CN106352566A - 一种塔式太阳能热发电追日分析系统 - Google Patents

Abstract

一种塔式太阳能热发电追日分析系统，包括太阳光线轨迹分析子模块和定日镜姿态分析子模块，太阳光线轨迹分析子模块根据具体日期地点信息计算获得该观测点的日出日落时间、该天任意时刻时段的太阳入射光线的方位角和高度角；定日镜姿态分析子模块根据具体日期地点信息、太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，计算获取定日镜实时方位角和高度角，使得镜面始终将入射太阳光线反射到目标吸热塔塔顶。

Description

一种塔式太阳能热发电追日分析系统

技术领域

本发明属于塔式太阳能热发电技术领域，特别涉及一种塔式太阳能热发电追日分析系统。

背景技术

现有商业化运行塔式太阳能热发电电站主要集中于西方发达国家，国内尚无商业化光热电站运行，也没有系统的太阳轨迹和定日镜姿态分析方法公开发表。在部分参考文献中虽可见通过已有过去的实验数据拟合推演未来的定日镜姿态数据的方法，但每年每月每日每分每秒时刻定日镜姿态都不尽相同；另有通过采用视觉伺服的闭环控制方法虽在部分文献中提及，但具体实施步骤并未细化明确。

现有方法中，通过已有实验数据拟合推演未来的定日镜姿态数据的方法需要海量实验数据作为依托，并且镜场中成百上千台定日镜的姿态数据都互不相同，这样带来的工作量过于巨大。另外采用视觉伺服的闭环控制方法工程实现时所需软硬件设备较多，这样会大大增加定日镜场建设成本，系统维护成本也相应递增，而采用本发明软件能精确到某年某月某日某分某秒时刻的太阳轨迹和定日镜姿态数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种塔式太阳能热发电追日分析系统。

一种塔式太阳能热发电追日分析系统，包括太阳光线轨迹分析子模块和定日镜姿态分析子模块，

太阳光线轨迹分析子模块包括如下步骤：

根据具体日期计算儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪；计算日心坐标地球经度、纬度和半径矢量；计算地心坐标地球经度和纬度；计算经度和倾斜角章动；计算黄道实际倾斜角；计算校正偏差；计算太阳经度；计算给定格林尼治时间平均恒星时；计算太阳赤经；计算太阳赤纬；计算观测点当地时间角；计算视日赤经；计算视日时间角；计算太阳天顶角和高度角；计算太阳方位角；

获取观测点时间和经纬位置信息，计算获得该观测点的日出日落时间、该天任意时刻时段的太阳入射光线的方位角和高度角，

这里，太阳入射光线高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角α，

太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正北方向的夹角β，

定日镜姿态分析子模块内置太阳--定日镜--吸热塔三维动态反射模型，以地平面建立定日镜理论模型，将正东方向定义为坐标系X轴正方向，将正北方向定义为坐标系Y轴正方向，将天顶方向定义Z轴正方向，XYZ坐标系原点O点为接收塔与X-Y水平面交点，假设接收塔塔顶高度为h，定日镜中心点坐标为(x,y,0)，利用向量法获取定日镜方位角与高度角，

定日镜采用高度角-方位角的双轴跟踪方式，根据定日镜高度轴和方向轴这两个轴，确定定日镜当前此刻的姿态，其中参数定义如下：

太阳入射光线法向量；

太阳光线经定日镜反射到吸热器塔顶目标点向量；

定日镜镜面的法向量，垂直于定日镜镜面；

θ：定日镜的高度角，定日镜的镜面与水平面之间的夹角；

定日镜的方位角，定日镜镜面法向量与Y轴(正北方向)的夹角为定日镜的方位角，

根据坐标系定义，由太阳照射到定日镜中心点B点，太阳光线入射单位向量为：

$\stackrel{\→}{s}=-\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}& cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}& sin\mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

塔顶的坐标为(0,0,h)，定日镜中心B点坐标为(x,y,0)，那么从定日镜中心点反射到吸热塔顶接收靶的方向单位向量为：

$\stackrel{\→}{r}=\left[\begin{array}{ccc}\frac{-x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}& \frac{-y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}& \frac{h}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

定日镜的镜面法线单位向量平分太阳入射光线单位向量和反射光线单位向量即：

结合定日镜与吸热塔的方位布置情况，推导定日镜的姿态高度角θ和方位角

获取观测点时间、经纬位置、定日镜位置和吸热塔位置信息后，结合太阳入射光线轨迹后，计算获得该观测点的该天任意时刻时段的定日镜的方位角和高度角。

本发明的塔式太阳能热发电追日分析系统，根据时间地理位置信息利用太阳运动算法建立三维坐标系计算太阳入射光的高度角和方位角，根据当地时钟与气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角，根据太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型，最后通过时控的方法获取定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的角度。

本发明通过对太阳的运行规律进行归纳总结，并结合当地时间地理信息，分析太阳入射光线的实时方位角和高度角，进而结合太阳光线、定日镜与吸热塔的反射模型，完成定日镜的时控姿态分析，使得镜面始终将入射太阳光线反射到目标吸热塔塔顶，从而最大限度的利用太阳能。

本发明应用于塔式定日镜场追日控制，具有任意时间(段)任意地点的太阳光线和定日镜姿态计算分析能力，所有分析计算过程快速简洁明了，并且经过实验设备验证后，准确率能达到99％以上，具有推广应用价值。

附图说明

图1本发明的太阳轨迹分析实施步骤流程图。

图2本发明中太阳光线高度角方位角示意图。

图3本发明中定日镜运动过程分析图。

图4本发明中定日镜高度角方位角示意图。

图5本发明中定日镜吸热塔相对位置示意图。

图6本发明中定日镜追日计算示意图。

图7是本发明分析系统的组成模块示意图。

具体实施方式

本发明的塔式太阳能热发电追日分析系统软件主要分为两大模块：太阳光线轨迹分析(时刻/时段)子模块和定日镜姿态分析(时刻/时段)子模块，系统能实现的主要功能包括：设定时刻太阳轨迹分析、设定时段太阳轨迹分析、设定时刻定日镜姿态分析、设定时段定日镜姿态分析。软件开发环境为MATLAB GUI，计算内核采用M语言编程实现，并且所有计算结果均能以Excel表格记录，人机交互界面与软件内核能稳定协调运行。

太阳光线轨迹分析(时刻/时段)子模块内置太阳运动算法，包括如下步骤：根据具体日期计算儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪；计算日心坐标地球经度、纬度和半径矢量；计算地心坐标地球经度和纬度；计算经度和倾斜角章动；计算黄道实际倾斜角；计算校正偏差；计算太阳经度；计算给定格林尼治时间平均恒星时；计算太阳赤经；计算太阳赤纬；计算观测点当地时间角；计算视日赤经；计算视日时间角；计算太阳天顶角和高度角；计算太阳方位角。具体实施步骤如图1所示，算法程序采用M文件实现，通过GUI界面获取观测点时间和经纬位置等信息后，经过软件内置算法计算后能得知该观测点的日出日落时间、该天任意时刻(时段)的太阳入射光线的方位角和高度角。这里，太阳入射光线高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角α，太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正北方向的夹角β，如图2太阳光线高度角方位角所示。

定日镜姿态分析(时刻/时段)子模块内置太阳--定日镜--吸热塔三维动态反射模型，如图2为本发明中建立的定日镜自动跟踪系统空间建模示意图，以地平面建立定日镜理论模型，将正东方向定义为坐标系X轴正方向，将正北方向定义为坐标系Y轴正方向，将天顶方向定义Z轴正方向(符合坐标系定义右手定则)，XYZ坐标系原点O点为接收塔与X-Y水平面交点，假设接收塔塔顶高度为h，定日镜中心点坐标为(x,y,0)，可以利用向量法获取定日镜方位角与高度角。

本发明中定日镜采用高度角-方位角的双轴跟踪方式，根据定日镜高度轴和方向轴这两个轴，可以确定定日镜当前此刻的姿态，如图2所示为定日镜运动过程分析图，为了简述方便，对其中参数定义如下：

太阳入射光线法向量；

太阳光线经定日镜反射到吸热器塔顶目标点向量；

定日镜镜面的法向量，垂直于定日镜镜面；

θ：定日镜的高度角，定日镜的镜面与水平面之间的夹角；

定日镜的方位角，定日镜镜面法向量与Y轴(正北方向)的夹角为定日镜的方位角。

定日镜的姿态由高度角θ和方位角唯一确定，根据光学对称原理，为了保证定日镜能将反射光线准确的投射到吸热器塔顶目标点上，根据计算好的太阳运动轨迹和定日镜当前位置，只需确定定日镜的镜面法向量即可完成追日。

根据坐标系定义，由太阳照射到定日镜中心点B点，太阳光线入射单位向量为：

$\stackrel{\→}{s}=-\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}& cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}& sin\mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

塔顶的坐标为(0,0,h)，定日镜中心B点坐标为(x,y,0)，那么从定日镜中心点反射到吸热塔顶接收靶的方向单位向量为：

$\stackrel{\→}{r}=\left[\begin{array}{ccc}\frac{-x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}& \frac{-y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}& \frac{h}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

因为太阳入射光线经过定日镜实时反射到吸热塔接收靶上，那么定日镜的法线单位向量平分太阳入射光线单位向量和反射光线单位向量即：

利用上述推导公式，并结合定日镜与吸热塔的方位布置情况，可推导定日镜的姿态高度角θ和方位角

本软件定日镜姿态分析(时刻/时段)子模块算法程序利用上述推导公式采用M文件实现，通过GUI界面获取观测点时间、经纬位置、定日镜位置和吸热塔位置等信息后，结合太阳入射光线轨迹后，经过软件内置算法计算后能得知该观测点的该天任意时刻(时段)的定日镜的方位角和高度角。

本发明将太阳轨迹算法进行归纳总结，集成在软件内核中，通过GUI界面输入时间地理信息，能分析任意时间(段)任意地点的太阳光线入射角与方位角，进而通过内置的三维立体建模方法获取太阳--定日镜--吸热塔之间的阳光反射模型，通过GUI界面输入定日镜与吸热塔位置信息，能推算出任意时间(段)的定日镜姿态。软件的所有分析计算过程快速简洁明了，无需繁杂的过往实验数据统计分析，更不需要增加大量成本购置视觉伺服系统。所推算数据经过位于东经121°23’47”/北纬31°00’20”搭建了定日镜追日实验装置验证后，准确率可达到99％以上，可以推广应用于塔式定日镜场追日控制。

Claims (1)

1.一种塔式太阳能热发电追日分析系统，其特征在于，包括太阳光线轨迹分析子模块和定日镜姿态分析子模块，

太阳光线轨迹分析子模块包括如下步骤：

根据具体日期计算儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪；

计算日心坐标地球经度、纬度和半径矢量；

计算地心坐标地球经度和纬度；

计算经度和倾斜角章动；

计算黄道实际倾斜角；

计算校正偏差；

计算太阳经度；

计算给定格林尼治时间平均恒星时；

计算太阳赤经；

计算太阳赤纬；

计算观测点当地时间角；

计算视日赤经；

计算视日时间角；

计算太阳天顶角和高度角；

计算太阳方位角；

获取观测点时间和经纬位置信息，计算获得该观测点的日出日落时间、该天任意时刻时段的太阳入射光线的方位角和高度角，

这里，太阳入射光线高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角α，

太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正北方向的夹角β，

定日镜姿态分析子模块内置太阳--定日镜--吸热塔三维动态反射模型，以地平面建立定日镜理论模型，将正东方向定义为坐标系X轴正方向，将正北方向定义为坐标系Y轴正方向，将天顶方向定义Z轴正方向，XYZ坐标系原点O点为接收塔与X-Y水平面交点，假设接收塔塔顶高度为h，定日镜中心点坐标为(x,y,0)，利用向量法获取定日镜方位角与高度角，

定日镜采用高度角-方位角的双轴跟踪方式，根据定日镜高度轴和方向轴这两个轴，确定定日镜当前此刻的姿态，其中参数定义如下：

太阳入射光线法向量；

太阳光线经定日镜反射到吸热器塔顶目标点向量；

定日镜镜面的法向量，垂直于定日镜镜面；

θ：定日镜的高度角，定日镜的镜面与水平面之间的夹角；

定日镜的方位角，定日镜镜面法向量与Y轴(正北方向)的夹角为定日镜的方位角，

根据坐标系定义，由太阳照射到定日镜中心点B点，太阳光线入射单位向量为：

$\stackrel{\→}{s}=-\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}& cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}& sin\mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

塔顶的坐标为(0,0,h)，定日镜中心B点坐标为(x,y,0)，那么从定日镜中心点反射到吸热塔顶接收靶的方向单位向量为：

$\stackrel{\→}{r}=\left[\begin{array}{ccc}\frac{-x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}& \frac{-y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}& \frac{h}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

定日镜的镜面法线单位向量平分太阳入射光线单位向量和反射光线单位向量即：

$={\left[\begin{array}{c}\frac{cos\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}-\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}}{\sqrt{2+\frac{2h}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}\·\sin \mathrm{\α}-\frac{2\·\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}\·\left(\sin \mathrm{\β}\·x+\cos \mathrm{\β}\·y\right)}}\\ \frac{cos\mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}-\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}}{\sqrt{2+\frac{2h}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}\·\sin \mathrm{\α}-\frac{2\·\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}\·\left(\sin \mathrm{\β}\·x+\cos \mathrm{\β}\·y\right)}}\\ \frac{\sin \mathrm{\α}+\frac{h}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}}{\sqrt{2+\frac{2h}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}\·\sin \mathrm{\α}-\frac{2\·\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{x^2+y^2+h^2}}\·\left(\sin \mathrm{\β}\·x+\cos \mathrm{\β}\·y\right)}}\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$

结合定日镜与吸热塔的方位布置情况，推导定日镜的姿态高度角θ和方位角

获取观测点时间、经纬位置、定日镜位置和吸热塔位置信息后，结合太阳入射光线轨迹后，计算获得该观测点的该天任意时刻时段的定日镜的方位角和高度角。