CN106802673A

CN106802673A - 一种碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法

Info

Publication number: CN106802673A
Application number: CN201710107323.4A
Authority: CN
Inventors: 许金山; 陈泳任; 李松; 钟琪; 张子龙
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2017-06-06
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: CN106802673B

Abstract

一种碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法，包括以下步骤：1)在设备具备发电条件后，操作人员强制启动设备追日系统与发电系统，采集追日系统中的太阳位置数据与实际中太阳轨迹数据；2)立柱偏差的拟合实质上是指拟追踪系统的坐标系与地面坐标系之间的转化关系，利用步骤1)的数据，结合最小二乘法，拟合出两坐标系间的转化关系，即得到立柱的偏差值；3)将偏差值输入设备控制系统，将立柱偏差值输入到控制系统，即系统得到了追踪系统坐标系与地面坐标系的转化关系，实现高精度的太阳追踪；4)判断太阳追踪系统是否再次出现偏离，在输入拟合出的立柱偏差后再次启动系统，并观察其运行状态。本发明效率较高、精度较高。

Description

一种碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法

技术领域

本发明属于太阳能聚光热发电领域，更具体的为碟式Stirling聚光热发电领域中太阳追踪技术，尤其是一种碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法。

背景技术

由于化石能源的不断消耗和环境的污染，太阳能的开发与利用受到越来越多的重视。在目前的太阳能利用技术中，碟式Stirling聚光太阳能具有最高的光电转化效率，它采用双轴追踪器驱动巨型抛物碟面追踪太阳，进而得到推动Stirling发动机与发电机运转辐射源。其中，高精度的太阳追踪是设备稳定地自动运行的关键。此追踪系统采用主动追踪与被动追踪相结合的方式，在系统稳定运行时，以主动追踪为主。但是，在设备安装完成后，因碟面的支撑立柱并不会理想地垂直于地面，所以，追踪系统的坐标与地面坐标间存在一定误差，而这将导致主动追踪过程出现偏离追踪的现象。所以，在系统正式使用前，立柱误差需要校准，称为立柱的几何校准。

立柱的几何校准是一个比较复杂的过程。由于立柱的偏差较小，而设备较大，直接测量的方式已经无法满足精度的要求，所以需要特殊的校准方法。如何利用有限的数据，在短时间内实现高精度的立柱校准是核心问题。

目前，在太阳能领域中用于追日的方法主要可分为两类，一类是主动追踪方法，其根据地面坐标计算太阳位置，然后计算自己位置和太阳位置间的偏差，驱动电机追上太阳位置；另一为为被动追踪方式，其采根据传感器信号来驱动电机追赶太阳。在碟式Stirling太阳能正常工作过程中，以主动追踪为主要的工作方式。但是在设备安装完成，因碟面支撑立柱存在安装误差，追日系统的坐标系与地面坐标系间存在偏差，所以设备无法实现高精度的太阳追踪而出现偏离追踪的现象。

发明内容

为了克服已有碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方式的效率较低、精度较低的不足，本发明提供了一种效率较高、精度较高的碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法，包括以下步骤：

1)采集碟面追踪系统运行数据：在设备具备发电条件后，操作人员强制启动设备追日系统与发电系统，采集追日系统中的太阳位置数据与实际中太阳轨迹数据；

2)立柱偏差拟合：立柱偏差的拟合实质上是指拟追踪系统的坐标系与地面坐标系之间的转化关系，利用步骤1)的数据，结合最小二乘法，拟合出两坐标系间的转化关系，即得到立柱的偏差值；

3)将偏差值输入设备控制系统，将上一步得到的立柱偏差值输入到控制系统，即系统得到了追踪系统坐标系与地面坐标系的转化关系，实现高精度的太阳追踪；

4)判断太阳追踪系统是否再次出现偏离，在输入拟合出的立柱偏差后，再次启动系统，并观察其运行状态。

进一步，所述步骤4)中，如果系统再次出现偏离跟踪的现象，则需要重复步骤1)、2)、3)。

再进一步，所述步骤2)中，建立了两个坐标系：一个为地面坐标系，x轴为正南方向，y轴为正东方向，z轴为垂直地心向上，太阳的位置建立在此坐标系中，其中α为理论太阳天顶角，θ为理论太阳水平角；另一个为碟面坐标系，用于追踪系统中，表示碟面当前的状态，因为立柱的安装误差，它与地面坐标系相似但存在一定误差，其中αm为此坐标系中太阳天顶角，θm为此坐标系中太阳水平角；

通过步骤1)中得到的数据拟合出立柱的误差，实现地面坐标系与镜面坐标系的转化，过程如下：

2.1)建立地面坐标系Us和碟面坐标系Us’，两个坐标系之间转化关系可表示为：

2.2)镜像轴的偏差ΔUs＝Us’-US，设ΔUs＝T*aR，则：

2.3)以球面坐标系表示US与US’，则：

2.4)对Us分别求α和θ的偏导，则：

又因，

得出

2.5)在步骤1)中得到的追日运行数据(α，θ)、(αm，θm)有L组，

令

其中K＝1,2,3…L.

通过最小二乘法拟合a1，a2，a3如下：

至此，得到了地面坐标系与碟面坐标系间的转化关系。

所述步骤1)中，如果数据采集期间发生偏离追踪的现象，则强制系统再次启动，直到完成数据的采集；采集过程需要至少3个小时的发电运行数据。

本发明利用设备追日运行过程中的太阳位置在追日系统中的记录数据与在实际中的轨迹数据，结合最小二乘法，拟合出了追日系统中坐标系与地面坐标系间的转化关系，实现了立柱的几何校准。

本发明的有益效果主要表现在：本发明仅需要三个小时的碟面运行数据，效率高；以最小二乘法实现误差拟合，精度高。

附图说明

图1是碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法，包括以下步骤：

1)采集碟面追踪系统运行数据：在设备具备发电条件后，操作人员强制启动设备追日系统与发电系统，采集追日系统中的太阳位置数据与实际中太阳轨迹数据。如果数据采集期间发生偏离追踪的现象，则强制系统再次启动，直到完成数据的采集。采集过程需要至少3个小时的发电运行数据。

2)立柱偏差拟合：立柱偏差的拟合实质上是指拟追踪系统的坐标系与地面坐标系之间的转化关系。本步骤利用步骤1)的数据，采用本发明提出的算法，结合最小二乘法，拟合出两坐标系间的转化关系，即得到立柱的偏差值。

3)将偏差值输入设备控制系统。将上一步得到的立柱偏差值输入到控制系统，即系统得到了追踪系统坐标系与地面坐标系的转化关系，可实现高精度的太阳追踪。

4)判断太阳追踪系统是否再次出现偏离。在输入拟合出的立柱偏差后，再次启动系统，并观察其运行状态；

如果系统再次出现偏离跟踪的现象，则需要重复步骤2)、3)、4)。一般来说，一次即可实现立柱的几何校准。

进一步，所述步骤2)中，为了说明立柱偏差的拟合方法，建立了两个坐标系：一个为地面坐标系，x轴为正南方向，y轴为正东方向，z轴为垂直地心向上，太阳的位置建立在此坐标系中，其中α为理论太阳天顶角，θ为理论太阳水平角；另一个为碟面坐标系，用于追踪系统中，表示碟面当前的状态，因为立柱的安装误差，它与地面坐标系相似但存在一定误差，其中αm为此坐标系中太阳天顶角，θm为此坐标系中太阳水平角。本步骤的目的是通过步骤1)中得到的数据拟合出立柱的误差，实现地面坐标系与镜面坐标系的转化，过程如下：

2.2)镜像轴的偏差ΔUs＝Us’-US，设ΔUs＝T*aR，则：

2.3)以球面坐标系表示US与US’，则：

2.4)对Us分别求α和θ的偏导，则：

又因，

可以得出

2.5)在步骤1)中得到的追日运行数据(α，θ)、(αm，θm)有L组，

令

其中K＝1,2,3…L.

通过最小二乘法拟合a1，a2，a3如下：

至此，得到了地面坐标系与碟面坐标系间的转化关系。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法，其特征在于：所述步骤4)中，如果系统再次出现偏离跟踪的现象，则需要重复步骤1)、2)、3)。

3.如权利要求1或2所述的碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法，其特征在于：所述步骤2)中，建立了两个坐标系：一个为地面坐标系，x轴为正南方向，y轴为正东方向，z轴为垂直地心向上，太阳的位置建立在此坐标系中，其中α为理论太阳天顶角，θ为理论太阳水平角；另一个为碟面坐标系，用于追踪系统中，表示碟面当前的状态，因为立柱的安装误差，它与地面坐标系相似但存在一定误差，其中αm为此坐标系中太阳天顶角，θm为此坐标系中太阳水平角；

{Us}^{,} = [\begin{matrix} {x_{s}}^{'} \\ {y_{s}}^{'} \\ {z_{s}}^{'} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1 & a_{2} & - a_{1} \\ - a_{2} & 1 & a_{3} \\ a_{1} & - a_{3} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{s} \\ y_{s} \\ z_{s} \end{matrix}]

2.2)镜像轴的偏差ΔUs＝Us’-US，设ΔUs＝T*aR，则：

Δ U s = [\begin{matrix} 0 & - z_{s} & y_{s} \\ z_{s} & 0 & - x_{s} \\ - y_{s} & x_{s} & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{3} \\ a_{1} \\ a_{2} \end{matrix}]

2.3)以球面坐标系表示US与US’，则：

U s = [\begin{matrix} c o s θ \sin α \\ \sin θ \sin α \\ \cos α \end{matrix}], {Us}^{,} = [\begin{matrix} \cos θ_{m} \sin α_{m} \\ \sin θ_{m} \sin α_{m} \\ c o s α_{m} \end{matrix}],

T = [\begin{matrix} 0 & - c o s α & s i n θ s i n α \\ c o s α & 0 & - c o s θ s i n α \\ - s i n θ s i n α & c o s θ s i n α & 0 \end{matrix}]

2.4)对Us分别求α和θ的偏导，则：

\frac{\partial U s}{\partial θ} = [\begin{matrix} - s i n θ s i n α \\ c o s θ s i n α \\ 0 \end{matrix}], \frac{\partial U s}{\partial α} = [\begin{matrix} \cos θ \cos α \\ s i n θ \cos α \\ - \sin α \end{matrix}],

又因，

< \frac{\partial U s}{\partial α}, Δ U s > = - \frac{1}{\sin α} < \frac{\partial U s}{\partial θ}, a_{R} > = α - α_{m}

得出

2.5)在步骤1)中得到的追日运行数据(α，θ)、(αm，θm)有L组，

令

H (K) = [\begin{matrix} \cos α (K) \sin θ (K) & - \sin α (K) & \cos α (K) \cos θ (K) \\ \cos θ (K) & 0 & - \sin θ (K) \end{matrix}]

其中K＝1,2,3…L.

通过最小二乘法拟合a1，a2，a3如下：

[\begin{matrix} a_{1} \\ a_{2} \\ a_{3} \end{matrix}] = {[Σ_{K = 1}^{L} H^{T} (K) H (K)]}^{- 1} [Σ_{K = 1}^{L} H^{T} (K) q (K)]

至此，得到了地面坐标系与碟面坐标系间的转化关系。

4.如权利要求1或2所述的碟式Stirling太阳能碟面立柱几何校准方法，其特征在于：所述步骤1)中，如果数据采集期间发生偏离追踪的现象，则强制系统再次启动，直到完成数据的采集；采集过程需要至少3个小时的发电运行数据。