CN207472275U - 一种定日镜俯仰角度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种定日镜俯仰角度检测装置，属于塔式太阳能光热电站，包括增量式传感器、接近开关组件、微处理器、铁电存储器、通信模块、电源模块和光束校准系统，增量式传感器用于检测蜗杆或电机转动角度，增量式传感器与微处理器电连接；接近开关组件用于检测俯仰角度极限位；微处理器用于根据增量式传感器的反馈数据计算镜面角度；铁电存储器用于存储镜面角度；通信模块用于与外部设备通信；电源模块用于给各个模块供电；光束校准系统用于检测光斑在目标靶上的位置。本实用新型可以降低定日镜角度检测的成本，并方便角度检测传感器的安装。

Description

一种定日镜俯仰角度检测装置

技术领域

本实用新型属于塔式太阳能光热电站，涉及一种定日镜俯仰角度检测装置。

背景技术

塔式太阳能聚热发电系统的基本原理是利用大面积的定日镜场将入射至镜场的太阳光线反射到集热塔架顶端的集热器上，由集热器加热工质，加热后的工质经过储热、换热装置产生高温蒸汽，推动汽轮机带动发电机进行发电。其中定日镜是塔式电站的关键核心设备，其作用是跟踪太阳并将太阳入射光反射至集热器，据现有项目信息，由众多定日镜构成的镜场投资占到整个电站投资的一半左右。

定日镜反射太阳光线的自动跟踪控制的主要方式为视日运动轨迹跟踪：首先利用太阳运行规律或仪器测量得到镜场的太阳光线入射角度，再结合定日镜所处经纬度、定日镜与集热器的相对位置等，计算定日镜镜面理想的法线方向(即镜面的目标角度)，再由控制器发送指令驱动电机带动镜架，利用传感器的反馈得到实际镜面角度，控制镜面到目标角度，从而保证将光线反射至集热器。同时，由于地基沉降、镜架倾斜等影响使得定日镜产生累积误差，在镜场中，常在吸热器上布置目标靶，通过光斑在目标靶上的位置来校正定日镜跟踪误差，从而提高跟踪精度。

定日镜主要由反射镜面、镜面支撑、机械传动装置及跟踪控制系统组成。目前定日镜大多采用“俯仰角+方位角”双轴跟踪的机械传动方式。具体为：在方位角方向采用水平回转式减速器为机械传动装置，在俯仰角方向上采用电动推杆或竖直回转式减速器为机械传动装置，机械传动装置的输入为电机，机械传动装置的输出端与镜面支撑支架相连接。其中，采用回转式减速器为机械传动装置的结构为：电机出轴连接行星减速器，行星减速器出轴连接至蜗杆，蜗杆带动回转盘进行旋转。

目前，定日镜角度测量常采用的方法为：利用绝对值编码器等对转动轴进行测量，从而间接得到镜面的转动角度。然而，这些定日镜角度检测传感器在实际使用中存在如下问题：

1、价格问题：绝对值编码器价格昂贵，目前国内市场的绝对值编码器价格上千元；

2、安装问题：绝对值编码器安装位置受限。若与机械传动装置输入轴连接，受大减速比传动特性制约，须采用多圈绝对值编码器，其价格更为昂贵(约为单圈绝对值编码器的2-3倍，甚至更高)；若与机械传动装置的输出轴连接，则会受制于定日镜支架结构特性限制，无法方便直接地与绝对值编码器连接，从而导致绝对值编码器的安装难以实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提出一种定日镜俯仰角度检测装置，降低定日镜角度检测的成本，并方便角度检测传感器的安装。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

一种定日镜俯仰角度检测装置，包括增量式传感器、接近开关组件、微处理器、铁电存储器、通信模块、电源模块和光束校准系统，增量式传感器安装于定日镜俯仰角度调整的蜗杆末端出轴或电机尾部，用于检测蜗杆或电机转动角度，增量式传感器与微处理器电连接；接近开关组件安装于定日镜俯仰角度调整的传动装置固定位置处，用于检测俯仰角度极限位；微处理器用于根据增量式传感器的反馈数据计算镜面角度；铁电存储器用于存储镜面角度，铁电存储器与微处理器电连接；通信模块用于与外部设备通信，与微处理器电连接；电源模块用于给各个模块供电，电源模块分别与增量式传感器、微处理器、铁电存储器和通信模块电连接；光束校准系统用于检测光斑在目标靶上的位置，光束校正系统与微处理器电连接。

作为选择，增量式传感器为在电机尾部安装的霍尔传感器型的增量式编码器，在电机尾部还安装有磁铁，磁铁成对数布置，在与磁铁相对的固定位置安装2个或更多个霍尔传感器，磁铁随转子转动，霍尔传感器固定不动。

作为选择，接近开关组件包括接近开关和挡块，接近开关安装于减速器的非转动部件上，挡块安装于减速器的转动部件上，镜面旋转会带动挡块的转动，挡块为两个，两个挡块的安装位置由镜面的最大转动角度确定，并满足镜面正常工作时，接近开关处于两个挡块之间。

作为进一步选择，接近开关分别检测两个挡块的位置，从而检测定日镜俯仰方向的最低与最高极限位，该极限位作为控制的初略零点。

作为选择，微处理器与铁电存储器通过总线的通讯方式进行数据交互，存储或读取计算出的镜面角度。

作为选择，微处理器通过通信模块与外部控制器通讯，将角度数据通过总线协议形式传递给外部控制器。

作为选择，光束校准系统与微处理器通过镜场通讯网络相连接，用于给出光斑在目标靶上的偏差值。

前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案；并且本实用新型，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本实用新型中各零件/模块的作用如下：

增量式传感器，安装于蜗杆末端出轴或电机尾部，用于检测蜗杆或电机轴的转动角度，增量式传感器与微处理器通过通信的方式传输数据。

接近开关，分别检测两个挡块的位置，从而检测定日镜俯仰方向的最低与最高极限位，该极限位作为控制的初略零点。

微处理器，用于根据增量式传感器的反馈数据计算镜面角度，采用以单片机为核心的电路设计，与增量式传感器通讯，并与铁电存储器通过总线的通讯方式进行数据交互。

铁电存储器，用于存储镜面角度，铁电存储器与微处理器采用总线的通讯方式进行数据交互。

通信模块，与微处理器连接，用于与外部控制器通讯，将角度数据通过总线协议形式传递给控制器。

电源模块，与增量式传感器、微处理器、铁电存储器、通信模块相连接，用于给上述模块供电。

光束校准系统，与微处理器通过镜场通讯网络相连接，用于给出光斑在目标靶上的偏差值。

本实用新型的工作流程：

1、首先由接近开关4的安装位置，得到定日镜在俯仰方向的初略零点；

2、由定日镜反射光斑至目标靶，若未在靶心，则人工控制定日镜使得光斑至靶心；

3、根据太阳运动规律、定日镜在镜场中的位置、光束校准系统反馈的光斑位置，反算出当前镜面俯仰角度；该俯仰角度与增量式传感器累计角度的差值即为精确零点；

4、精确零点与增量角度累计值之和，即为定日镜俯仰实时角度。

本实用新型的有益效果：

1、能有效降低定日镜控制系统的成本，例如传统检测方案中使用的绝对式编码器成本为几千元，而本方案中的增量式传感器成本仅为几百元，甚至几十元。

2、增量式传感器可与传动装置次末级传动轴端或电机尾部相连，在机械加工时传感器安装接口易于实现，且传感器的安装简单、易于维护。

3、增量式传感器安装位置与镜面实际角度之间存在着减速比，提高了镜面的实际检测精度；例如传统方案中，安装在镜面旋转角度的4096线的绝对值编码器，其镜面角度分辨率为0.088度，而在本方案中，假设选用512位的增量式传感器，传感器安装位置与镜面实际角度之间的减速比为300：1，实际镜面角度检测分辨可达0.0023度，显著提高了镜面角度检测精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例的增量式传感器与接近开关安装示意图；

图2是本实用新型实施例的另一种增量式传感器与接近开关安装示意图；

图3是本实用新型实施例的俯仰角度检测装置的结构框图；

图4是本实用新型实施例的俯仰角度计算流程图；

图中，1为增量式传感器，2为电机，3为减速器，4为接近开关，5为挡块。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

参考图1所示，一种定日镜俯仰角度检测装置，包括增量式传感器、接近开关组件、微处理器、铁电存储器、通信模块和电源模块。

其中，增量式传感器：增量式传感器是指输出增量式脉冲的传感器，这类传感器无法检测绝对的零点位置，本领域的技术人员将理解，这类型传感器包括了增量式编码器、霍尔元件等传感器，本发明中的增量式传感器的安装位置如附图1与附图2所示，增量式传感器1与微处理器通过通信的方式传输数据。

如附图1所示，增量式传感器1安装于蜗杆末端出轴，用于检测蜗杆转动角度从而检测镜面角度，例如蜗杆末端出轴与镜面转动轴之间的减速比为300：1，若选用512位的增量式编码器进行角度检测，则对应的镜面角度检测分辨率为：360÷512÷300＝0.0023°，即增量式编码器每输出1个脉冲对应镜面旋转角度为0.0023°。

同时如附图2所示，增量式传感器1安装于电机2尾部，用于检测电机转动角度从而检测镜面角度，例如电机出轴与镜面转动轴之间的减速比为40000：1，若选用12位的霍尔传感器进行角度检测，则对应的镜面角度检测分辨率为：360÷12÷40000＝0.00075°，即霍尔传感器每输出1个脉冲对应镜面旋转角度为0.00075°。

同时对在电机尾部安装的霍尔传感器型的增量式编码器而言，可以在电机尾部安装磁铁，磁铁成对数布置，例如12对，在与磁铁相对的且合理、固定的位置安装2个或更多个霍尔传感器，磁铁随转子转动，霍尔传感器固定不动，利用霍尔传感器与磁铁的相对位置关系及霍尔传感器的特性可以检测出电机的旋转角度，同时利用已知的多个霍尔传感器的安装位置，确定电机的转动方向。

接近开关组件：如附图2所示，接近开关4安装于减速器3的非转动部件上，挡块5安装于减速器3的转动部件上，接近开关4用于对定日镜镜面俯仰方向的旋转进行角度限位检测，镜面旋转会带动挡块5的转动，挡块5的安装位置由镜面的转动角度确定，应保证镜面正常工作时，接近开关4处于挡块5的两个挡块之间。当挡块5旋转至接近开关4处，此时镜面应处于已知的极限位，接近开关4动作并输出信号至微处理器，接近开关与微处理器通过通信的方式传输数据。

本技术人员能够理解，本发明中的接近开关安装位置可以多样化，其目的是用接近开关来得到镜面预定义的机械位置，对应着定日镜就地控制的初略零点。

微处理器：如附图3所示，微处理器用于俯仰角度的数据处理，根据增量式传感器、接近开关的反馈数据计算得到镜面俯仰角度，微处理器采用以单片机为核心的电路设计，与增量式传感器、接近开关通讯，并通过总线的通讯方式与铁电存储器进行数据的交互。

铁电存储器：铁电存储器用于存储镜面实时角度，与微处理器通过总线的通讯方式进行数据交互。目前市场上的铁电存储器的读写次数高达100万亿次，满足定日镜在25年全寿命周期的俯仰角度数据读写的需要。铁电存储器具有非易失性，在电源丢失的情况下，依然能保存数据，待电源恢复后，由微处理器从中读取角度数值，保证了角度数据不丢失。

通信模块：通信模块用于与外部定日镜控制器通讯，将得到的俯仰角度数据通过总线通讯形式实时传递给定日镜控制器，同时也用于接收来自光束校准系统的数据信息。

电源模块：电源模块用于给上述增量式传感器、接近开关、微处理器、铁电存储器、通信模块等供电。

光束校准系统：光束校准系统为镜场通用配置的光斑跟踪质量检测装置，将其与定日镜就地控制器中的微处理器通过镜场通讯网络相连接，光束校准系统将光斑在目标靶上的实际位置传递给微处理器。

为检测出定日镜俯仰角度，本装置可采用以下方法获得镜面俯仰角度，结合附图4说明如下：

1、初略零点的检测：

初略零点是定日镜将光线反射至靶心所需要的控制零点。在定日镜第一次上电运行时，需要通过自动或手动的方式旋转镜面的俯仰方向至接近开关，即使得挡块5至接近开关4处，当接近开关4动作输出信号至微处理器时，由于接近开关安装位置是固定且已知的，因此此时的镜面俯仰角度也是固定且已知的，例如5度，该角度可作为镜面俯仰角的初略零点。但由于接近开关受到其检测精度、安装误差的影响，使得该角度会产生误差。

2、定日镜反射光线至靶心：

1)镜面俯仰目标角度的获取：通过定日镜控制器的计算得到将光线反射到目标靶时的镜面俯仰目标角度。

2)镜面俯仰实时角度的获取：由于传感器安装位置与镜面之间的机械传动比或几何结构已知，即可建立增量式传感器的反馈脉冲与镜面角度的数学模型，如前文例中所述，若采用霍尔传感器检测电机转动角度，霍尔传感器每输出1个脉冲对应镜面旋转角度为0.00075°，由此通过累计传感器的反馈脉冲即可得到增量角度累计值，而增量角度累计值与初略零点之和即为初略实时角度。

3)控制镜面俯仰角度至目标角度：定日镜控制器根据目标角度与初略实时角度的差值对镜面俯仰角度进行控制，将光线反射至目标靶心。

4)若光斑未反射至目标靶心，则人工手动操作定日镜靶心，同时按前述方法保持获取增量角度累计值与初略实时角度。

3、精确零点的获取：

当定日镜光斑反射至目标靶心时，由光束校准系统测得光斑的在目标靶的精确位置，并通过镜场网络下达至定日镜的微处理器。

此时由微处理器结合此刻太阳位置、光斑位置、定日镜在镜场中的位置、目标靶中心位置，可求得当前理论的镜面俯仰角度。理论角度与增量角度累计值之差即为精确零点，即由此刻的精确零点校准了初略零点，得到镜面俯仰的精确零点。

4、镜面俯仰角的实时精确角度的获取：

以上获取精确零点的三个步骤仅在每台定日镜第一次运行时进行，在正常工作条件下无需再进行第二次标定过程，这在实际的工程项目中是允许的。精确零点将在系统第一次标定后，存储至铁电存储器中，后续若因设备维修等外部原因使得安装位置发生改变需要重新进行以上三个步骤以得到精确零点值。

此时精确零点与增量角度累计值之和即为镜面实时角度。将镜面实时角度存入至铁电存储器中，防止掉电丢失。

在后续的俯仰角度检测中，仅需重复上述步骤2中的第2)步，得到增量式角度，再从铁电存储器中读取原实时角度，两者之和即为新的实时角度。

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

Claims (7)

1.一种定日镜俯仰角度检测装置，其特征在于：包括增量式传感器、接近开关组件、微处理器、铁电存储器、通信模块、电源模块和光束校准系统，增量式传感器安装于定日镜俯仰角度调整的蜗杆末端出轴或电机尾部，用于检测蜗杆或电机转动角度，增量式传感器与微处理器电连接；接近开关组件安装于定日镜俯仰角度调整的传动装置固定位置处，用于检测俯仰角度极限位；微处理器用于根据增量式传感器的反馈数据计算镜面角度；铁电存储器用于存储镜面角度，铁电存储器与微处理器电连接；通信模块用于与外部设备通信，与微处理器电连接；电源模块用于给各个模块供电，电源模块分别与增量式传感器、微处理器、铁电存储器和通信模块电连接；光束校准系统用于检测光斑在目标靶上的位置，光束校正系统与微处理器电连接。

2.如权利要求1所述的定日镜俯仰角度检测装置，其特征在于：增量式传感器为在电机尾部安装的霍尔传感器型的增量式编码器，在电机尾部还安装有磁铁，磁铁成对数布置，在与磁铁相对的固定位置安装2个或更多个霍尔传感器，磁铁随转子转动，霍尔传感器固定不动。

3.如权利要求1所述的定日镜俯仰角度检测装置，其特征在于：接近开关组件包括接近开关和挡块，接近开关安装于减速器的非转动部件上，挡块安装于减速器的转动部件上，镜面旋转会带动挡块的转动，挡块为两个，两个挡块的安装位置由镜面的最大转动角度确定，并满足镜面正常工作时，接近开关处于两个挡块之间。

4.如权利要求3所述的定日镜俯仰角度检测装置，其特征在于：接近开关分别检测两个挡块的位置，从而检测定日镜俯仰方向的最低与最高极限位，该极限位作为控制的初略零点。

5.如权利要求1所述的定日镜俯仰角度检测装置，其特征在于：微处理器与铁电存储器通过总线的通讯方式进行数据交互，存储或读取计算出的镜面角度。

6.如权利要求1所述的定日镜俯仰角度检测装置，其特征在于：微处理器通过通信模块与外部控制器通讯，将角度数据通过总线协议形式传递给外部控制器。

7.如权利要求1所述的定日镜俯仰角度检测装置，其特征在于：光束校准系统与微处理器通过镜场通讯网络相连接，用于给出光斑在目标靶上的偏差值。