CN104699116A - 一种定日镜跟踪误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定日镜跟踪误差校正方法，包括：设定定日镜跟踪误差检测时间；选择待检定日镜；在某一定日镜跟踪误差检测时间内对待检定日镜检测并记录初始角度误差；根据定日镜初始角度误差调整选定定日镜的旋转角度，然后继续调整定日镜的角度，使得定日镜的角度与目标角度相等；在多个定日镜跟踪误差检测时间内得到选定的定日镜的初始角度误差后，利用这些初始角度误差回归计算该定日镜的固有初始角度误差和立柱倾斜角度误差。

Description

一种定日镜跟踪误差校正方法

技术领域

本发明涉及太阳能热发电领域，特别涉及一种用于塔式太阳能热发电系统中的定日镜跟踪误差校正方法。

背景技术

塔式太阳能热发电站的工作原理是：通过定日镜将太阳光集中反射到安装在高塔上的吸热器以产生高温，利用高温加热工作介质来发电。定日镜的跟踪精度关系到太阳能热发电站的工作效率，因此提高定日镜跟踪精度是塔式太阳能热发电领域重要的研究课题。

从理论上根据定日镜所处的位置、目标靶位置，结合天文公式可以精确计算出太阳所处的位置，计算精度非常高，可达到万分之三度。然而在制造、安装以及运行定日镜的过程中，可能存在各种各样的误差，如：定日镜的水平旋转轴与水平面不垂直，俯仰旋转轴与水平面不平行，定日镜镜面法线与俯仰旋转轴不垂直等。在制造、安装过程中，绝对的垂直和平行是做不到的，一般来说，精度要求越高，成本也就越高。

由于多种影响跟踪精度的因素存在，定日镜的跟踪精度往往比较低，虽然不会偏离目标中心太远，但也不能满足发电的需要，因此需要有其它的提高跟踪精度的方法。到目前为止，提高定日镜跟踪精度的方法有很多种，基本分为闭环控制和开环控制两种。

在中国专利ZL200810025001.6《一种定日镜跟踪控制装置及其控制方法》中，采用闭环相结合的方法，每一台定日镜配一只四象限太阳位置传感器来校正跟踪误差。由于每一台定日镜都安装了一台四象限太阳位置传感器，因此每一台定日镜都可以根据太阳位置传感器的信号，随时校正跟踪误差，跟踪精度取决于传动精度及太阳传感器的灵敏度。但用这种闭环控制的方法成本比较高。

采用开环控制较为普遍，但是由于定日镜在制造安装过程中，不可避免地存在各种误差，因此定日镜在跟踪太阳的过程中会存在不同程序的跟踪误差，为了减小跟踪误差，往往需要对定日镜的制造、安装提出较高的要求，这样会大幅增加定日镜的制造、安装成本。为了降低制造、安装成本，有一种做法是通过图像采集与分析技术，获得定日镜光斑中心的实际位置，与目标位置进行比较，通过定期修正定日镜的初始角度，从而获得较好的跟踪效果。由于这种误差校正方法没有找到定日镜的误差源，因此每隔一段时间，就需要重新获取定日镜的实际位置并与目标位置比较，获得新的初始角度修正参数。这会额外增加工作流程，增加了成本，也容易产生误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的定日镜跟踪误差校正方法流程复杂、成本高的缺陷，从而提供一种过程简单、精度高的定日镜跟踪误差校正方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种定日镜跟踪误差校正方法，用于校正定日镜的初始角度误差与定日镜立柱安装误差，该方法包括：

步骤1）、设定定日镜跟踪误差检测时间；

步骤2）、选择待检定日镜；

步骤3）、在步骤1）所设定的某一定日镜跟踪误差检测时间内对步骤2）所选择的待检定日镜检测并记录初始角度误差；该步骤包括：

步骤3-1）、驱动所选择的定日镜旋转，当该定日镜的当前角度与目标角度相等后，采集该定日镜投射到目标靶白板上的光斑，计算该光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差；

步骤3-2）、根据所述光斑质量中心与目标靶白板几何中心的位置偏差计算该定日镜的偏差修正角度；

步骤3-3）、将所选择的定日镜的初始角度误差与步骤3-2）得到的定日镜的偏差修正角度相加，得到经过校正的初始角度误差；

步骤4）、根据步骤3）得到的新的定日镜初始角度误差调整选定定日镜的旋转角度，然后继续调整定日镜的角度，使得定日镜的角度与目标角度相等；然后采集图像，若检测到的定日镜光斑中心与光靶中心距离大于某一指定值，重新执行步骤3），直到定日镜光斑中心与光靶中心距离小于某一指定值，最后记录当前与检测定日镜的跟踪误差有关的信息；

步骤5）、在多个定日镜跟踪误差检测时间内得到选定的定日镜的初始角度误差后，利用这些初始角度误差回归计算该定日镜的固有初始角度误差和立柱倾斜角度误差。

上述技术方案中，所述的步骤1）包括：将一天划分为多个固定时长的时间段，在这些时间段各自选择一个检测时间点作为定日镜跟踪误差检测时间。

上述技术方案中，所述的步骤2）包括：依次判断辐照度是否大于或等于设定值，风速是否小于或等于设定值，如果上述条件都满足，从定日镜场的多个定日镜中选取与当前时间间隔最长的定日镜作为待检定日镜，并将待检定日镜的目标位置设定为目标靶的白板中心。

上述技术方案中，在所述的步骤3-1）中，所述计算该光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差包括：根据当前的辐照度，设定一个图像背景灰度阀值；采集光斑图像后，从光斑图像中找到目标靶白板上的特征标记点，通过特征标记点的位置计算出目标靶白板几何中心位置及图像中每个像素的大小；将图像上灰度值小于所述图像背景灰度阀值的像素点的灰度值清零，然后计算出基于像素灰度的光斑的质量中心相对于目标靶白板几何中心的位置偏差。

上述技术方案中，在所述的步骤3-2）中，所述的计算偏差修正角度包括：根据目标靶白板的中心坐标、安装倾角以及光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差，计算出光斑质量中心的坐标，然后计算出以该坐标为目标位置的定日镜的目标角度，用这个目标角度值减去以目标靶白板几何中心为目标位置的目标角度，从而得到定日镜的偏差修正角度。

上述技术方案中，在所述的步骤5）中，所述多个定日镜跟踪误差检测时间包括至少8个检测时间点；所述利用这些初始角度误差回归计算所选定日镜的固有初始角度误差和立柱倾斜角度误差包括：如果定日镜立柱安装没有偏差，在所述至少8个检测时间点计算得到的初始角度误差基本相等，此时用新测量的初始角度误差取代原来的固有初始角度误差，固有立柱倾斜角度误差的值不需要改变；若存在定日镜立柱安装偏差，则在至少8个检测时间点计算得到的初始角度误差的值会有较大差别，在某角度范围内按照精度要求回归计算出初始角度误差和立柱倾斜角度误差，即：求出该选定的定日镜的初始角度和立柱倾斜角度，使其在选定的检测时间点计算得到的定日镜反射光线与定日镜旋转中心连线的夹角的平方和最小。

本发明的优点在于：

本发明的方法根据定日镜在全天的跟踪情况，回归计算出两个不容易通过技术手段克服的误差源（四个变量），将这几个变量代入定日镜目标位置计算公式，可以使得定日镜全年的跟踪精度都较高。

附图说明

图1是定日镜控制系统结构图；

图2是检测定日镜跟踪误差的白板的示意图；

图3是选择待检定日镜的流程图；

图4是定日镜校正过程的流程图；

图5是光斑采集处理的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本领域技术人员经过分析后发现，定日镜跟踪过程中常见的误差包括：初始角度误差、定日镜立柱安装误差、目标位置的计算误差、水平旋转轴与俯仰旋转轴不垂直、定日镜镜面中心与旋转中心不重合、定日镜镜面法线与俯仰旋转轴不垂直，此外还包括一些随机误差，如风速风向的影响、定日镜镜面的重力变形。

由于误差源较多，给回归计算带来了很大的困难，例如：定日镜没有准确打到目标点，本领域技术人员通过水平和俯仰旋转定日镜就可以让它打到目标点，也可以通过倾斜立柱让它打到目标点，也可以转动镜面让它打到目标点，因此，通过对一天几个检测点的回归计算，往往不能得到一组理想的回归结果。

本申请的定日镜跟踪误差校正方法所涉及的误差源只包括定日镜立柱安装误差和初始角度误差，上述两种误差之外的其他误差源没有考虑，原因如下：在定日镜加工过程中，保证定日镜传动箱俯仰转轴与水平转轴垂直是容易通过机械加工来实现的，因此，没有考虑“旋转轴不垂直”这个误差参数；在定日镜镜面安装过程中，通过技术手段保证定日镜的镜面法线与俯仰旋转轴垂直，是比较容易实现的，因此也没有考虑这个误差参数；定日镜镜面中心与旋转中心不重合是在机械设计时就存在的固有误差，并且这个偏差是恒定不变的，该参数已经固定写入了定日镜目标角度计算公式，不需要考虑这个误差参数；通过授时及时间同步的方式可以使定日镜得到准确的时间，太阳位置的计算精度可达到万分之三度，比定日镜的精度要求高几个数量级，因此也不需要考虑“目标位置计算误差”这个误差参数；由于风速风向因素引起的随机误差，本领域技术人员可以通过只在风速低的情况上检测跟踪误差，因此不需要考虑风速风向引起的误差；由于重力因素引起的跟踪误差，可以通过制定定日镜镜架的钢性指标来解决，同时，由于重力变形引起的误差较小，因此本申请认为不需要考虑这方面的误差因素。

下面对本发明所适用的定日镜场进行描述。

参考图1，所述定日镜场包括位于定日镜场中心位置的吸热器、分布于吸热器周围的多个定日镜，这些定日镜实时跟踪太阳，将太阳光会聚后投射到吸热器。吸热器吸收太阳光能后，可在后续做进一步的利用。

为了满足定日镜跟踪误差校正的需要，所述定日镜场中还要包括用于检测定日镜跟踪误差的目标靶白板，该目标靶白板如图2所示，它是具有良好的兰波特性的白色平板，在白板上设有几个特征标记点，以便图像分析处理软件辨识。白板安装在吸热器的下方，在定日镜场安装调试的初期，可以多安装几块白板，加快调试进度。

在定日镜跟踪误差校正的过程中，涉及到定日镜的当前角度、目标角度、初始角度、初始角度误差、偏差修正角度、立柱倾斜角度、立柱倾斜角度误差等，这些角度都由方位角和高度角组成；同样，太阳光线的角度也是由太阳光线的方位角和高度角组成。定日镜的初始角度由初始方位角和初始高度角组成，以方位角为例：定日镜在水平旋转方向上安装有一个初始位置开关，当定日镜水平旋转至该开关位置时，定日镜只能顺时针旋转而不能逆时针旋转（从俯视的角度看），此时定日镜法线所对应的方位角就称作初始方位角。定日镜方位方向的旋转角度从这个位置开始计数，即：定日镜的当前方位角=定日镜从初始方位角位置起旋转的角度+初始方位角+初始方位角误差。

以上是对定日镜跟踪误差校正时所涉及的定日镜场以及相关概念的说明，下面对本发明的定日镜跟踪误差校正系统的组成加以描述。

参考图1，本发明的定日镜跟踪误差校正系统包括：用于对单个定日镜进行控制的定日镜控制模块，用于对整个定日镜场进行控制的定日镜场控制模块，用于采集光斑图像并计算光斑图像中心坐标的图像采集与处理模块。

下面对该系统中的各个模块的功能做进一步的说明。

所述定日镜控制模块用于单个定日镜的目标位置计算以及控制定日镜的旋转，定日镜从初始位置起所需旋转角度的计算有多种方式，这些方式是该领域技术人员所熟知的，因此不在此处重复。

所述定日镜场控制模块包括以下功能：确定每一面定日镜的工作状态；如果外部检测条件允许，选择一面定日镜待检，并将待检的定日镜的目标位置设定为白板中心，待该定日镜的就地控制器驱动定日镜旋转至定日镜的当前角度与定日镜的目标角度相等后，定日镜场控制模块发送开始检测指令给图像采集与处理模块；图像采集与处理模块经过图像采集与处理后，会向所述定日镜场控制模块返回光斑质量中心坐标值，所述定日镜场控制模块根据此坐标计算出如果将定日镜光斑移动到光靶中心时，需要的定日镜跟踪偏差角度。

作为一种优选实现方式，本实施例中的定日镜场控制模块还包括一用于记录定日镜初始角度误差和立柱倾斜角度误差的数据库，在该数据库中为每一面定日镜建立一个数据表，在各个定日镜所对应的数据表中，包含了对应定日镜在每个时间段中与跟踪误差有关的信息，这些信息包括：检测时刻的日期、时间、风速、风向、太阳直射辐照度以及检测到的偏差修正角度，这些信息有助于更好地实现跟踪误差校正。

所述图像采集与处理模块包括：CCD相机、图像采集与处理单元。所述CCD相机和所述图像采集与处理单元连接，图像采集与处理单元接收到定日镜场控制模块发出的指令后，通过CCD相机采集光斑图像，然后由该单元对所采集的光斑图像进行处理，得到光斑质量中心的坐标值，并将所述光斑质量中心坐标值传递给定日镜场控制模块。

以上是对本发明的定日镜跟踪误差校正系统中各个模块的功能描述。下面结合该系统对定日镜跟踪误差校正方法的相关步骤做进一步的说明。

本发明的定日镜跟踪误差校正方法包括：

步骤1）、设定定日镜跟踪误差检测时间。

在本步骤中，将一天划分为若干固定时长的时间段，如每一个小时为一个时间段，选定的定日镜在每个时间段都要有检测值。为了满足待选定的定日镜在每个时间段都有检测值的要求，在每个时间段对该定日镜执行后续的步骤2）—步骤4），得到该定日镜在多个时间段的检测值。虽然由于天气因素，有些时间段的数据可信度不高，在后续步骤5）中的回归计算时可以不采用，但是全天要有至少8个点用于回归计算，以增加回推结果的精度。

步骤2）、选择待检定日镜。

选择待检定日镜的过程如图3所示，选择待检定日镜具体包括以下步骤：首先依次判断辐照度是否大于或等于设定值（在本实施例中，设定值是300瓦/平方米），风速是否小于或等于设定值（在本实施例中，设定值是3米/秒），如果上述条件都满足，从记录定日镜跟踪偏差角度的数据库中选择该定日镜对应的数据表，在该数据表中选取当前时间对应的检测日期字段中，距今时间间隔最长的定日镜作为待检定日镜，并将待检定日镜的目标位置设定为白板中心。如果距今时间间隔最长的定日镜有多个，可从这些定日镜中任意选择一个作为待检定日镜。

步骤3）、检测并记录初始角度误差。

该步骤具体包括以下步骤：

步骤3-1）、选定的定日镜上的定日镜控制模块驱动该定日镜旋转，当该定日镜的当前角度与目标角度相等（即该定日镜跟踪到位）后，图像采集与处理模块通过CCD相机采集该定日镜投射到目标靶白板上的光斑，计算出此光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差；

在本步骤中，参考图5，计算光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差的过程如下：图像采集与处理模块根据当前的辐照度，设定一个图像背景灰度阀值；CCD相机采集光斑图像后，图像采集与处理单元从光斑图像中找到目标靶白板上的特征标记点，通过特征标记点的位置计算出目标靶白板几何中心位置及图像中每个像素的大小；将图像上灰度值小于所述图像背景灰度阀值的像素点的灰度值清零，然后就可以计算出基于像素灰度的光斑的质量中心相对于目标靶白板几何中心的位置偏差。

步骤3-2）、定日镜场控制模块依据所述光斑质量中心与目标靶白板几何中心的位置偏差计算出所选定的定日镜需要调整的角度值，这个值就是定日镜的偏差修正角度，即：定日镜旋转偏差修正角度后，应该可以将光斑打到目标靶中心；

在本步骤中，计算偏差修正角度的过程如下：定日镜场控制模块根据目标靶白板的中心坐标、安装倾角以及光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差，计算出光斑质量中心的坐标，然后计算出以该坐标为目标位置的定日镜的目标角度，用这个目标角度值减去以目标靶白板几何中心为目标位置的目标角度，从而得到定日镜的偏差修正角度，用该偏差修正角度调整定日镜的当前角度。

步骤3-3）、将定日镜的初始角度误差与步骤3-2）得到的定日镜的偏差修正角度相加，得到经过校正的新的初始角度误差。

在初次检测时，所选定的定日镜的初始角度误差为0，在二次或多次检测时，将所选定定日镜之前的初始角度误差与偏差修正角度相加，得到经过校正新的初始角度误差。

步骤4）、根据步骤3）得到的新的定日镜初始角度误差调整该定日镜的旋转角度，因为新的初始角度误差与原先的初始角度误差值不相等，使得修正后的定日镜的旋转角度与目标角度不相等，因此继续旋转定日镜直至这两个值相等。接着启动图像采集与处理系统，若检测到的定日镜光斑中心与光靶中心距离大于某一指定值，重新执行步骤3），直到定日镜光斑中心与光靶中心距离小于某一指定值，最后记录当前与检测定日镜的跟踪误差有关的信息。

定日镜的当前角度由定日镜的初始角度、定日镜的初始角度误差以及定日镜的旋转角度三部分构成，因此，定日镜初始角度误差的变化会引起定日镜当前角度的变化。因此定日镜自动旋转，使修正后的定日镜的当前角度与定日镜的目标角度相等，使得目标靶白板上的光斑质量中心与目标靶白板的几何中心重合。

有一些例外的情况：如果定日镜跟踪误差过大，就有可能出现部分光斑溢出到白板以外的情况，也就是说，从白板上检测到的光斑中心并不是实际的光斑中心，这也意味着该定日镜的当前角度无法与目标角度再次相等，因此需要再次执行步骤3），直到偏差修正角度小于某一指定值（如：1毫弧度）。还有一种情况，就是定日镜立柱倾斜角度较大，根据计算得到的偏差修正角度调整定日镜，不能将光斑准确地打到目标靶中心，对于这种情况也需要重新执行步骤3），直到偏差修正角度小于某一指定值（如：1毫弧度）。

所述与检测定日镜的跟踪误差有关的信息包括：日期、时间、风速、风向、辐照、立柱倾斜角度误差以及最终得到的初始角度误差。在检测过程中，立柱倾斜角度误差的值始终不变。

步骤5）、在得到多个时间段所检测到的选定的定日镜的初始角度误差后，利用这些初始角度误差回归计算所选择的定日镜的固有初始角度误差和立柱倾斜角度误差。将回归计算出的固有初始角度误差和倾斜角度误差代入定日镜目标位置计算公式，可以在几个月甚至全年保证目标位置的计算结果的准确性。

如果定日镜的立柱倾斜角度误差是准确的，在各个检测时间点计算得到的初始角度误差应该基本相等，此时可用新测量的初始角度误差取代原来的初始角度误差，立柱倾斜角度误差的值不变。若定日镜立柱倾斜角度误差不准确，则在各个检测时间点计算得到的初始角度误差的值会有较大差别（如超过10毫弧度），在本实施例中可选择8个以上的检测时间点（这些检测时间点在全天分布要相对均匀），在某角度范围（如+-1度）内，按照精度要求（如1毫弧度）回归计算出初始角度误差和立柱倾斜角度误差，即：求出该定日镜的初始角度和立柱倾斜角度，使其在选定的检测点计算得到的定日镜反射光线与定日镜旋转中心连线的夹角的平方和最小。

本发明的方法根据定日镜在全天的跟踪情况，回归计算出两个不容易通过技术手段克服的误差源（四个变量），将这几个变量代入定日镜目标位置计算公式，可以使得定日镜全年的跟踪精度都较高。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种定日镜跟踪误差校正方法，用于校正定日镜的初始角度误差与定日镜立柱安装误差，该方法包括：

步骤1）、设定定日镜跟踪误差检测时间；

步骤2）、选择待检定日镜；

步骤3）、在步骤1）所设定的某一定日镜跟踪误差检测时间内对步骤2）所选择的待检定日镜检测并记录初始角度误差；该步骤包括：

步骤3-1）、驱动所选择的定日镜旋转，当该定日镜的当前角度与目标角度相等后，采集该定日镜投射到目标靶白板上的光斑，计算该光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差；

步骤3-2）、根据所述光斑质量中心与目标靶白板几何中心的位置偏差计算该定日镜的偏差修正角度；

步骤3-3）、将所选择的定日镜的初始角度误差与步骤3-2）得到的定日镜的偏差修正角度相加，得到经过校正的初始角度误差；

步骤4）、根据步骤3）得到的新的定日镜初始角度误差调整选定定日镜的旋转角度，然后继续调整定日镜的角度，使得定日镜的角度与目标角度相等；然后采集图像，若检测到的定日镜光斑中心与光靶中心距离大于某一指定值，重新执行步骤3），直到定日镜光斑中心与光靶中心距离小于某一指定值，最后记录当前与检测定日镜的跟踪误差有关的信息；

步骤5）、在多个定日镜跟踪误差检测时间内得到选定的定日镜的初始角度误差后，利用这些初始角度误差回归计算该定日镜的固有初始角度误差和立柱倾斜角度误差。

2.根据权利要求1所述的定日镜跟踪误差校正方法，其特征在于，所述的步骤1）包括：将一天划分为多个固定时长的时间段，在这些时间段各自选择一个检测时间点作为定日镜跟踪误差检测时间。

3.根据权利要求1所述的定日镜跟踪误差校正方法，其特征在于，所述的步骤2）包括：依次判断辐照度是否大于或等于设定值，风速是否小于或等于设定值，如果上述条件都满足，从定日镜场的多个定日镜中选取与当前时间间隔最长的定日镜作为待检定日镜，并将待检定日镜的目标位置设定为目标靶的白板中心。

4.根据权利要求1所述的定日镜跟踪误差校正方法，其特征在于，在所述的步骤3-1）中，所述计算该光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差包括：根据当前的辐照度，设定一个图像背景灰度阀值；采集光斑图像后，从光斑图像中找到目标靶白板上的特征标记点，通过特征标记点的位置计算出目标靶白板几何中心位置及图像中每个像素的大小；将图像上灰度值小于所述图像背景灰度阀值的像素点的灰度值清零，然后计算出基于像素灰度的光斑的质量中心相对于目标靶白板几何中心的位置偏差。

5.根据权利要求1所述的定日镜跟踪误差校正方法，其特征在于，在所述的步骤3-2）中，所述的计算偏差修正角度包括：根据目标靶白板的中心坐标、安装倾角以及光斑质量中心与白板几何中心的位置偏差，计算出光斑质量中心的坐标，然后计算出以该坐标为目标位置的定日镜的目标角度，用这个目标角度值减去以目标靶白板几何中心为目标位置的目标角度，从而得到定日镜的偏差修正角度。

6.根据权利要求1所述的定日镜跟踪误差校正方法，其特征在于，在所述的步骤5）中，所述多个定日镜跟踪误差检测时间包括至少8个检测时间点；所述利用这些初始角度误差回归计算所选定日镜的固有初始角度误差和立柱倾斜角度误差包括：如果定日镜立柱安装没有偏差，在所述至少8个检测时间点计算得到的初始角度误差基本相等，此时用新测量的初始角度误差取代原来的固有初始角度误差，固有立柱倾斜角度误差的值不需要改变；若存在定日镜立柱安装偏差，则在至少8个检测时间点计算得到的初始角度误差的值会有较大差别，在某角度范围内按照精度要求回归计算出初始角度误差和立柱倾斜角度误差，即：求出该选定的定日镜的初始角度和立柱倾斜角度，使其在选定的检测时间点计算得到的定日镜反射光线与定日镜旋转中心连线的夹角的平方和最小。