CN103941755B - 一种反射镜跟踪对准控制装置的工作方法 - Google Patents

Abstract

一种反射镜跟踪对准控制装置的工作方法，该控制装置包括安装在多列反射镜的焦线附近并朝向反射镜的反射辐射测量元件，反射辐射测量元件能够接收90～180度角内入射光线，和反射辐射测量元件连接的数据采集仪，对反射辐射测量元件的读数进行实时采集与分析，和数据采集仪连接的控制器，和控制器连接的驱动转动部件，和驱动转动部件连接的镜片旋转机构，控制器通过控制驱动转动部件控制镜片旋转机构对反射镜进行旋转，使每一列反射镜跟随入射光方向的变化调整角度，保证光线反射到焦线处；本发明还提供了控制装置的工作方法；本发明能够确保反射镜的反射光准确的照射到焦线上，并对没有准确对准的反射镜的跟踪角度进行修正，使能够准确跟踪。

Description

一种反射镜跟踪对准控制装置的工作方法

技术领域

本发明属于太阳能光热利用技术领域，具体涉及一种反射镜跟踪对准控制装置的工作方法。

背景技术

随着经济社会的不断发展，能源的需求与日俱增，化石能源存在污染日益严重且不可再生的问题，发展清洁可再生的能源势在必行。太阳能储量丰富，是一种环保清洁的可再生能源。利用太阳能发电或进行工业热利用是未来能源利用的一种重要形式。

由于太阳光的直射辐射量通常在500-1200W/m²，能量密度相对较低，进行太阳光利用时，通常采用聚光装置将太阳光聚集到某一个点、一条线或者一个面上，提高该位置的辐射强度，可以使太阳光利用的温度提高，从而提高利用效率。太阳能热发电系统就采用了太阳聚光系统，太阳光聚焦后可以将工质加热到400度至1200度的高温，利用高温产生蒸汽进入传统的汽轮机系统进行发电。

太阳光的聚光有多种实现方式，如有悠久使用历史的太阳灶，采用了一种旋转抛物面形状，将照射的太阳光聚焦到一点。在大规模的太阳光聚光发电或者热利用系统中，常用的聚光形式包括碟式、抛物线槽式、塔式以及线性菲涅耳式等。

线性反射聚光系统，尤其是线性菲涅耳式聚光系统，如图1所示，包括多列平行布置的反射镜，根据入射光的方向，分别调整每一列反射镜的角度，将入射光反射聚焦到同一个位置，即焦线处。

用于对太阳光聚焦的线性反射聚光系统中，在焦线处布置集热器或光伏电池等辐射利用装置，获得比较高的聚光能量，实现太阳光的利用。由于入射光为太阳光，入射光的方向随着太阳的转动不断改变，反射镜需要根据太阳的角度不断调整。调整反射镜角度时，可以根据基于太阳位置的地理算法，计算出太阳在一天中随着时间变化的角度，得到一天各时刻反射镜转动的速度，据此首先调节反射镜使反射光会聚到焦线处，再接着控制镜片的转动，保持反射光照到焦线处。

实际跟踪中，需要一个准确的初始位置，控制反射镜使反射光对准到焦线后，再开始持续跟踪。跟踪后，有很多种因素可能使得反射镜片无法准确反射太阳光，包括已知位置的偏差，转动机构的执行误差，或者是太阳位置计算的误差等。减小这些误差需要比较高的成本，并且无法直观判断反射镜是否准确聚焦。

如果采用常规的辐射测量进行反馈，由于在线性反射聚焦系统中，多列反射镜将太阳光汇聚到一条线上，检测时不同列反射镜之间互相干扰，无法直接单独对某一列反射镜的对准情况进行检测。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种反射镜跟踪对准控制装置的工作方法，对现有线性聚光系统的跟踪控制系统进行改进，来确保反射镜的反射光准确的照射到焦线上，并对没有准确对准的反射镜的跟踪角度进行修正，使能够准确跟踪。该装置能够准确对准，同时系统成本比较低，适合大规模推广应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种反射镜跟踪对准控制装置，包括安装在多列反射镜2的焦线1附近并朝向反射镜2的反射辐射测量元件5，所述反射辐射测量元件5能够接收90～180度角内入射光线，和反射辐射测量元件5连接的数据采集仪6，对反射辐射测量元件5的读数进行实时采集与分析，和数据采集仪6连接的控制器4，和控制器4连接的驱动转动部件3，和驱动转动部件3连接的镜片旋转机构31，镜片旋转机构31与反射镜2相连接，控制器4通过控制驱动转动部件3控制镜片旋转机构31对反射镜2进行旋转，使每一列反射镜跟随入射光方向的变化调整角度，保证光线反射到焦线1处。

还包括直射辐射测量装置8，所述直射辐射测量装置8设置在全天不被遮挡的位置，对太阳辐射进行测量，当太阳辐射值低于特定设计值时，不进行反射镜的跟踪校准。

所述反射辐射测量元件5安装在焦线1东侧。

所述反射辐射测量元件5为光敏元件。

所述光敏元件为光伏电池或光敏电阻。

所述数据采集仪6为电压或电阻测量装置。

上述所述的反射镜跟踪对准控制装置的工作方法，通过控制器4控制反射镜2以恒定角速度v单向旋转，同时通过数据采集仪6对反射辐射测量元件5的测得值进行实时采集及分析，得到反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1，并在较短时间后停止反射镜2的转动，同时记录停止转动的时间t2；在控制器4内进行如下计算：根据t1时刻，反射镜2的反射光照射到反射辐射测量元件5处，由反射辐射测量元件5的角度反推出当时反射镜2的角度a1；结合反射镜2转动的角速度v能够得到t2时刻反射镜2的角度a2；根据此后t3时刻反射镜2正对焦线1的角度a3，调节反射镜2转动的角速度v，使得反射镜2在t3时刻转到正对焦线1的角度a3，随后根据太阳转动的速度同步调节反射镜2的转动速度，实现对太阳光的准确跟踪。

所述的反射辐射测量元件5的辐射测量宽度在不同情况下，有不同的处理方法来获得更准确的反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1：当反射辐射测量元件5的辐射测量宽度与反射镜2的光斑宽度比较接近时，反射辐射测量元件5的测得值呈先增大后减小的序列，测得值开始减小的时刻即反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1；当反射辐射测量元件5的辐射测量宽度大于反射镜2的光斑宽度时，反射辐射测量元件5的测得值呈先增大后保持不变然后再减小的趋势，测得值维持不变的中间时刻即反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1；当反射辐射测量元件5的辐射测量宽度小于反射镜2的光斑宽度时，反射辐射测量元件5的测得值会随着光斑的强度而变化，取测得值明显高于背景值的中间时刻作为反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1，或采用测得值达到最大值的时刻作为反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1。

控制器4分别控制每一列反射镜2，依次进行对准并投入跟踪，避免不同列反射镜2之间互相干扰。

不仅能够用于反射镜2开始跟踪前的对准，还能够用于在跟踪过程中进行校准：将反射镜2逆着跟踪转动的方向旋转预设角度，然后再进行对准检测并投入跟踪。

本发明反射镜跟踪对准控制装置的工作方法，对现有线性聚光系统的跟踪控制系统进行改进，来确保反射镜的反射光准确的照射到焦线上，并对没有准确对准的反射镜的跟踪角度进行修正，使能够准确跟踪。该装置能够准确对准，同时系统成本比较低，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为线性反射聚焦系统示意图。

图2为本发明反射镜跟踪对准控制装置系统图。

图3为反射镜一天中随太阳光的转动。

图4为反射镜跟踪对准控制过程的反射光状态，其中：图4a为t0时刻反射光状态，图4b为t1时刻反射光状态，图4c为t2时刻反射光状态，图4d为t3时刻反射光状态。

图5为反射辐射测量元件的输出，其中：图5a为反射辐射测量元件宽度大于反射镜的光斑宽度的输出，图5b为反射辐射测量元件宽度接近反射镜的光斑宽度的输出，图5c为反射辐射测量元件宽度小于反射镜的光斑宽度的输出。

图中：1—焦线，2—反射镜，3—驱动转动部件，4—控制器，5—反射辐射测量元件，6—数据采集仪，8—直射辐射测量装置，阴影部分为辐射入射口，9—入射光，90—反射光，用虚线表示，a0,a1,a2,a3表示反射镜开口法向与水平面之间的夹角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更详细的说明。

如图1所示，线性反射聚焦系统包含多列平行布置的反射镜2，这些反射镜2将入射的平行光反射汇聚到布置在焦线位置上的辐射吸收装置上。在太阳能利用系统中，辐射吸收装置可以是太阳能真空集热管或光伏电池等。

如图2所示，是安装了反射镜跟踪对准控制装置的系统图。反射镜控制系统一般包括控制器4以及驱动转动部件3，通过控制器4控制驱动转动部件3可以通过镜片旋转机构31对镜片进行旋转，使每一列反射镜跟随入射光方向的变化，调整角度，保证光线反射到焦线1处。

本发明在焦线1附近固定安装了反射辐射测量元件5，朝向反射镜2，用于测量反射镜2的反射辐射；和反射辐射测量元件5连接的数据采集仪6，对反射辐射测量元件5的读数进行实时采集与分析，将辐射数据输入到控制器4。

作为本发明优选的实施方式，由于反射镜从东向西转动，为减少机械误差，反射辐射测量元件5优选的安装在焦线1的东侧，校准反射镜的角度后，再沿着跟踪的方向聚焦到焦线处，可以减少跟踪系统的误差。

作为本发明优选的实施方式，还可以安装附加的直接辐射测量装置8，在辐射强度不佳，如阴天时，避免以上跟踪校正运算，但却无法得到准确的结果。

图3显示了太阳能利用系统中，一列反射镜2在上午和下午时的状态，太阳光上午从东边入射，下午从西边入射，反射镜2也随着从上午朝东的方向旋转到下午朝西的方向，保证反射光照射到焦线1处。太阳的相对位置可以根据算法计算出来，因此可以在计算出太阳光入射方向随时间的变化，用该数据控制反射镜2的转动，实现对太阳的跟踪。

采用本发明的装置进行跟踪对准控制时，以上午的某个时刻为例，如图4所示，用四幅图表示不同时间的反射镜及其反射光线的状态。不同时刻的图中，反射镜2、反射辐射测量元件5以及辐射接收装置即焦线1保持固定，入射光9的方向也基本不变。初始时，将镜片调整到t0时刻图上所述位置，反射镜2需跟随太阳转动后才能照到反射辐射测量元件5上。在该状态下，控制反射镜2以恒定角速度v转动，反射光90将逐渐照射到反射辐射测量元件5上然后照出，及反射光90从反射辐射测量元件5的东边转到西边。该过程中，反射辐射测量元件5测得的辐射值会先上升再下降，当检测到辐射值下降后，停止反射镜2的转动，如t2时刻所示。通过控制器4对通过数据采集仪6获得的反射辐射测量元件5的辐射数据进行分析，可以得到反射光正对反射辐射测量元件5的时间t1，通过太阳位置的计算得到此时太阳光的入射方向，此时反射镜2开口法线与水平方向的夹角a1可以由t1时刻的太阳光入射方向、反射镜2与辐射收集装置即焦线1的相对位置及镜面反射规律计算得到，根据t1、t2时刻及转动角速度v，可以得到t2时刻反射镜2开口法线与水平方向的夹角a2(a2＝a1+(t2-t1)*v)。根据某t3时刻太阳光的入射角度及几何关系，可以计算得到反射光正对辐射吸收装置即焦线1时，反射镜2开口法线与水平方向的夹角a3。由当前的夹角a2、时刻t4起动(a2位置停下计算后再启动的时刻t4，比t2晚，但比t3早)，可以计算出到t3时刻反射镜2转至a3角度所需要的角速度，按此转动速度，反射镜2于t3时刻到达a3角度后，能够准确的将入射光反射到辐射吸收装置即焦线1上，此刻可以开始调整反射镜2转动的速度，使与太阳的转动同步实现实时跟踪。

反射辐射测量元件5可以是光伏电池，配套的数据采集仪测量其输出电压可以得到辐射强度值。

实际应用中，可以采用不同大小的反射辐射测量元件5。如图5所示，当反射辐射测量元件5的辐射测量宽度大于反射镜2的光斑宽度时，反射辐射测量元件的测得值呈先增大后保持不变然后再减小的趋势，测得值维持不变的中间时刻即反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1；当反射辐射测量元件5的辐射测量宽度与反射镜2的光斑宽度比较接近时，反射辐射测量元件的测得值呈先增大后减小的序列，测得值开始减小的时刻即反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1；当反射辐射测量元件5的辐射测量宽度小于反射镜2的光斑宽度时，反射辐射测量元件的测得值会随着光斑的强度而变化，可以取测得值明显高于背景值的中间时刻作为反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1，也可以采用测得值达到最大值的时刻作为反射镜2正对反射辐射测量元件5的时刻t1。

从图1中可以看到，线性反射聚焦系统一般有多列线性反射镜片，可在控制器4内设置调度程序，依次将每一列反射镜进行跟踪对准控制并投入跟踪，同一时间只有一列反射镜照射到反射辐射测量元件5上，避免不同列反射镜之间互相干扰，不同列反射镜的跟踪对准控制由控制器自动调度完成。

为避免外界辐照波动对准确对准位置的判断，可以在焦线1前方安装两个反射辐射测量元件5，使反射镜2与太阳同向转动时，依次照射到两个反射辐射测量元件5上，当第二个反射辐射测量元件5也捕捉到与第一个反射辐射测量元件5相近的辐射波动时，可以更准确地确定反射镜2对准到第一个反射辐射测量元件5的准确时间。

Claims (8)

1.一种反射镜跟踪对准控制装置的工作方法，所述控制装置包括安装在多列反射镜(2)的焦线(1)附近并朝向反射镜(2)的反射辐射测量元件(5)，所述反射辐射测量元件(5)能够接收90～180度角内入射光线，和反射辐射测量元件(5)连接的数据采集仪(6)，对反射辐射测量元件(5)的读数进行实时采集与分析，和数据采集仪(6)连接的控制器(4)，和控制器(4)连接的驱动转动部件(3)，和驱动转动部件(3)连接的镜片旋转机构(31)，镜片旋转机构(31)与反射镜(2)相连接，控制器(4)通过控制驱动转动部件(3)控制镜片旋转机构(31)对反射镜(2)进行旋转，使每一列反射镜跟随入射光方向的变化调整角度，保证光线反射到焦线(1)处；还包括直射辐射测量装置(8)，所述直射辐射测量装置(8)设置在全天不被遮挡的位置，对太阳辐射进行测量，当太阳辐射值低于特定设计值时，不进行反射镜的跟踪校准；

其特征在于：所述工作方法为：通过控制器(4)控制反射镜(2)以恒定角速度v单向旋转，同时通过数据采集仪(6)对反射辐射测量元件(5)的测得值进行实时采集及分析，得到反射镜(2)正对反射辐射测量元件(5)的时刻t1，并在较短时间后停止反射镜(2)的转动，同时记录停止转动的时间t2；在控制器(4)内进行如下计算：根据t1时刻，反射镜(2)的反射光照射到反射辐射测量元件(5)处，由反射辐射测量元件(5)的角度反推出当时反射镜(2)的角度a1；结合反射镜(2)转动的角速度v能够得到t2时刻反射镜(2)的角度a2；根据此后t3时刻反射镜(2)正对焦线(1)的角度a3，调节反射镜(2)转动的角速度v，使得反射镜(2)在t3时刻转到正对焦线(1)的角度a3，随后根据太阳转动的速度同步调节反射镜(2)的转动速度，实现对太阳光的准确跟踪。

2.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述的反射辐射测量元件(5)的辐射测量宽度在不同情况下，有不同的处理方法来获得更准确的反射镜(2)正对反射辐射测量元件(5)的时刻t1：当反射辐射测量元件(5)的辐射测量宽度与反射镜(2)的光斑宽度比较接近时，反射辐射测量元件(5)的测得值呈先增大后减小的序列，测得值开始减小的时刻即反射镜(2)正对反射辐射测量元件(5)的时刻t1；当反射辐射测量元件(5)的辐射测量宽度大于反射镜(2)的光斑宽度时，反射辐射测量元件(5)的测得值呈先增大后保持不变然后再减小的趋势，测得值维持不变的中间时刻即反射镜(2)正对反射辐射测量元件(5)的时刻t1；当反射辐射测量元件(5)的辐射测量宽度小于反射镜(2)的光斑宽度时，反射辐射测量元件(5)的测得值会随着光斑的强度而变化，取测得值明显高于背景值的中间时刻作为反射镜(2)正对反射辐射测量元件(5)的时刻t1，或采用测得值达到最大值的时刻作为反射镜(2)正对反射辐射测量元件(5)的时刻t1。

3.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：控制器(4)分别控制每一列反射镜(2)，依次进行对准并投入跟踪。

4.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：不仅能够用于反射镜(2)开始跟踪前的对准，还能够用于在跟踪过程中进行校准：将反射镜(2)逆着跟踪转动的方向旋转预设角度，然后再进行对准检测并投入跟踪。

5.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述反射辐射测量元件(5)安装在焦线(1)东侧。

6.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述反射辐射测量元件(5)为光敏元件。

7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于：所述光敏元件为光伏电池或光敏电阻。

8.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述数据采集仪(6)为电压或电阻测量装置。