机械轴旋，带动平面镜旋转至目标姿态，并转入步骤7）；

7）平面镜旋转至目标姿态后，重复执行步骤3）-6）直至微处理器电路读取实时时钟电路提供的时间不在跟踪时间段内以后，聚光跟踪控制器停止跟踪，并等待至第二天跟踪起始时间段。

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