CN105022410A - 一种塔式太阳能发电系统定日镜校准系统及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式太阳能发电系统定日镜校准系统及校准方法，通过第一控制单元控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动，使定日镜的反射光斑落入图像传感器的采集范围内，图像传感器采集反射光斑图像后，第二控制单元根据图像传感器获得的反射光斑图像，协调所述第一控制单元微调定日镜的姿态，使反射光斑位于定日镜的指定位置，并记录定日镜此时的姿态信息。结合图像传感器绝对位置信息、太阳角度对定日镜运动模型进行校准，其校准精度高、系统误差小、校准速度快、系统运行成本低。

Description

一种塔式太阳能发电系统定日镜校准系统及校准方法

技术领域

本发明涉及太阳能发电系统领域，特别涉及一种塔式太阳能发电系统定日镜校准系统及校准方法。

背景技术

太阳能作为一种清洁的可再生能源得到越来越多的应用，尤其是光热发电技术是继光伏发电技术以后的新兴太阳能利用技术。在几种光热发电技术中，塔式太阳能热发电是采用大量的定日镜将太阳光聚集到设置在吸热塔顶的吸热器上，加热工质，产生蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电。其中，定日镜追日运动和校准是塔式太阳能热发电的关键技术之一，整个定日镜场由成千上万面定日镜组成，每面定日镜都由一个定日镜控制器控制，进行独立、分散控制。然而，由于定日镜数量庞大，造成现有的定日镜校准系统成本高昂，且校准动作较慢。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种塔式太阳能发电系统定日镜校准系统。本发明通过以下技术方案实现：

一种塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，包括：

至少一个定日镜，用于反射由校准光源发出的光线；

至少一个能量接收器，用于接收定日镜反射的光线；

至少一个图像传感器，采集至少一个定日镜的反射光斑图像；

第一控制单元，连接每一定日镜，用以控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动，使定日镜的反射光斑落入图像传感器的采集范围内；

第二控制单元，连接图像传感器以及第一控制单元，根据图像传感器获得的反射光斑图像，协调第一控制单元微调定日镜的姿态，使反射光斑位于定日镜的指定位置，并记录定日镜此时的姿态信息，根据定日镜的位置以及姿态信息计算所需校准的运动模型参数。

较佳的，第二控制单元协调第一控制单元微调定日镜的姿态包括：

控制定日镜方位轴、高度轴以一定的步长回转动作；方位轴、高度轴的动作历程S_d由包括采样历程时间T、采样精度误差限ε、全场定日镜间相互协调运营优化因子δ在内的因素确定的采样目标函数J＝f(T,ε,δ,…)来确定，即S_d为使得目标函数J最优的一个取值。

较佳的，图像传感器为固定安装姿态或可变安装姿态。

较佳的，校准光源为太阳光或人工光源。

较佳的，图像传感器设置于具有隔热、防水、反光功能的防护机构内，并且，防护机构的至少一个侧面上设置有透光镜，用于图像传感器采集定日镜的反射光斑。

较佳的，透光镜为吸收型或反射型光减弱透光镜。

较佳的，第一控制单元与第二控制单元的时间同步。

本发明另提供一种塔式太阳能发电系统定日镜校准方法，根据上述塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，执行步骤：

S1、第一控制单元控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动，使定日镜的反射光斑落入图像传感器的采集范围内；

S2、图像传感器采集反射光斑图像；

S3、第二控制单元根据图像传感器获得的反射光斑图像，协调述第一控制单元微调定日镜的姿态，使反射光斑位于定日镜的指定位置，并记录定日镜此时的姿态信息；

S4、根据定日镜需要校准的模型参数的个数n，重复步骤S1至S3至少n/2次，获得n/2个采样样本；

S5、第二控制单元根据定日镜的位置以及姿态信息计算所需校准的运动模型参数，并保存至描述不同定日镜运动模型的数据库中，由已经获得所需校准运动模型参数的定日镜，同时根据太阳能发电系统所处的地理位置，能量接收器的位置，系统运营时间，太阳角度，即可计算整个太阳能发电场中每个定日镜在任何时刻将反射目标位置设置为能量接收器表面时的姿态，从而实现对定日镜的校准。

较佳的，第二控制单元协调第一控制单元微调定日镜的姿态包括：

控制定日镜方位轴、高度轴以一定的步长回转动作；方位轴、高度轴的动作历程S_d由包括采样历程时间T、采样精度误差限ε、全场定日镜间相互协调运营优化因子δ在内的因素确定的采样目标函数J＝f(T,ε,δ,…)来确定，即S_d为使得目标函数J最优的一个取值。

较佳的，第一控制单元与第二控制单元的时间同步。

本发明通过对图像传感器捕获图像进行实时分析确定出定日镜与光斑相对位置关系及对应的定日镜姿态信息，结合图像传感器绝对位置信息、太阳角度对定日镜运动模型进行校准，其校准精度高、系统误差小、校准速度快、系统运行成本低。

附图说明

图1所示的是本发明校准系统的结构示意图；

图2所示的是本发明图像传感器的侧视图；

图3所示的是本发明图像传感器的正视图；

图4所示的是本发明校准系统的物理连接示意图；

图5所示的是本发明图像采集过程中定日镜的状态转移示意图；

图6所示的是本发明定日镜在一状态下图像传感器捕获的光斑与定日镜的相对位置示意图；

图7所示的是本发明第一控制单元的工作流程图；

图8所示的是本发明第二控制单元的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

图1所示为太阳能发电站的定日镜校准系统，其包括一个安装于基础塔架2上的能量接收器1，能量接收器1接收定日镜4反射的太阳光；能量接收器1具有合适的高度保证所述的定日镜4反射的太阳光均匀分布在能量接收器1上，以加热能量接收器1内部的工质(如水或熔盐)。

太阳能发电站的定日镜校准系统还应包括安装于能量接收器1周围的定日镜场；定日镜场包括至少一个定日镜4；定日镜4配置有两个旋转轴，分别为高度轴和方位轴，定日镜4绕分别绕两个旋转轴进行高度角和方位角的调整；为适应大规模镜场节约成本的需求，旋转轴可不配置角度传感器，通过激励步进电机运动一定数量的电压脉冲达到对旋转轴转角精确控制的目的，或者通过直流电机的霍尔单元或光栅编码器或其他合适的角度敏感元件达到旋转轴转角精确控制的目的。

定日镜通过调整镜面姿态(方位角、高度角)以开环或者闭环方式跟踪一天中太阳轨迹的变化，使得太阳光被连续反射至接收器1表面。

本实施例中至少一个定日镜4安装在能量接收器1的一侧，在另一个实施例中，定日镜可以安装在接收器周围任意合适的位置。

在图1所示的实施例中，图像传感器501安装在能量接收器1附近或者不加限定地布置于定日镜镜场的任何区域，以使图像传感器可以检测到至少一面定日镜的反射光斑。

在图1所示的实施例中，图像传感器安装于塔架2或位于塔架顶端的能量接收器1上；在另一实施例中，图像传感器可独立安装于固定支撑结构上(图中未示出)，并且固定支撑结构可以任意合适的数量分布在镜场任意合适的位置，此处的固定支撑结构在镜场中的位置不同于塔架2的位置，固定支撑结构具有 合适的高度使得所有图像传感器的视野51可以配合完成对全镜场所有定日镜有效覆盖。

在图2、图3所示的实施例中，图像传感器501设置于防护机构5内部，并通过支撑杆503固定在防护机构5底部的基座502上，此处应当理解图像传感器501可以以任意合适的方式固定在防护机构5内部，并且图像传感器支撑杆503可以设计为旋转机构，以达到人工调节或者通过马达自动调节图像传感器的姿态，以提供图像传感器可变的视野范围51，达到对镜场中不同区域的定日镜进行检测的目的。采集的图像为彩色图片或者灰度图片，采集到的定日镜反射图像为太阳或其他人工光源的反射光斑，本发明不做限制。

在一些实施例中，图像传感器可配置为具有定焦距或者自动变焦距的功能。

在图2、图3所示的实施例中，防护机构透光镜504固定在防护机构5的前面板，透光镜504的大小以不影响图像传感器501的视野为宜，即透光镜504的大小为其边缘不落在图像传感器501与目标定日镜间光路上的最小尺寸。

在图2、图3所示的实施例中，透光镜504具有良好的光学特性，具有均匀衰减自然光的能力，并且衰减光的比例固定不变或者可以自由调节衰减光的比例。

在图2、图3所示的实施例中，透光镜504具有耐高温性能，可以承受强烈的温度冲击，透光镜504还具有良好的机械强度。

在图2、图3所示的实施例中，图像传感器501设置于防护机构5内，此处应当理解防护机构5可以是能够容纳图像传感器501安装于内部的所有可能的结构。

在图2、图3所示的实施例中，防护机构5底部还包含固定部件505，用于将防护机构5与固定支撑结构连接固定(图中固定部件505仅为说明目的，实际的固定部件可以是其他合理的固定方式)。

在一些实施例中，防护机构5具有隔热，防水，反光的功能，以达到对防护机构内部图像传感器进行安全防护的目的。

在一些实施例中，为了保证图像传感器正常工作，可在防护机构内部安装散热装置(图中未示出)，加强与外部空气的热对流，或可替代地选择其他散热方式，以降低图像传感器工作环境的温度。

在图4所示的实施例中，图像传感器501通过通讯线缆61或者其他有线或无线通讯方式与图像控制器6(即第二控制单元)进行交互。 

在一些实施例中，图像控制器6为PC，也可以为二次开发的图像处理模块。

在图4所示的实施例中，定日镜控制器7(即第一控制单元)通过通讯线缆41或其他有线或无线通讯方式连接每一定日镜，用以控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动，调整定日镜的方位角和高度角，使定日镜的反射光斑落入所述图像传感器501的采集范围内(即定日镜反射光斑的亮度达到图像传感器预设的亮度阈值，即认为定日镜的反射光斑落入图像传感器501的采集范围)。

在一些实施例中，第一控制单元7为PC，也可以为其他二次开发的控制管理模块。

在图4所示的实施例中，第二控制单元6与第一控制单元7之间通过有线或无线的通讯方式进行信息交互。第二控制单元6根据对图像传感器501获得的反射光斑图像的处理结果，协调第一控制单元7微调定日镜的姿态(方位角和高度角)，使反射光斑位于定日镜的指定位置，并记录定日镜此时的姿态信息，根据定日镜的位置以及姿态信息计算所需校准的运动模型参数，并保存至描述不同定日镜运动模型的数据库中，由已经获得所需校准运动模型参数的定日镜，同时根据太阳能发电系统所处的地理位置，能量接收器的位置，系统运营时间，太阳角度，即可计算整个太阳能发电场中每个定日镜在任何时刻将反射目标位置设置为能量接收器表面时的姿态，从而实现对定日镜的校准。

其中，第二控制单元协调所述第一控制单元微调定日镜的姿态包括，控制定日镜方位轴、高度轴以一定的步长回转动作；方位轴、高度轴的动作历程S_d由包括采样历程时间T、采样精度误差限ε、全场定日镜间相互协调运营优化因子δ在内的因素确定的采样目标函数J＝f(T,ε,δ,…)来确定，即S_d为使得目标函数J最优的一个取值。

在一些实施例中，为保证系统的实时性，需要将第一控制单元7时间与第二控制单元6时间进行同步，第一控制单元7还配置为接受第二控制单元6输出的光斑轮廓与定日镜成像信息，对定日镜初始转角是否到位进行判断(即对反射光斑是否落入图像传感器501的采集范围进行判断)，定日镜初始转角到位后，第一控制单元7根据第二控制单元6对采集的光斑图像的处理结果控制定日镜进行图5所示的光斑采集过程，最终获得定日镜姿态90(即反射光斑位于定日镜的指定位置)时，完成该定日镜的一次采样过程。

下面对图5所示的光斑采集过程进行具体描述：

如图5所示，第一控制单元7根据第二控制单元6对光斑图像的处理结果控制当前定日镜按照某一设定路径91-92微调定日镜姿态，第二控制单元6按照设定的阈值对定日镜反射光斑图像进行处理，定日镜在91状态下第二控制单元6识别到光斑亮度为设定的阈值亮度，在定日镜姿态从91到92状态变化过程中，光斑亮度经历从逐步大于阈值亮度再逐步减小至阈值亮度的过程，定日镜在92状态下光斑亮度为设定的阈值亮度；此时记录下91状态和92状态的第一中间状态911，然后，第一控制单元7根据第二控制单元6对光斑图像的处理结果控制定日镜按照路径93-94微调定日镜姿态，其中路径93-94要经过第一中间状态911，按照上述同样的方法找到93状态和94状态的第二中间状态912，然后，第一控制单元7根据第二控制单元6对反射光斑图像的处理结果控制定日镜按照路径95-96微调定日镜姿态，其中路径95-96要经过第二中间状态912，按照上述方法找到95状态到96状态的第三中间状态913，以此类推，第一控制单元7根据第二控制单元6对反射光斑图像的处理结果控制定日镜按照路径97-98微调定日镜姿态，并找到97状态到98状态的第四中间状态90，即得到满足条件的定日镜姿态90，其中路径97-98要经过第三中间状态913。需要注意的是，本实施例中定日镜姿态变化了4次，仅仅是为了说明本发明在实际运行过程中使定日镜反射光斑到达定日镜指定位置的方式，在实际实施过程中，对定日镜姿态的变化次数不作限 制，定日镜姿态的变化次数主要是根据方位轴、高度轴的动作历程S_d能否使得目标函数J＝f(T,ε,δ,…)取得最优值来确定的，其中，T为采样历程时间，ε为采样精度误差限，δ为全场定日镜间相互协调运营优化因子。

在图5所示的实施例中，执行定日镜姿态变化过程并由第二控制单元6记录下光斑亮度为设定阈值亮度时的定日镜姿态，9为所有这些边界点组成的轮廓，在一些实施例中，可通过设定不同的阈值来限制轮廓9区域的大小；图6为某一定日镜按照图5的路径变化姿态时，第二控制单元6计算图像传感器501捕获的光斑与定日镜相对位置；

在图6所示的实施例中，定日镜轮廓601与校准光源(太阳或者人造光源)轮廓602相对位置关系为图5中定日镜某一姿态下定日镜轮廓与校准光源轮廓相对位置关系的一个特例。

在一些实施例中，第二控制单元6应当控制图像传感器501以一定的帧率对定日镜光斑图像进行捕获并处理，以保证系统的实时性。

在一些实施例中，图像传感器501可以配置为同时采集多面(如10面，20面，50面或者更多数量)定日镜的反射光斑图像，第二控制单元6能够并行处理图像传感器501采集的多面定日镜的反射镜光斑图像。

在一些实施例中，根据定日镜模型参数数量确定所需的定日镜采样数量和时间分布，通过满足数量和时间分布要求的定日镜采样样本对描述定日镜运动特性的模型参数进行校准，校准完成后将定日镜模型参数下载到数据库。

在一些实施例中，第一控制单元7需要包括对全镜场定日镜采样次序进行综合调度，以使得全镜场每一面定日镜具有多个时刻的样本，同时全镜场的采样过程具有较高的运行效率。

根据上述塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，并结合图7和图8，详细说明本发明的塔式太阳能发电系统定日镜校准方法，包括执行步骤：

S1、第一控制单元选取待校准定日镜，然后由第一控制单元下发定日镜转角指令，控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动，使定日镜的反射光斑落入图像传感器的采集范围内；第一控制单元控制定日镜转动，转动过程包括预测定日镜转至目标姿态时太阳角度的偏移补偿(当校准光源选择人工光源时，此过程可忽略)，使得定日镜在开始步骤S2前，有一个合适的初始姿态。

S2、在S1中第一控制单元控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动的同时，第二控制单元控制图像传感器采集反射光斑图像，并对图像传感器采集的反射光斑图像进行实时处理，当图像处理结果显示反射光斑落入图像传感器的采集范围时，说明定日镜转角到位，进行S3；当图像处理结果显示反射光斑未落入图像传感器的采集范围时，说明定日镜转角未到位，重新执行S1，直至反射光斑落入图像传感器的采集范围；

S3、当反射光斑落入图像传感器的采集范围时，第二控制单元实时处理图像传感器获得的反射光斑图像，并协调述第一控制单元微调定日镜的姿态，当反射光斑位于位于定日镜的指定位置时，记录定日镜此时的姿态信息，结束校验；当反射光斑未达到定日镜的指定位置时，重复S3，直至反射光斑位于定日镜的指定位置，记录定日镜此时的姿态信息后，结束校验。

第一控制单元微调过程包括控制定日镜方位轴、高度轴以一定的步长回转动作(如以1mrad作为步长，以1.5mrad作为步长，或其他合适的步长数值)，方位轴、高度轴的回转动作可以依次单独动作也可以同时协调动作；方位轴、高度轴的动作历程S_d由采样历程时间T、采样精度误差限ε、全场定日镜间相互协调运营优化因子δ等因素确定的采样目标函数J＝f(T,ε,δ,…)来确定。即S_d为使得目标函数J最优的一个可能的取值。

第二控制单元与第一控制单元的协调控制过程包括第一控制单元响应第二控制单元图像处理结果，并控制第一控制单元完成定日镜姿态的改变，以使得光斑出现在定日镜成像区域内(即使得反射光斑到达定日镜的指定位置)。

S4、根据定日镜需要校准的模型参数的个数n，重复步骤S1至S3至少n/2次，获得n/2个采样样本；

S5、第二控制单元根据定日镜的位置以及姿态信息计算所需校准的运动模型参数，并保存至描述不同定日镜运动模型的数据库中，由已经获得所需校准运动模型参数的定日镜，同时根据太阳能发电系统所处的地理位置，能量接收器的位置，系统运营时刻，太阳角度，即可计算整个太阳能发电场中每个定日镜在任何时刻将反射目标位置设置为能量接收器表面时的姿态，该姿态可换算为定日镜方位轴、高度轴唯一的电机状态，通过第一控制器下发方位轴、高度轴电机指令，从而实现对定日镜的校准。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，包括：

至少一个定日镜，用于反射由校准光源发出的光线；

至少一个能量接收器，用于接收定日镜反射的光线；

至少一个图像传感器，采集至少一个定日镜的反射光斑图像；

第一控制单元，连接每一定日镜，用以控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动，使定日镜的反射光斑落入所述图像传感器的采集范围内；

第二控制单元，连接所述图像传感器以及所述第一控制单元，根据所述图像传感器获得的反射光斑图像，协调所述第一控制单元微调定日镜的姿态，使反射光斑位于定日镜的指定位置，并记录定日镜此时的姿态信息，根据定日镜的位置以及姿态信息计算所需校准的运动模型参数。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，所述第二控制单元协调所述第一控制单元微调定日镜的姿态包括：

控制定日镜方位轴、高度轴以一定的步长回转动作；方位轴、高度轴的动作历程S_d由包括采样历程时间T、采样精度误差限ε、全场定日镜间相互协调运营优化因子δ在内的因素确定的采样目标函数J＝f(T,ε,δ,…)来确定，即S_d为使得目标函数J最优的一个取值。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，所述图像传感器为固定安装姿态或可变安装姿态。

4.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，所述校准光源为太阳光或人工光源。

5.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，所述图像传感器设置于具有隔热、防水、反光功能的防护机构内，并且，所述防护机构的至少一个侧面上设置有透光镜，用于图像传感器采集定日镜的反射光斑。

6.根据权利要求5所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，所述透光镜为吸收型或反射型光减弱透光镜。

7.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，所述第一控制单元与所述第二控制单元的时间同步。

8.一种塔式太阳能发电系统定日镜校准方法，其特征在于，提供如权利要求1所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，执行步骤：

S1、第一控制单元控制定日镜的驱动电机按照预定路径转动，使定日镜的反射光斑落入图像传感器的采集范围内；

S2、图像传感器采集反射光斑图像；

S3、第二控制单元根据图像传感器获得的反射光斑图像，协调述第一控制单元微调定日镜的姿态，使反射光斑位于定日镜的指定位置，并记录定日镜此时的姿态信息；

S4、根据定日镜需要校准的模型参数的个数n，重复步骤S1至S3至少n/2次，获得n/2个采样样本；

S5、第二控制单元根据定日镜的位置以及姿态信息计算所需校准的运动模型参数，并保存至描述不同定日镜运动模型的数据库中，由已经获得所需校准运动模型参数的定日镜，同时根据太阳能发电系统所处的地理位置，能量接收器的位置，系统运营时间，太阳角度，即可计算整个太阳能发电场中每个定日镜在任何时刻将反射目标位置设置为能量接收器表面时的姿态，从而实现对定日镜的校准。

9.根据权利要求8所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准方法，其特征在于，第二控制单元协调所述第一控制单元微调定日镜的姿态包括：

控制定日镜方位轴、高度轴以一定的步长回转动作；方位轴、高度轴的动作历程S_d由包括采样历程时间T、采样精度误差限ε、全场定日镜间相互协调运营优化因子δ在内的因素确定的采样目标函数J＝f(T,ε,δ,…)来确定，即S_d为使得目标函数J最优的一个取值。

10.根据权利要求8所述的塔式太阳能发电系统定日镜校准系统，其特征在于，所述第一控制单元与所述第二控制单元的时间同步。