CN105425833A - 一种高效的定日镜追日跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效的定日镜追日跟踪方法，通过计算定日镜所处位置在当前时刻的太阳高度角h_s和方位角θ_s；采用简化的公式替代NREL公布的SPA太阳位置算法，实现太阳高度角和方位角的计算，通过光学反射原理和几何对称原理计算定日镜的追日跟踪位置，发送指令给步进电机控制定日镜的转动，实现定日镜的追日跟踪控制，太阳高度角和方位角的计算方法简单，计算效率高，易于编程实现，具有较高的实用性和可靠性。

Description

一种高效的定日镜追日跟踪方法

【技术领域】

本发明涉及塔式太阳能热发电定日镜控制领域，具体涉及一种高效的定日镜追日跟踪方法。

【背景技术】

塔式太阳能热发电技术利用定日镜跟踪太阳，使其反射光能够精确地投射到置于接收塔顶部的吸热器换热面上，吸热器将太阳光能转变成热能并加热盘管内流动着的介质(水或其它流体)产生中高温蒸汽驱动汽轮发电机组发电。塔式太阳能热发电技术的关键是如何精确的控制定日镜的追日跟踪轨迹，使太阳的反射光斑能准确的定位到塔式吸热器上。

现有的定日镜跟踪控制方式主要可分为两种：光电跟踪方式和追日运动轨迹跟踪方式；前者是闭环的控制系统，后者是开环的控制系统。光电跟踪主要是应用传感器或光敏电阻等器件测量太阳光线的角度，比较得出太阳光线与定日镜法线的夹角，进而发送信号给定日镜的传动机构，带动定日镜转动，使定日镜法线与太阳光线的夹角逐渐减少，逐渐完成对太阳位置的跟踪。光电跟踪方式的缺点在于：①光敏传感器只有在有光线的情况下才会工作，当遇到恶劣天气(例如多云或阴天)时，光敏传感器就会失去作用，导致跟踪无法进行。②塔式太阳能热电站镜场定日镜数量成千上万，若在每台定日镜上都安装光电传感机构，成本高昂。因此高精度开环追日跟踪算法对于大规模定日镜场的建设来说具有高性价，可极大降低工程造价，具有重要的意义。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高效的、易于工程实现的塔式太阳能热发电厂定日镜追日跟踪方法。

为达到上述目的，本发明采取如下方案予以实现：

一种高效的定日镜追日跟踪方法，首先，通过GPS定位得到定日镜所处位置的经纬度，计算定日镜所处位置在当前时刻的太阳高度角h_s和方位角θ_s；

其次，通过光学反射原理和几何对称原理确定太阳至定日镜连线与定日镜至吸热器连线夹角的平分线；

最后，通过该平分线得出定日镜当前的水平角度和旋转角度，从而控制定日镜的驱动执行机构将定日镜转动正确的角度，实现定日镜的追日跟踪控制。

进一步，确定太阳至定日镜连线与定日镜至吸热器连线夹角的平分线步骤如下：

第一步，设定日镜所处的位置为O点，太阳光入射光线向量为AO，吸热器位于B点，镜面反射向量为OB，以O点为原点建立空间三维坐标系，其中东西为X轴，向东为正，南北为Y轴，向南为正，天地为Z轴，向天为正；

第二步，O点坐标为(0,0,0)，以O为中心点，以O点到B点的距离为半径R，建立一个球面，A点为任意时间太阳入射光与球面的交点，设坐标为(x_a、y_a、z_a)，F点为A点在面XOY平面上的投影点，其中AO为入射光路径，OB为反射光路径；

第三步，由太阳高度角和方位角的定义和计算过程可知∠XOF为方位角θ_s、∠AOF为高度角h_s；在空间上取AB中点为E，则EO即为入射光路径AO和反射光路径OB的平分线。

进一步，所述太阳高度角h_s和方位角θ_s通过下式计算得到：

sinh_s＝sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω

${\mathrm{cos\θ}}_s=\frac{\sin h_s\·\sin \mathrm{\φ}-sin\mathrm{\δ}}{\cos \mathrm{\δ}\·cos\mathrm{\φ}}$

其中，φ为定日镜所处位置的纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳自转的时角。

进一步，计算太阳赤纬角δ通过下式计算得到：

其中，n是一年中的第几天；

太阳自转的时角ω＝(12-T)×15°，其中，T为当地真太阳时，具体计算公式为：

$T=T_{Local}\±(120-J)\×\frac{1}{15}+0.0028+T_{sc}$

其中，T_Local为当地的时间，J为定日镜所处的经度与当地时间的经度差，西半球为正号，东半球为负号，T_sc为定日镜所所处位置与北京时差。

进一步，所述定日镜的驱动执行机构为两个步进电机，步进电机工作过程中通过位置编码器记录步进电机的运行步数，实现控制反馈，校正定日镜的跟踪误差。

进一步，控制驱动执行机构运转过程中，采用定时复位程序定期对定日镜控制器进行归位操作来消除控制累积误差。

本发明的高效的定日镜追日跟踪方法，通过计算定日镜所处位置在当前时刻的太阳高度角h_s和方位角θ_s；采用简化的公式替代NREL公布的SPA太阳位置算法，实现太阳高度角和方位角的计算，通过光学反射原理和几何对称原理计算定日镜的追日跟踪位置，发送指令给步进电机控制定日镜的转动，实现定日镜的追日跟踪控制，太阳高度角和方位角的计算方法简单，计算效率高，易于编程实现，具有较高的实用性和可靠性。

本发明进一步的改进在于：采用位置编码器对步进电机进行测量反馈，取代采用角度传感器对定日镜跟踪位置进行反馈，节省大量成本。

本发明进一步的改进在于：在传动机构精度足够高时，采用定时复位程序定期对定日镜控制器归位操作来消除累积误差，从而取代采用摄像机拍摄白板上的反射光斑的方式进行离线误差校正。

【附图说明】

图1是本发明定日镜追日跟踪原理图

图2是本发明太阳角度定义图

图3是本发明定日镜追日跟踪计算示意图

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

太阳赤纬角是地球极轴与黄道天球极轴的夹角，该夹角在一年中的不同天不相同。计算太阳赤纬角δ的方程为：

$\mathrm{\δ}=23.45sin(360\×\frac{284+n}{365})$

上式中，n一年中的第几天。

太阳自转的角速度称为时角，时角的变化在一定程度上也可以反映太阳方位的变化，时角ω的计算公式是：

ω＝(12-T)×15°

上式中，T为当地真太阳时，具体计算公式为：

$T=T_{Local}\±(120-J)\×\frac{1}{15}+0.0028+T_{sc}$

上式中，T_Local为当地的时间(北京时间)，J为定日镜所处的经度与北京时间的经度差，西半球为正号，东半球为负号，Tsc为定日镜所所处位置与北京时差。

从定日镜的所处的位置看来，太阳在天空半球内的位置完全可以由高度角和方位角二者所确定，如图2。太阳高度角为地平线与定日镜至太阳连线之间的夹角；太阳方位角为自定日镜所在地朝正北的水平线至定日镜与定日镜至太阳连线在地平面上的投影之间的夹角。当已知定日镜所处位置的具体经纬度时(可由GPS得到)，就可以计算该点在当前时刻的太阳高度角和方位角，具体由以下二式可得：

sinh_s＝sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω

${\mathrm{cos\θ}}_s=\frac{\sin h_s\·sin\mathrm{\φ}-sin\mathrm{\δ}}{\cos \mathrm{\δ}\·cos\mathrm{\φ}}$

其中，φ为当地的纬度。

通过以上计算得到定日镜当前时刻所处位置的太阳高度角和方位角，可以通过光学反射原理和几何对称原理计算定日镜的追日跟踪位置，从而控制定日镜的驱动执行机构将定日镜转动正确的角度，实现定日镜的追日跟踪控制，具体计算过程如下：

如图3所示，假设定日镜所处的位置为O点，太阳光入射光线向量为AO，吸热器位于B点，镜面反射向量为OB。

以定日镜的位置O点为原点建立空间三维坐标系，其中东西为X轴(向东为正)，南北为Y轴(向南为正)，天地为Z轴(向天为正)。

O点坐标为(0,0,0)，以O为中心点，O点到聚光塔吸热器点B的距离为半径R，建立一个球面，BC垂直于OC，A点为任意时间太阳入射光与球面的交点，设坐标为(x_a、y_a、z_a)，F为A在面XOY上的投影点，其中AO为入射光，OB为反射光。

由太阳高度角和方位角的定义和计算过程可知∠XOF为方位角θ_s、∠AOF为高度角h_s。

在空间上，AB取中点为E，EO为光线AO和OB平分线，并且EO与定日镜垂直。记坐标B(x_b、y_b、z_b)，在定日镜场设计时，定日镜的位置和聚光塔的位置是已知值，因此B点的坐标值也是已知值。

$R^2=x_b^2+y_b^2+z_b^2$

由球面半径R的数值，根据三角函数关系可以求得A点的坐标。

E是AB的中点，由此可以求得E点的坐标。由于OE是垂直于定日镜镜面的法相向量，因此通过向量OE可以得出定日镜当前的水平角度和旋转角度，从而得出传动执行机构需要转动的角度，如图1。

定日镜就地控制器跟踪算法的程序控制流程具体步骤如下。

采用二维跟踪的驱动执行机构，由太阳的方位角和高度角两个自动跟踪信号分别驱动两个步进电机。使用本发明公开的太阳位置算法通过定日镜就地控制器输入时间、地点、环境参数和定日镜的信息就可以得到此刻太阳位置，再通过光学反射原理和几何对称原理计算定日镜的追日跟踪位置，并与定日镜当前位置信息比较，得出定日镜需要转动的角度，就地控制器发送指令给步进电机控制定日镜的转动，并通过位置编码器记录电机的运行步数，取代角度传感器实现控制反馈，校正定日镜的跟踪误差。运行前输入定日镜所处位置的经纬度则自动计算每一时刻太阳位置并转换成两个方向的电机运行步数。运行时综合考虑驱动机构的启动惯性所需要的最短时间和保证控制精度所限制的最长时间两个因素，设定一个合适的脉冲宽度。虽然每次动作的时间常数设定后恒定不变，但输出脉冲信号周期变化，因而可获得自动跟踪太阳方位角的时序控制信号。定日镜控制系统采用就地控制、集中控制和全自动控制三种模式，正常情况下系统以全自动控制方式运行，当设备出现故障或调试时使用就地控制和集中控制，所有定日镜的动作都是由就地控制器编程实现的，不需要操作人员的干预。若传动机构精度足够高，可以采用定时将跟踪算法自动复位的方式进行归位操作，从而消除传动执行机构的累计误差。

Claims (6)

1.一种高效的定日镜追日跟踪方法，其特征在于：

首先，通过GPS定位得到定日镜所处位置的经纬度，计算定日镜所处位置在当前时刻的太阳高度角h_s和方位角θ_s；

其次，通过光学反射原理和几何对称原理确定太阳至定日镜连线与定日镜至吸热器连线夹角的平分线；

最后，通过该平分线得出定日镜当前的水平角度和旋转角度，从而控制定日镜的驱动执行机构将定日镜转动正确的角度，实现定日镜的追日跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的高效的定日镜追日跟踪方法，其特征在于：确定太阳至定日镜连线与定日镜至吸热器连线夹角的平分线步骤如下：

第一步，设定日镜所处的位置为O点，太阳光入射光线向量为AO，吸热器位于B点，镜面反射向量为OB，以O点为原点建立空间三维坐标系，其中东西为X轴，向东为正，南北为Y轴，向南为正，天地为Z轴，向天为正；

第二步，O点坐标为(0,0,0)，以O为中心点，以O点到B点的距离为半径R，建立一个球面，A点为任意时间太阳入射光与球面的交点，设坐标为(x_a、y_a、z_a)，F点为A点在面XOY平面上的投影点，其中AO为入射光路径，OB为反射光路径；

第三步，由太阳高度角和方位角的定义和计算过程可知∠XOF为方位角θ_s、∠AOF为高度角h_s；在空间上取AB中点为E，则EO即为入射光路径AO和反射光路径OB的平分线。

3.根据权利要求1所述的高效的定日镜追日跟踪方法，其特征在于：所述太阳高度角h_s和方位角θ_s通过下式计算得到：

sinh_s＝sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω

${\mathrm{cos\θ}}_s=\frac{{\sinh }_s\·sin\mathrm{\φ}-sin\mathrm{\δ}}{\cos \mathrm{\δ}\·cos\mathrm{\φ}}$

其中，φ为定日镜所处位置的纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳自转的时角。

4.根据权利要求3所述的高效的定日镜追日跟踪方法，其特征在于：计算太阳赤纬角δ通过下式计算得到：

其中，n是一年中的第几天；

太阳自转的时角ω＝(12-T)×15°，其中，T为当地真太阳时，具体计算公式为：

$T=T_{Local}\±(120-J)\×\frac{1}{15}+0.0028+T_{sc}$

其中，T_Local为当地的时间，J为定日镜所处的经度与当地时间的经度差，西半球为正号，东半球为负号，T_sc为定日镜所所处位置与北京时差。

5.根据权利要求1所述的高效的定日镜追日跟踪方法，其特征在于：所述定日镜的驱动执行机构为两个步进电机，步进电机工作过程中通过位置编码器记录步进电机的运行步数，实现控制反馈，校正定日镜的跟踪误差。

6.根据权利要求1所述的高效的定日镜追日跟踪方法，其特征在于：控制驱动执行机构运转过程中，采用定时复位程序定期对定日镜控制器进行归位操作来消除控制累积误差。