CN106125772B - 对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法，利用数学几何思想构造出一级偏轴抛物反射面带有一定弧度的六边形反射镜的划分方法与排列组合；结合二次镜、太阳能电池板以及检测板的设计选取确定在一天和一年中对称型二次反射聚光系统在轨实时调节的可行性。本发明解决了系统在一天和一年中因太阳光入射角度不同而不能实时追踪太阳光线，造成发电效率比较低的问题；在一年的实时调节过程中，只需要分别调节构成一级偏轴抛物反射面的每一层六边形反射镜的俯仰角，即可实现系统实时追踪太阳光线，可以解决在一年中因入射光角度不同而导致的发电效率低、调节难度大等问题。

Description

对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法

技术领域

本发明属于可再生资源技术领域，尤其涉及一种对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法。

背景技术

随着能源资源的枯竭，作为可再生能源的空间太阳能技术逐渐脱颖而出，尤其是空间聚光光伏系统的研究。哈尔滨工业大学的孟宪龙首先建立了对称型二次反射聚光系统的数学物理模型，理论分析了二次斜面倾角、偏轴聚光器倾角等聚光系统的结构参数对能流密度聚光比和均匀性影响，提出了优势参数组合，并利用光线追踪蒙特卡罗法对太阳光的聚集传输过程进行仿真，分析了检测面的能流密度分布特性。但是，孟宪龙等人并没有在对称型二次反射聚光系统最优参数组合的基础上进行在轨实时调节，使得该系统在一天和一年中发电效率不高。西安电子科技大学的张菊香、高迪等人在孟宪龙提出的对称型二次反射聚光系统最优参数组合的基础上，提出了一种在轨聚焦实时调节方法，通过在一天和一年中实时调节系统的位姿，最大化地接收太阳光，从而解决了系统在一天和一年中因不能实时追踪太阳光线而造成发电效率比较低的问题。但是，上述在轨聚焦实时调节方法所需要调节的一次镜与二次镜的调节幅度过大，调节难度大，在实际操作中难以实现。

目前的空间太阳能发电站发电效率低，控制难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法，旨在解决目前的空间太阳能发电站发电效率低，控制难度大的问题。

本发明是这样实现的，一种对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法，所述对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法利用数学几何思想构造出一级偏轴抛物反射面带有一定弧度的六边形反射镜的划分方法与排列组合，按照这种划分方法与排列组合的方式能够方便灵活的分别调节每一层六边形反射镜，使得调节一次镜的调节幅度小，调控方便，在实际中比较容易实现；

结合二次镜、太阳能电池板的设计选取以及检测板获取到的太阳能光斑的均匀度确定在一天和一年中对称型二次反射聚光系统在轨实时调节的可行性。

进一步，所述六边形反射镜划分方法与排列组合具体包括：

用完全相同的正六边形反射镜拼接成上述一级偏轴抛物反射面，所述拼接方法即为每片正六边形反射镜的中心点以一定的角度布置在抛物面上；

用若干块带有一定弧度的六边形反射镜拼接成一级偏轴抛物反射面，所述有一定弧度的六边形反射镜是通过正六边形柱体截取一级偏轴抛物反射面形成。

进一步，所述对称型二次反射聚光系统在一年中的调节方法包括：通过调节每一层带有一定弧度的六边形反射镜的俯仰角，即可实现实时追踪太阳光线。

进一步，所述对称型二次反射聚光系统在一年中的调节方法每层六边形反射镜随太阳入射光线角度的不同而需要调整的角度，即为两条法线之间的夹角：

进一步，所述法线的方向向量为：N₁＝l₁+l₂；法线的方向向量为：N₂＝L₁+L₂；

对方向向量S₁取单位化：

上式中α为入射太阳光与z轴正方向的夹角。

对方向向量S₂取单位化：

上式中x_A,y_A为入射光与一级偏轴抛物反射面的交点坐标值，p＝2f(f为焦距)。

则由平行四边形法则有：当光线以α角度入射到六边形反射镜上时，法线的方向向量为：N₂＝L₁+L₂；

当入射光线以平行于光轴的方向入射到六边形反射镜上时；

对方向向量S₁取单位化：l₁＝(0,0,1)；

对方向向量S₂取单位化：

上式中x_A,y_A为入射光与一级偏轴抛物反射面的交点坐标值，p＝2f(f为焦距)；

由平行四边形法则有：当光线以平行于光轴的方向入射到六边形反射镜上时，法线的方向向量为：N₁＝l₁+l₂。

进一步，所述检测板获取到的太阳能光斑的均匀度的评价方法：

光斑能流密度的均匀度可描述为：其中I_max为检测区域能流密度的最大值，I_min为检测区域能流密度的最小值。针对大面积的光斑，它的均匀度评价方法是把光斑面积平均分成N等份，然后分别检测各个相等区域内的能流密度。

本发明提供的对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法，首先根据实际发电量需求确立出系统的数学物理模型，其次利用数学几何思想构造出六边形反射镜划分方法与排列组合，按照此种划分方法与排列组合的方式能够方便灵活的分别调节每一层六边形反射镜，使得调节构成一次镜的六边形反射镜幅度小，调控方便，在实际中比较容易实现；最终结合二次镜、太阳能电池板的设计选取以及检测板获取到的太阳能光斑的均匀度确定在一天和一年中对称型二次反射聚光系统在轨实时调节的可行性。通过对系统在一天中24个不同时刻和在一年中太阳入射光绕x轴在-23.45°到+23.45°之间偏转而实时调节每一层六边形一次镜的俯仰角，得到的仿真结果的分析，可以解决由于不同时刻和不同季节因太阳入射光线角度不同而造成的空间太阳能电站发电效率低、调节难度大的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法流程图。

图2是本发明实施例提供的对称型二次反射聚光系统原理示意图。

图3是本发明实施例提供的在一个季度中两种不同划分一次镜的方式电池板吸收能量随入射光偏转角度的变化示意图。

图4是本发明实施例提供的在一个季度中两种不同划分一次镜方式的最大、平均能流比较示意图。

图5是本发明实施例提供的当太阳光平行于光轴入射到系统时太阳能电池板在一天中24个时刻所吸收的能量示意图。

图6是本发明实施例提供的当太阳光平行于光轴入射到系统时检测板在一天中24个时刻得到的光斑中的最大、平均能流密度曲线示意图。

图7是本发明实施提供的当太阳光平行于光轴入射到系统时检测板在一天中24个时刻得到的光斑的能流密度方差。

图8是本发明实施例提供的当太阳光平行于光轴入射到系统时检测板在一天中24个时刻获取到太阳能光斑的均匀度示意图。

图9是本发明实施例提供的在一个季度中两种不同划分一次镜方式得到的太阳能光斑均匀度示意图。

图10是本发明实施例提供的用完全相同的正六边形反射面近似拼接成一级偏轴抛物反射示意图。

图中：(a)正六边形反射镜近似拼接成一级偏轴抛物反射面；

(b)正六边形反射镜近似拼接成一级偏轴抛物反射面俯视图。

图11是本发明实施例提供的用带有一定弧度的六边形反射面拼接成一级偏轴抛物反射面示意图。

图中：(a)带有一定弧度的六边形反射镜拼接成一级偏轴抛物反射面；

(b)带有一定弧度的六边形反射镜拼接成一级偏轴抛物反射面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法包括以下步骤：

S101：首先根据实际发电量需求确立出系统的数学物理模型；

S102：其次利用数学几何思想构造出一级偏轴抛物反射面六边形反射镜的划分方法与排列组合方式；

S103：最终结合二次镜、太阳能电池板的设计选取以及检测板获取到的太阳光斑的均匀度确定在一天和一年中对称型二次反射聚光系统在轨实时调节的可行性。

本发明可以采用如下步骤实现：

步骤一：建立对称式两级平面反射系统：

在系统光轴的两侧分别布置一个一级偏轴抛物反射面，两个一级偏轴抛物反射面以垂直于太阳能电池板的光轴为轴对称设置，所述一级偏轴抛物反射面通过圆柱截取旋转抛物面形成；

在两个一级偏轴抛物反射面的焦点附近分别布置一个二级圆形平面反射镜，两个二级斜平面反射镜对称设置；

将垂直于光轴、面向入射光线方向的太阳能电池板布置在焦点的正下方。

步骤二：划分一级偏轴抛物反射面

方式一：用完全相同的正六边形反射镜近似拼接成一级偏轴抛物反射面，如图10所示；

用完全相同的正六边形反射镜拼接成上述一级偏轴抛物反射面，所述拼接方法即为每片正六边形反射镜的中心点以一定的角度布置在步骤一所述的抛物面上，

方式二：用带有一定弧度的六边形反射镜拼接成一级偏轴抛物反射面，如图11所示；

用若干块带有一定弧度的六边形反射镜拼接成一级偏轴抛物反射面，所述有一定弧度的六边形反射镜是通过正六边形柱体截取步骤一所述一级偏轴抛物反射面形成。

步骤三：系统在一天中的调节

在一天中，随着地球的自转，太阳入射光相当于环绕系统y轴360°旋转一周，此时，一级偏轴抛物反射面以自身的调节轴为自转轴心实时旋转，使太阳能电池板对准太阳入射方向实现360°旋转跟踪，所述一级偏轴抛物反射面的调节轴为两条边缘光线的角平分线必须垂直于光轴，且一级偏轴抛物反射面的参数满足公式

步骤四：系统在一年中的调节

在一年中，随着地球的公转，太阳入射光相当于绕x轴在-23.45°到+23.45°之间偏转，此时，通过调节步骤二所述的构成一级偏轴抛物反射面的每一层六边形反射镜。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

1建立对称式两级平面反射系统

在图2所示的系统模型中，z轴为一级偏轴抛物反射面的光轴，其正向指向太阳入社方向，其余两轴则基于直角坐标系定义。

1为太阳入射光线，2、3为二级圆形平面反射镜，3为等效投影面积，4为太阳能电池板，5为一级偏轴抛物反射面，θ_s是入射太阳角，θ_c是偏轴抛物反射面接受角，p_r和p_y是等效投影面积的半径和偏心距，是二次镜的倾角，h_a是二次镜的高度，h_b是太阳能电池板的位置高度。

当发电量为100MW，聚光比C_G＝2.0，太阳能电池板半径250m时，对称型二次反射聚光系统的最佳结构参数如表1所示：

表1系统最佳结构参数

2划分一级偏轴抛物反射面

分别对上述两种划分一次镜的方式进行仿真比较，得到电池板吸收的能量曲线如图3所示，最大、平均能流曲线如图4所示。

因此选取第二种划分一次镜的方法：用带有一定弧度的六边形反射镜拼接成一级偏轴抛物反射面。

3系统在一天中的调节

在一天中，随着地球的自转，太阳入射光相当于环绕系统y轴360°旋转一周，此时，一级偏轴抛物反射面以自身的调节轴为自转轴心实时旋转，使太阳能电池板对准太阳入射方向实现360°旋转跟踪，所述一级偏轴抛物反射面的调节轴为两条边缘光线的角平分线必须垂直于光轴，且一级偏轴抛物反射面的参数满足公式

通过仿真分析得到随着太阳光入射在一天中24个时刻，通过调节每层六边形反射镜得到的能流密度分布，为方便比较，取能流密度分布的最大值为：6500W/m²

黄赤交角为0°时电池板在一天中24个时刻所吸收的能量如图5：

电池板上得到的最大、平均能流密度曲线如图6所示：

检测板上得到的太阳能光斑能流密度的方差曲线如图7所示：

检测板上得到的太阳能光斑能流密度的均匀度曲线如图8所示：

4系统在一年中的调节

在一年中，随着地球的公转，太阳入射光相当于绕x轴在-23.45°到+23.45°之间偏转，此时，通过调节方式二所述的带有一定弧度的每一层六边形反射镜的俯仰角，即可实现系统实时追踪太阳光线。

当光线平行于光轴入射到六边形反射镜上时

入射光线的方程为：入射光线的方向向量为S₁＝(0,0,-1)，取方向向量的方向向上：S₁＝(0,0,1)

抛物面的方程为：其中p＝2f；

令F＝x²+y²-2pz＝0，分别对x,y,z求偏导数可得到在A点的切平面的法相量：N＝(x_A,y_A,-p)，取法相量的方向向上N＝(-x_A,-y_A,p)

设反射光线的方向向量为：S₂＝(m,n,q)；

由入射光线、反射光线和法线在同一个平面上有：

可得：

由入射光线与法线之间的夹角等于反射光线与法线之间的夹角可得：

由上述两式可求的：

令n＝1，可求的：

所以，反射光线的方向向量为：

当光线从右向左以α角入射到六边形反射镜上时；

入射光线的方程为：

方向向量为：取方向向量的方向为反向：

对方向向量S₁取单位化：

对方向向量S₂取单位化：

则由平行四边形法则有：当光线以α角度入射到六边形反射镜上时，法线的方向向量为：N₂＝L₁+L₂；

同理，当入射光线以平行于光轴的方向入射到六边形反射镜上时；

对方向向量S₁取单位化：l₁＝(0,0,1)

对方向向量S₂取单位化：

由平行四边形法则有：当光线以平行于光轴的方向入射到六边形反射镜上时，法线的方向向量为：N₁＝l₁+l₂；

所以，每块六边形反射镜随太阳入射光线角度的不同而需要调整的角度，即为两条法线之间的夹角：

每层六边形反射镜随着入射光线角度的不同而需要调整的角度如表2所示：

表2随入射光线角度变化六边形反射镜调整的角度

入射夹角

0°

2°

4°

6°

8°

10°

旋转角度

0.0000°

1.0000°

2.0000°

3.0000°

4.0000°

5.0000°

入射夹角

12°

14°

16°

18°

20°

22°

23.45°

旋转角度

6.0000°

7.0000°

8.0000°

9.0000°

10.000°

11.000°

11.7250°

通过仿真分析得到随着太阳光入射角度在0-23.45°变化时，通过调节六边形反射镜得到的能流密度分布图，为方便比较，取能流密度分布的最大值为：6500W/m²

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法，其特征在于，所述对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法利用数学几何思想构造出一级偏轴抛物反射面带有弧度的六边形反射镜的划分方法与排列组合，分别调节每一层六边形反射镜；结合二次镜、太阳能电池板的选取以及检测板获取到的太阳光斑的均匀度确定在一天和一年中对称型二次反射聚光系统在轨实时调节的可行性；

所述对称型二次反射聚光系统在一年中的调节方法包括：通过分别调节每一层带有一定弧度的六边形反射镜的俯仰角，即可实现实时追踪太阳光线；

每层六边形反射镜随太阳入射光线角度的不同而需要调整的俯仰角，即为两条法线之间的夹角：

所述法线的方向向量为：N₁＝l₁+l₂；法线的方向向量为：N₂＝L₁+L₂；

对方向向量S₁取单位化：

上式中α为入射太阳光与z轴正方向的夹角；

对方向向量S₂取单位化：

上式中x_A,y_A为入射光与一级偏轴抛物反射面的交点坐标值，p＝2f，f为焦距；

则由平行四边形法则有：当光线以α角度入射到六边形反射镜上时，法线的方向向量为：N₂＝L₁+L₂；

当入射光线以平行于光轴的方向入射到六边形反射镜上时；

对方向向量S₁取单位化：l₁＝(0,0,1)；

对方向向量S₂取单位化：

上式中x_A,y_A为入射光与一级偏轴抛物反射面的交点坐标值，p＝2f，f为焦距；

由平行四边形法则有：当光线以平行于光轴的方向入射到六边形反射镜上时，法线的方向向量为：N₁＝l₁+l₂。

2.如权利要求1所述的对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法，其特征在于，所述六边形反射镜划分方法与排列组合具体包括：

用完全相同的正六边形反射镜拼接成上述一级偏轴抛物反射面，所述拼接方法即为每片正六边形反射镜的中心点以一定的角度布置在抛物面上；

用若干块带有一定弧度的六边形反射镜拼接成一级偏轴抛物反射面，所述有一定弧度的六边形反射镜是通过正六边形柱体截取一级偏轴抛物反射面形成。

3.如权利要求1所述的对称型二次反射聚光系统在轨实时追踪太阳光线调节方法，其特征在于，所述检测板获取到的太阳能光斑的均匀度评价方法包括：

光斑能流密度的均匀度描述为：其中I_max为检测区域能流密度的最大值，I_min为检测区域能流密度的最小值，针对大面积的光斑，它的均匀度评价方法是把光斑面积平均分成N等份，然后分别检测各个相等区域内的能流密度：