CN110030741B - 一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，定日镜的姿态可以用高度角和方位角来描述，在吸热器周围布置感光设备，利用反射原理，通过转动定日镜使反射光线最终打向吸热器周围的感光设备，处理感光设备得到的图像，经过图像处理，得到实际光斑与理想目标点之间的偏移量，记录定日镜的高度角和方位角，将光线打向吸热器周围所有的感光设备，得到若干组定日镜姿态和偏移量，完成一次采样。选择不同时刻，再次进行采样，若干次采样后进行非线性拟合，弥补因二次反射镜安装及制造偏差所导致的光斑偏移，以实现二次反射镜校正的目的。本发明所述方法步骤简单，实用性强，可以减小误差，提高整体效率，提高整个电站的经济性。

Description

一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法
技术领域
本发明属于塔式太阳能光热发电技术领域，尤其涉及一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法。
背景技术
塔式太阳能热发电技术是已开发的太阳能发电技术的一种，太阳能热发电的原理是先将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能的发电技术，但由于太阳能的密度较低，常常需要较大的采光集热面通过聚光改变光线传播方向，使光线聚焦以提高能量密度，从而满足发电要求。
目前，塔式光热发电系统对于太阳光的聚集和反射多采用一次反射，即通过镜场将太阳辐射聚集到距离地面一定高度的吸热器上，吸热器中的传热介质获得高温热能，然后通过管道传送到蒸汽发生器产生蒸汽推动汽轮机发电。吸热器在这种方式下，布置在距离地面高度约100米的高空，其对流损失较大且运行维护成本较高，影响整个电站的经济性，是制约一次反射塔式太阳能热发电大规模发展的因素。为了弥补这些不足，出现了二次反射系统的设计。在一次聚光系统的焦点处安装反射镜，将经定日镜反射过来的太阳光反射到位于地面上的吸热器上，由于经过二次反射，二次反射镜的安装误差对于最终聚集到吸热器上的能量有很大影响，所以需要对于二次反射镜进行校正。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，减小因二次反射镜安装误差导致的太阳光线反射偏差，避免影响聚光效果。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法。
塔式太阳能二次反射系统由定日镜6、二次反射镜8及吸热器11组成，在吸热器11周围布置感光设备13，所述感光设备13为CCD相机或者其他感光设备，感光设备至少四个，在吸热器11四周呈对称分布。如图1所示，定日镜镜面中心点为A(xn,yn,zn)，(xn,yn,zn)表示中心点A的三维坐标。由于镜面中心点A已知，在进行控制校正时，选用镜面中心点A作为太阳光线
Figure GDA0002417625540000011
与定日镜6的交点。太阳光线
Figure GDA0002417625540000012
经定日镜镜面中心点A反射的一次反射光线
Figure GDA0002417625540000013
与二次反射镜8的交点为B(xa,ya,za)，(xa,ya,za)表示交点B的三维坐标。一次反射光线
Figure GDA0002417625540000014
经二次反射镜8反射到感光设备上的光线为
Figure GDA0002417625540000015
二次反射光线
Figure GDA0002417625540000016
与感光设备表面的交点是C(xR,yR,zR)，(xR,yR,zR)表示交点C的三维坐标。
二次反射镜8常见的有旋转椭圆面型，旋转双曲面型，旋转抛物面型和球面型，选定二次反射镜8的类型后，则二次反射镜参数方程已知，例如选定的二次反射镜8为旋转抛物面镜，建立一个三维坐标系，选取旋转抛物面镜旋转轴为z轴，以旋转前二维坐标系下抛物线的标准坐标x、y轴为x、y轴，则其参数方程表达式为x2+y2-2pz+p2＝0，p为旋转抛物面顶点距坐标面的两倍距离。已知二次反射镜的参数方程表达式后，即可知定日镜6反射光线
Figure GDA0002417625540000021
在二次反射镜8上的交点，该反射光线
Figure GDA0002417625540000022
与二次反射镜8交点记为B(xa,ya,za)。
其他的二次反射镜根据各自的光学特点，都可以得到二次反射镜上的交点。
一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，包括以下步骤：
(1)在二次反射系统中的吸热器11周围布置N个感光设备13；
(2)随机选择一个感光设备，其表面中心点记为目标点D；
(3)转动定日镜6，使太阳光线照向定日镜镜面中心点A，经定日镜6反射的一次反射光线照向二次反射镜8，一次反射光线与二次反射镜8交点记为B，一次反射光线再经二次反射镜8反射，二次反射光线照向目标点D；
(4)照向目标点D的二次反射光线打到步骤(2)选定的感光设备表面，形成图像，运用软件进行图像处理，找出光斑中心点，即二次反射光线与该感光设备表面的交点，记为C；
(5)目标点D与实际光线交点C之间有偏差，记录目标点与实际光斑中心的偏移量，偏移量即为交点C与目标点D之间的偏差；
(6)根据反射原理，得到定日镜6的法线，进而得到定日镜6姿态，即定日镜6的高度角α1和方位角β1；所述定日镜高度角是指在地平坐标系下定日镜法线与天顶之间的夹角，所述定日镜方位角是指定日镜法线在地平面上的投影与正南方向所成的夹角；
(7)重复上述(2)-(6)步骤，直至吸热器周围的感光设备全部采集完成，得到N组偏移量和定日镜6的高度角、方位角，完成一次采样；
(8)在T个不同时刻，根据步骤(2)-(7)进行采样，得到T个批次的采样结果；
(9)对步骤(8)中T个批次的采样结果进行非线性拟合，得到定日镜6的高度角和方位角与所述的目标点D与实际光斑中心的偏移量之间的函数关系；
(10)根据该函数关系，结合目标点D与实际光斑中心的偏移量进行计算，得到补偿该偏移量的定日镜6的高度角和方位角，调整定日镜6姿态，弥补因二次反射镜8安装及制造偏差所导致的光斑偏移，以实现二次反射镜8的校正。
进一步，在步骤(6)中，得到定日镜6的高度角α1和方位角β1，方法如下：
(6-1)根据二次反射镜的参数方程，计算一次反射光线在二次反射镜8上的交点B；
(6-2)根据交点B和二次反射光线与感光设备表面的交点C得到二次反射光线；
(6-3)根据二次反射光线、二次反射镜的参数方程、一次反射光线与二次反射镜8交点B，得到交点B处的切线10；
(6-4)根据交点B处的切线得到一次反射的光线经二次反射镜8反射的法线4；
(6-5)根据一次反射的光线经二次反射镜8反射的法线、二次反射光线，得到太阳光线经定日镜6反射后的反射光线，即一次反射光线；
(6-6)根据太阳光线、太阳光线经定日镜6反射后的反射光线，得到太阳光线经定日镜6反射的法线，即定日镜6的法线2；
(6-7)由太阳光线经定日镜6反射的法线可得出定日镜6的姿态，其姿态可用方位角及高度角描述，公式如下：
Figure GDA0002417625540000031
α1＝acos(z1)
Figure GDA0002417625540000032
其中，
Figure GDA0002417625540000033
表示定日镜6的法线向量，
Figure GDA0002417625540000034
表示某时刻的太阳光线向量，
Figure GDA0002417625540000035
表示太阳光线
Figure GDA0002417625540000036
经定日镜6反射后的反射光线向量，x1,y1,z1分别是法线向量的坐标表示，α1表示定日镜6的高度角，β1表示定日镜6的方位角。得到法线，即可得到定日镜此时的高度角和方位角(α1,β1)。
本发明公开了一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，定日镜的姿态可以用高度角和方位角来描述，在吸热器周围布置电荷耦合器件(CCD)或其他感光设备，利用反射原理，通过转动定日镜使反射光线最终打向吸热器周围的感光设备，处理感光设备得到的图像，经过图像处理，得到实际光斑与理想目标点之间的偏移量，记录此时定日镜的高度角和方位角，再次转动定日镜，使实际光线打到目标点，记录下此时定日镜旋转的角度，将光线打向吸热器周围所有的感光设备，得到若干组定日镜姿态和偏移量，完成一次采样，在另一时刻，再次进行采样，转动定日镜使反射光线打向感光设备上，再次得到若干组定日镜姿态和偏移量。若干次采样后，进行非线性拟合，弥补因二次反射镜安装及制造偏差所导致的光斑偏移，以实现二次反射镜校正的目的。根据所述方案中的步骤，可以减小误差，提高整体效率，提高整个电站的经济性。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
1、步骤简单，实用性强。
2、在进行多次采样实现校正以后，精度高，效果明显。
附图说明
图1是塔式太阳能电站二次反射系统示意图；
其中：1、太阳光线
Figure GDA0002417625540000037
2、太阳光线经定日镜反射的法线
Figure GDA0002417625540000038
3、太阳光线经定日镜反射后的反射光线
Figure GDA0002417625540000039
4、一次反射的光线经二次反射镜反射的法线
Figure GDA00024176255400000310
5、一次反射光线经过二次反射镜反射后的二次反射光线
Figure GDA0002417625540000041
6、定日镜H1，7、定日镜中心点A，8、二次反射镜H2，9、一次反射光线与二次反射镜的交点B，10、在二次反射镜交点B处的切线，11、吸热器，12、二次反射光线与感光设备的交点C，13、感光设备131-134。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法。如图1所示，塔式太阳能二次反射系统由定日镜6、二次反射镜8、吸热器11组成。太阳光通过定日镜6，光线反射到位于高处的二次反射镜8上，二次反射后，光线反射到位于地面上的吸热器11上，最终实现光能的转化，此系统避免了传统塔式发电站需配备高扬程循环泵及吸热器运行维护困难昂贵的缺点。
一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，包括以下步骤：
(1)在二次反射系统中的吸热器11周围布置N个感光设备13；
(2)随机选择一个感光设备，其表面中心点记为目标点D；
(3)转动定日镜6，使太阳光线照向定日镜镜面中心点A，经定日镜6反射的一次反射光线照向二次反射镜8，一次反射光线与二次反射镜8交点记为B，一次反射光线再经二次反射镜8反射，二次反射光线照向目标点D；
(4)照向目标点D的二次反射光线打到步骤(2)选定的感光设备表面，形成图像，运用软件进行图像处理，找出光斑中心点，即二次反射光线与该感光设备表面的交点，记为C；
(5)目标点D与实际光线交点C之间有偏差，记录目标点与实际光斑中心的偏移量，偏移量即为交点C与目标点D之间的偏差；
(6)根据反射原理，得到定日镜6的法线，进而得到定日镜6姿态，即定日镜6的高度角α1和方位角β1；所述定日镜高度角是指在地平坐标系下定日镜法线与天顶之间的夹角，所述定日镜方位角是指定日镜法线在地平面上的投影与正南方向所成的夹角；
(7)重复上述(2)-(6)步骤，直至吸热器周围的感光设备全部采集完成，得到N组偏移量和定日镜6的高度角、方位角，完成一次采样；
(8)在T个不同时刻，根据步骤(2)-(7)进行采样，得到T个批次的采样结果；
(9)对步骤(8)中T个批次的采样结果进行非线性拟合，得到定日镜6的高度角和方位角与所述的目标点D与实际光斑中心的偏移量之间的函数关系；
(10)根据该函数关系，结合目标点D与实际光斑中心的偏移量进行计算，得到补偿该偏移量的定日镜6的高度角和方位角，调整定日镜6姿态，弥补因二次反射镜8安装及制造偏差所导致的光斑偏移，以实现二次反射镜8的校正。
进一步，在步骤(6)中，得到定日镜6的高度角α1和方位角β1，方法如下：
(6-1)根据二次反射镜的参数方程，计算一次反射光线在二次反射镜8上的交点B；
(6-2)根据交点B和二次反射光线与感光设备表面的交点C得到二次反射光线；
(6-3)根据二次反射光线、二次反射镜的参数方程、一次反射光线与二次反射镜8交点B，得到交点B处的切线10；
(6-4)根据交点B处的切线得到一次反射的光线经二次反射镜8反射的法线4；
(6-5)根据一次反射的光线经二次反射镜8反射的法线、二次反射光线，得到太阳光线经定日镜6反射后的反射光线，即一次反射光线；
(6-6)根据太阳光线、太阳光线经定日镜6反射后的反射光线，得到太阳光线经定日镜6反射的法线，即定日镜6的法线2；
(6-7)由太阳光线经定日镜6反射的法线可得出定日镜6的姿态，其姿态可用方位角及高度角描述，公式如下：
Figure GDA0002417625540000051
α1＝acos(z1)
Figure GDA0002417625540000052
其中，
Figure GDA0002417625540000053
表示定日镜6的法线向量，
Figure GDA0002417625540000054
表示某时刻的太阳光线向量，
Figure GDA0002417625540000055
表示太阳光线
Figure GDA0002417625540000056
经定日镜6反射后的反射光线向量，x1,y1,z1分别是法线向量的坐标表示，α1表示定日镜6的高度角，β1表示定日镜6的方位角。
以上实施方式仅用以说明发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施方式对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)在吸热器(11)周围布置N个感光设备(13)；
(2)随机选择一个感光设备，其表面中心点记为目标点D；
(3)转动定日镜(6)，使太阳光线照向定日镜镜面中心点A，经定日镜(6)反射的一次反射光线照向二次反射镜(8)，一次反射光线与二次反射镜(8)交点记为B，一次反射光线再经二次反射镜(8)反射，二次反射光线照向目标点D；
(4)照向目标点D的二次反射光线打到步骤(2)选定的感光设备表面，形成图像，运用软件进行图像处理，找出光斑中心点，即二次反射光线与该感光设备表面的交点，记为C；
(5)记录目标点D与实际光斑中心的偏移量，即交点C与目标点D之间的偏差；
(6)根据反射原理，得到定日镜(6)的法线，进而得到定日镜(6)姿态，即定日镜(6)的高度角α1和方位角β1；所述定日镜高度角是指在地平坐标系下定日镜法线与天顶之间的夹角，所述定日镜方位角是指定日镜法线在地平面上的投影与正南方向所成的夹角；
(7)重复上述(2)-(6)步骤，直至吸热器周围的感光设备全部采集完成，得到N组偏移量和定日镜(6)的高度角、方位角，完成一次采样；
(8)在T个不同时刻，根据步骤(2)-(7)进行采样，得到T个批次的采样结果；
(9)对步骤(8)中T个批次的采样结果进行非线性拟合，得到定日镜(6)的高度角和方位角与所述的目标点D与实际光斑中心的偏移量之间的函数关系；
(10)根据该函数关系，结合目标点D与实际光斑中心的偏移量进行计算，得到补偿该偏移量的定日镜(6)的高度角和方位角，调整定日镜(6)姿态，弥补因二次反射镜(8)安装及制造偏差所导致的光斑偏移，以实现二次反射镜(8)的校正。
2.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，其特征在于：步骤(6)中，得到定日镜(6)的高度角α1和方位角β1，方法如下：
(6-1)根据二次反射镜的参数方程，计算一次反射光线在二次反射镜(8)上的交点B；
(6-2)根据交点B和二次反射光线与感光设备表面的交点C得到二次反射光线；
(6-3)根据二次反射光线、二次反射镜的参数方程、一次反射光线与二次反射镜(8)交点B，得到交点B处的切线(10)；
(6-4)根据交点B处的切线得到一次反射的光线经二次反射镜(8)反射的法线(4)；
(6-5)根据一次反射的光线经二次反射镜(8)反射的法线、二次反射光线，得到太阳光线经定日镜(6)反射后的反射光线，即一次反射光线；
(6-6)根据太阳光线、太阳光线经定日镜(6)反射后的反射光线，得到太阳光线经定日镜(6)反射的法线，即定日镜(6)的法线(2)；
(6-7)由太阳光线经定日镜(6)反射的法线可得出定日镜(6)的姿态，其姿态用方位角及高度角描述，公式如下：
Figure FDA0002417625530000021
α1＝acos(z1)
Figure FDA0002417625530000022
其中，
Figure FDA0002417625530000023
表示定日镜(6)的法线向量，
Figure FDA0002417625530000024
表示某时刻的太阳光线向量，
Figure FDA0002417625530000025
表示太阳光线经定日镜(6)反射后的反射光线向量，(x1,y1,z1)分别是法线向量的坐标表示，α1表示定日镜(6)的高度角，β1表示定日镜(6)的方位角。
3.根据权利要求1或2所述的一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，其特征在于：所述二次反射镜(8)为旋转抛物面镜。
4.根据权利要求1或2所述的一种塔式太阳能二次反射系统中二次反射镜的校正方法，其特征在于：所述感光设备(13)为CCD相机。
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