本發(fā)明屬于光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置的確定方法。

背景技術(shù)：

太陽能是一種可再生資源，幾乎取之不盡用之不竭，利用太陽能發(fā)電技術(shù)的綠色能源，前景廣闊。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)聚光方式的不同，主要分為槽式、塔式和碟式，碟式發(fā)電相對于其它兩種方式的優(yōu)勢在于：

(1)、靈活化的模塊部署方式。

(2)、較高的聚光比。

(3)、方便的二維跟蹤。

(4)、適應(yīng)缺水環(huán)境。

(5)、設(shè)備故障對電網(wǎng)干擾小。

目前在碟式跟蹤系統(tǒng)的調(diào)焦，必須保證精確、快速的進(jìn)行調(diào)焦。而以前的兩種調(diào)焦方法：色靶調(diào)焦和對日調(diào)焦。已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在市場的需求。色靶調(diào)焦?jié)M足不了精度要求，而對日調(diào)焦過于麻煩而且存在一定危險性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置的確定方法。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置的確定方法，具有如下步驟：

s1、根據(jù)光學(xué)反射原理分析導(dǎo)光板的尺寸設(shè)計原理，所述導(dǎo)光板為正方形，所述導(dǎo)光板由四塊正方形導(dǎo)光板單元組成，所述導(dǎo)光板的中心設(shè)有放入ccd相機(jī)的中心圓孔，即所述導(dǎo)光板單元位于所述導(dǎo)光板的中心處具有四分之一圓孔：

令碟式跟蹤系統(tǒng)的碟盤的拋物線方程為：

4×fd×y＝x²，其中，fd為拋物線的焦距；

因此，f(x,y)＝4×fd×y-x²；

則，法線矢量n滿足以下公式：

n＝-2×xi+4×fdj；

單位矢量滿足以下公式：

其中，mag1＝sqrt(4×x²+16×fd²)，；

確定ccd相機(jī)矢量的兩個點(diǎn)：

ca1＝(x，x²/4/fd)和ca12＝(0，cap)，其中，cap為導(dǎo)光板到碟盤中心的距離；

拋物線上的點(diǎn)到ccd相機(jī)的矢量滿足以下公式：

ca＝-xi+(cap-x²/4/fd)j；

拋物線上的點(diǎn)到ccd相機(jī)的法相矢量滿足以下公式：

其中，mag2＝sqrt(x²+(cap-x²/4/fd)²)；

n和ca間的夾角fe的余弦通過取兩個單位矢量的點(diǎn)積確定，即滿足以下公式：

cosfe＝n·ca；

指向?qū)Ч獍宓姆瓷浔砻嫔系狞c(diǎn)的單位矢量1滿足以下公式：

1＝-ca+2×cosfe×n；

反射表面上的點(diǎn)到導(dǎo)光板的矢量l滿足以下公式：

l＝1×mu1，其中，mu1＝(cap-x²/4/fd)/1(2)，而l(2)是單位矢量l的j組分；

導(dǎo)光板中光線到導(dǎo)光板中心的距離xl滿足以下公式：

xl＝l-ca＝xli+0j；

j組分為0，因?yàn)樗窃趯?dǎo)光板平面中。

s2、根據(jù)導(dǎo)光板的設(shè)計原理分析導(dǎo)光板到碟盤中心距離與導(dǎo)光板單元尺寸之間的關(guān)系；

s3、根據(jù)實(shí)際調(diào)焦場地的需求，選擇適合的距離和導(dǎo)光板單元的尺寸；

s4、根據(jù)導(dǎo)光板單元的尺寸制備導(dǎo)光板單元，所述導(dǎo)光板單元朝向所述碟盤的一側(cè)設(shè)有多個led燈，之后由四個所述導(dǎo)光板單元組成所述導(dǎo)光板，并在所述中心圓孔安裝所述ccd相機(jī)；

s5、通過中心圓孔安裝所述ccd相機(jī)的所述導(dǎo)光板，確定碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置。

所述步驟s2中根據(jù)導(dǎo)光板的設(shè)計原理分析導(dǎo)光板到碟盤中心距離與導(dǎo)光板單元尺寸之間的關(guān)系的具體步驟如下：

設(shè)所述碟盤的半徑為r，取位于所述碟盤焦點(diǎn)一側(cè)的所述碟盤軸線上的多個點(diǎn)為所述導(dǎo)光板的位置點(diǎn)，記為a0，a1，…，ai；a0，a1，…，ai到碟盤中心的距離cap分別為fd，fd+1m，…，fd+c，其中，c為正整數(shù)，單位為m；

根據(jù)，xl＝l-ca＝xli+0j，l＝1×mu1，得到每個位置點(diǎn)的光線位置函數(shù)，并制成第一光線位置函數(shù)圖，其中，橫坐標(biāo)表示碟盤反射面到碟盤中心的距離，從0一直到碟盤的半徑r，坐標(biāo)間隔為0.2m；縱坐標(biāo)表示為導(dǎo)光板中光線到導(dǎo)光板中心的距離，坐標(biāo)間隔為2m，每條曲線對應(yīng)一個導(dǎo)光板到碟盤中心的距離值；

從第一光線位置函數(shù)圖中，確定導(dǎo)光板單元的最小尺寸的邊長的粗略值xl0和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板的位置點(diǎn)a和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板到碟盤中心的距離a；

沿所述碟盤軸線取位置點(diǎn)a附近的多個點(diǎn)，記為…，b-1，b0，b1，…；…，b-1，b0，b1，…到碟盤中心的距離cap分別為…，a-0.2m，a，a+0.2m，…；

根據(jù)，xl＝l-ca＝xli+0j，l＝1×mu1，制作第二光線位置函數(shù)圖，其中，橫坐標(biāo)表示碟盤反射面到碟盤中心的距離，從0一直到碟盤的半徑r，坐標(biāo)間隔為0.2m；縱坐標(biāo)表示為導(dǎo)光板中光線到導(dǎo)光板中心的距離，坐標(biāo)間隔為0.1m，每條曲線對應(yīng)一個導(dǎo)光板到碟盤中心的距離值；

從第二光線位置函數(shù)圖中，確定導(dǎo)光板單元的最小尺寸的邊長的理論值和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板的位置點(diǎn)和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板到碟盤中心的距離。

所述步驟s5中通過中心圓孔安裝所述ccd相機(jī)的所述導(dǎo)光板，確定碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置的具體步驟如下：

太陽的單位向量點(diǎn)用系統(tǒng)配置坐標(biāo)系表示為：

sunv＝0i+0j+1k；

其中i,j,k是單位向量；

從碟盤鏡面到接收器目標(biāo)點(diǎn)的向量為：

recv＝(aimpt1-surpt1)i+(aimpt2-surpt2)j+(aimpt3-surpt3)k，其中，aimpt1，aimpt2和aimpt3是目標(biāo)點(diǎn)的結(jié)束坐標(biāo)，這是已經(jīng)規(guī)定好的；

surpt1，surpt2和surpt3是碟盤鏡面一個點(diǎn)的坐標(biāo)；

得到recv單位向量；

太陽向量與接收器向量之間的角度為兩向量點(diǎn)積，滿足以下公式：

cosfe＝dot(sunv,recv)；

或者，

fe＝acos(cosfe)；

單位表面法向向量為：

n`＝(sunv+recv)/(2*cos(fe/2))＝n`xi+n`yj+n`zk；

通過上面法向向量n`，導(dǎo)光板上得到一光線向量；

碟盤鏡面處一點(diǎn)到ccd相機(jī)的向量為：

cam＝(capt1-surpt1)i+(capt2-surpt2)j+(capt3-surpt3)k；

capt1，capt2和capt3是ccd相機(jī)焦點(diǎn)坐標(biāo)，即前面所介紹導(dǎo)光板位置；

surpt1，surpt2和surpt3是碟盤鏡面一點(diǎn)的坐標(biāo)；

ccd相機(jī)法向向量為：

ca＝cam/magnitude(cam)；

單位表面法向向量與ccd相機(jī)向量的cos角度為兩向量點(diǎn)記：

cosfeo2＝dat(n`,ca)；

碟盤鏡面上一點(diǎn)到光線位置的單位向量為：

lv＝ca–2*cosfeo2*n`；

為擴(kuò)大導(dǎo)光板單位向量，需計算出一個放大系數(shù)：

mvl＝(capt3–surpt3)/lv；

碟盤鏡面到導(dǎo)光板的向量為：

lv＝lv*mvl；

ccd相機(jī)到導(dǎo)光板的向量為：

lig＝lv-cam＝ligxi+ligyj+ligzk

ligx和ligy即為光線在導(dǎo)光板上的位置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用led光線確定碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置，方便、低廉并且適用于各種環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的光線位置確定。

基于上述理由本發(fā)明可在光熱發(fā)電技術(shù)等領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中導(dǎo)光板尺寸的計算示意圖。

圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中第一光線位置函數(shù)圖。

圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中第二光線位置函數(shù)圖。

圖4是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中導(dǎo)光板和ccd相機(jī)組合示意圖。

圖5是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中單位表面法向向量的計算示意圖。

圖6是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中光線位置的計算示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖4所示，一種碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置的確定方法，具有如下步驟：

s1、根據(jù)光學(xué)反射原理分析導(dǎo)光板的尺寸設(shè)計原理，所述導(dǎo)光板2為正方形，所述導(dǎo)光板2由四塊正方形導(dǎo)光板單元3組成，所述導(dǎo)光板2的中心設(shè)有放入ccd相機(jī)4的中心圓孔，即所述導(dǎo)光板單元位于所述導(dǎo)光板的中心處具有四分之一圓孔5：

令碟式跟蹤系統(tǒng)的碟盤1的拋物線方程為：

4×fd×y＝x²，其中，fd為拋物線的焦距；

因此，f(x,y)＝4×fd×y-x²；

則，法線矢量n滿足以下公式：

n＝-2×xi+4×fdj；

單位矢量滿足以下公式：

其中，mag1＝sqrt(4×x²+16×fd²)，；

確定ccd相機(jī)4矢量的兩個點(diǎn)：

ca1＝(x，x²/4/fd)和ca12＝(0，cap)，其中，cap為導(dǎo)光板2到碟盤1中心的距離；

拋物線上的點(diǎn)到ccd相機(jī)4的矢量滿足以下公式：

ca＝-xi+(cap-x²/4/fd)j；

拋物線上的點(diǎn)到ccd相機(jī)4的法相矢量滿足以下公式：

其中，mag2＝sqrt(x²+(cap-x²/4/fd)²)；

n和ca間的夾角fe的余弦通過取兩個單位矢量的點(diǎn)積確定，即滿足以下公式：

cosfe＝n·ca；

指向?qū)Ч獍?的反射表面上的點(diǎn)的單位矢量1滿足以下公式：

1＝-ca+2×cosfe×n；

反射表面上的點(diǎn)到導(dǎo)光板2的矢量l滿足以下公式：

l＝1×mu1，其中，mu1＝(cap-x²/4/fd)/1(2)，而l(2)是單位矢量l的j組分；

導(dǎo)光板2中光線到導(dǎo)光板2中心的距離xl滿足以下公式：

xl＝l-ca＝xli+0j；

s2、根據(jù)導(dǎo)光板2的設(shè)計原理分析導(dǎo)光板2到碟盤1中心距離與導(dǎo)光板單元3尺寸之間的關(guān)系的具體步驟如下：

設(shè)所述碟盤1的半徑為r，本實(shí)施例中r＝6m，取位于所述碟盤1焦點(diǎn)一側(cè)的所述碟盤1軸線上的多個點(diǎn)為所述導(dǎo)光板2的位置點(diǎn)，記為a0，a1，…，ai；a0，a1，…，ai到碟盤1中心的距離cap分別為fd，fd+1m，…，fd+c，其中，c為正整數(shù)，單位為m，本實(shí)施例中fd＝8m，c＝17m；

根據(jù)，xl＝l-ca＝xli+0j，l＝1×mu1，得到每個位置點(diǎn)的光線位置函數(shù)，并制成第一光線位置函數(shù)圖，其中，橫坐標(biāo)表示碟盤1反射面到碟盤1中心的距離，從0一直到碟盤1的半徑r，坐標(biāo)間隔為0.2m；縱坐標(biāo)表示為導(dǎo)光板2中光線到導(dǎo)光板2中心的距離，坐標(biāo)間隔為2m，每條曲線(用不同形狀標(biāo)記)對應(yīng)一個導(dǎo)光板2到碟盤1中心的距離值；

從第一光線位置函數(shù)圖中可以看出導(dǎo)光板2在與碟盤1中心相聚約17m時，導(dǎo)光板單元3的尺寸最小，邊長大概0.4m；

確定導(dǎo)光板單元3的最小尺寸的邊長的粗略值xl0＝0.4m和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板2的位置點(diǎn)a和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板2到碟盤1中心的距離a＝17m；

沿所述碟盤1軸線取位置點(diǎn)a附近的多個點(diǎn)，記為…，b-1，b0，b1，…；…，b-1，b0，b1，…到碟盤1中心的距離cap分別為…，16.8m，17，17.2m，…；

根據(jù)，xl＝l-ca＝xli+0j，l＝1×mu1，制作第二光線位置函數(shù)圖，其中，橫坐標(biāo)表示碟盤1反射面到碟盤1中心的距離，從0一直到碟盤1的半徑r，坐標(biāo)間隔為0.2m；縱坐標(biāo)表示為導(dǎo)光板2中光線到導(dǎo)光板2中心的距離，坐標(biāo)間隔為0.1m，每條曲線(用不同形狀標(biāo)記)對應(yīng)一個導(dǎo)光板2到碟盤1中心的距離值；

從第二光線位置函數(shù)圖中可以看出當(dāng)導(dǎo)光板2到碟盤1中心距離為17.2m時，導(dǎo)光板單元3的尺寸最小，邊長為0.36m，

確定導(dǎo)光板單元3的最小尺寸的邊長的理論值為0.36m和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板2的位置點(diǎn)和其所對應(yīng)的導(dǎo)光板2到碟盤1中心的距離17.2m；

這樣最優(yōu)化設(shè)計可以減少成本和光線的數(shù)量，但兩者之間的距離非常遠(yuǎn)，必須保證實(shí)際調(diào)焦場地的高度及光線亮度的要求；

s3、根據(jù)實(shí)際調(diào)焦場地的需求，選擇適合的距離和導(dǎo)光板單元3的尺寸；

s4、根據(jù)導(dǎo)光板單元3的尺寸制備導(dǎo)光板單元3，所述導(dǎo)光板單元3朝向所述碟盤1的一側(cè)設(shè)有多個led燈，之后由四個所述導(dǎo)光板單元3組成所述導(dǎo)光板2，并在所述中心圓孔安裝所述ccd相機(jī)4；

s5、通過中心圓孔安裝所述ccd相機(jī)4的所述導(dǎo)光板2，確定碟式跟蹤系統(tǒng)調(diào)焦程序光線位置的具體步驟如下：

太陽的單位向量點(diǎn)用系統(tǒng)配置坐標(biāo)系表示為：

sunv＝0i+0j+1k；

其中i,j,k是單位向量；

如圖5所示，從碟盤1鏡面到接收器6目標(biāo)點(diǎn)的向量為：

recv＝(aimpt1-surpt1)i+(aimpt2-surpt2)j+(aimpt3-surpt3)k，其中，aimpt1，aimpt2和aimpt3是目標(biāo)點(diǎn)的結(jié)束坐標(biāo)，這是已經(jīng)規(guī)定好的；

surpt1，surpt2和surpt3是碟盤1鏡面一個點(diǎn)的坐標(biāo)；

得到recv單位向量；

太陽向量與接收器6向量之間的角度為兩向量點(diǎn)積，滿足以下公式：

cosfe＝dot(sunv,recv)；

或者，

fe＝acos(cosfe)；

單位表面法向向量為：

n`＝(sunv+recv)/(2*cos(fe/2))＝n`xi+n`yj+n`zk；

通過上面法向向量n`，導(dǎo)光板2上得到一光線向量，如圖6所示；

碟盤1鏡面處一點(diǎn)到ccd相機(jī)4的向量為：

cam＝(capt1-surpt1)i+(capt2-surpt2)j+(capt3-surpt3)k；

capt1，capt2和capt3是ccd相機(jī)4焦點(diǎn)坐標(biāo)，即前面所介紹導(dǎo)光板2位置；

surpt1，surpt2和surpt3是碟盤1鏡面一點(diǎn)的坐標(biāo)；

ccd相機(jī)4法向向量為：

ca＝cam/magnitude(cam)；

單位表面法向向量與ccd相機(jī)4向量的cos角度為兩向量點(diǎn)記：

cosfeo2＝dat(n`,ca)；

碟盤1鏡面上一點(diǎn)到光線位置的單位向量為：

lv＝ca–2*cosfeo2*n`；

為擴(kuò)大導(dǎo)光板2單位向量，需計算出一個放大系數(shù)：

mvl＝(capt3–surpt3)/lv；

碟盤1鏡面到導(dǎo)光板2的向量為：

lv＝lv*mvl；

ccd相機(jī)4到導(dǎo)光板2的向量為：

lig＝lv-cam＝ligxi+ligyj+ligzk

ligx和ligy即為光線在導(dǎo)光板2上的位置。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。