專利名稱：定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法及系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太陽能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過熱力循環(huán)過程進(jìn)行 發(fā)電。其中塔式太陽能熱發(fā)電站是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部 的高溫集熱器上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為 電能。在塔式太陽能熱發(fā)電中，定日鏡的跟日精度是比較關(guān)鍵的參數(shù)，只有定日鏡的跟日精 度足夠高，才能保證太陽光斑能量一直準(zhǔn)確聚焦到集熱器上，保證熱發(fā)電系統(tǒng)具有較高的 光熱轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而保障熱發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。為了提高跟蹤精度，當(dāng)前采用的一種方法是，在長期觀測的基礎(chǔ)上建立每個(gè)定日 鏡的誤差模型，然后利用該模型對(duì)定日鏡的跟蹤誤差進(jìn)行預(yù)測修正。這種方法在一定程度 上可以改善定日鏡的跟蹤誤差，但缺點(diǎn)是無法對(duì)時(shí)變的誤差源(比如立柱的傾斜、由風(fēng)載 引起的支架抖動(dòng)等)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，而且為了建立誤差模型需要對(duì)每一臺(tái)定日鏡的 聚光誤差進(jìn)行較長時(shí)間的觀察和測量，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。另外一旦定日鏡的某個(gè)元件或者機(jī) 械結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，必須重新觀測建立新的定日鏡誤差模型。當(dāng)前采用的另一種方法是，利用CCD成像技術(shù)在線檢測定日鏡的聚光偏移方法。 這種方法是在集熱器的四個(gè)角上對(duì)稱安裝四個(gè)CCD攝像頭，利用CCD攝像頭面向定日鏡場 采集定日鏡的圖像，根據(jù)同一定日鏡在對(duì)稱位置的兩個(gè)CCD的數(shù)字圖像上的亮度差異來確 定定日鏡相對(duì)于集熱器中心的實(shí)際偏移。從理論上看，這種方法既不影響定日鏡的跟日運(yùn) 動(dòng)，也不需要中斷集熱器的正常光熱轉(zhuǎn)換過程，可以達(dá)到在線測量的目的。但是，從實(shí)現(xiàn)角 度看，由于攝像頭的視野受鏡頭限制，且鏡場中各定日鏡之間有一定的遮擋，安裝在集熱器 邊緣的攝像頭很難對(duì)鏡場中的多個(gè)定日鏡同時(shí)形成完整而又清晰的圖像。另外根據(jù)定日 鏡跟日反射理論，我們知道跟日過程中定日鏡中心法線與集熱器中心點(diǎn)是不在一條直線上 的，而且由于余弦效應(yīng)的存在，定日鏡反射形成的太陽光斑不是一個(gè)理想的圓，因此即使是 準(zhǔn)確聚光于集熱器中心點(diǎn)的定日鏡在攝像頭中成的像的亮度也是有差異的的(因?yàn)樯⑸?光量不一樣)。當(dāng)定日鏡聚光偏差較大時(shí)，因?yàn)閿z像頭安裝在集熱器邊緣，會(huì)有一部分鏡面 反射光進(jìn)入相應(yīng)的攝像鏡頭，但此時(shí)CCD攝像頭會(huì)很容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，CCD圖像中的定日 鏡輪廓很難界定。如果攝像頭安裝較遠(yuǎn)，則進(jìn)入鏡頭的主要是散射光，圖像中的定日鏡框架 會(huì)較清晰，可是根據(jù)散射光量的差異來判斷定日鏡的聚光偏差是不準(zhǔn)確的。可見利用CCD 攝像頭對(duì)定日鏡成像來測量定日鏡的偏移也是有缺陷的。當(dāng)前還有一種方法是，利用光電位置檢測傳感器來檢測定日鏡的中心反射光線方 向的方法。在定日鏡前方安置一帶聚焦功能的光電位置傳感器，光電位置傳感器的主軸與 定日鏡中心和靶標(biāo)中心的連線重合。定日鏡中心反射光線經(jīng)聚焦后形成一光點(diǎn)落在光電位 置傳感器上，當(dāng)光點(diǎn)落在傳感器的中心時(shí)，定日鏡的跟日誤差為零，否則認(rèn)為有偏差。根據(jù)光點(diǎn)在二維光電位置檢測器上的坐標(biāo)可以確定定日鏡的中心反射光線的偏差，然后利用兩 個(gè)方向的偏差值控制定日鏡的兩個(gè)轉(zhuǎn)角。采用這種方法有一個(gè)前提條件，即定日鏡的頂點(diǎn) 必須保持不變，也即定日鏡頂點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心必須一致，否則光電位置傳感器將無法感測到 中心位置反射光線。另外，由于光電位置傳感器安置在定日鏡前方一細(xì)長型的竿上，受到風(fēng) 力和地面傾斜的影響，光電位置傳感器的光學(xué)中心很難保持穩(wěn)定，因此很難在野外應(yīng)用。此外，上述利用太陽光強(qiáng)或者利用太陽光照明分布情況來進(jìn)行太陽位置的跟蹤測 量存在一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)天空中有云時(shí)，或者太陽被云部分遮擋時(shí)，測量系統(tǒng)的輸出變得不穩(wěn) 定，從而影響定日鏡的正常工作。由于在線測量的困難，目前世界上的塔式太陽能熱發(fā)電定 日鏡基本都是工作在開環(huán)狀態(tài)，限制了定日鏡聚光精度的提高，而且定日鏡的抗干擾能力 差，風(fēng)力超過二級(jí)時(shí)開環(huán)定日鏡的聚光性能會(huì)明顯下降，集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率降低，影響 太陽能熱發(fā)電站的正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法，能夠在線 檢測定日鏡的跟日精度，從而保證太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法，包括以 下步驟(a)在塔式太陽能熱發(fā)電站的集熱器上方設(shè)定位置周期性地向各方向發(fā)射使用一 定頻率的激光信號(hào)；(b)在定日鏡的頂點(diǎn)接收所述激光信號(hào)，測量接收到的激光光斑的大小并記錄接 收到激光信號(hào)的時(shí)間；(C)根據(jù)接收到激光信號(hào)的時(shí)間和所述激光信號(hào)的發(fā)射規(guī)律確定接收到的激光信 號(hào)的方向；(d)根據(jù)激光信號(hào)的接收位置和該激光信號(hào)的方向確定當(dāng)前時(shí)刻定日鏡的實(shí)際中 心法線方向；(e)根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，確定定日鏡當(dāng)前的實(shí)際姿態(tài)角。進(jìn)一步地，上述方法還可具有以下特點(diǎn)，還包括(f)，根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線 方向，利用定日鏡反射聚光的理論模型計(jì)算定日鏡反射光斑中心偏離集熱器中心的數(shù)值， 即定日鏡的聚光誤差。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提出了一種定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)定日鏡 姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，包括激光掃描裝置，其位于塔式太陽能熱發(fā)電站的集熱器上方設(shè)定位置，用于周期性 地向各方向發(fā)射一定頻率的激光信號(hào)；光電檢測裝置，其位于定日鏡的頂點(diǎn)，用于接收所述激光信號(hào)，測量接收到的激光 光斑的大小并記錄接收到激光信號(hào)的時(shí)間；微處理器，用于根據(jù)接收到激光信號(hào)的時(shí)間和所述激光信號(hào)的發(fā)射規(guī)律確定接收 到的激光信號(hào)的方向，再根據(jù)激光信號(hào)的接收位置和該激光信號(hào)的方向確定當(dāng)前時(shí)刻定日 鏡的實(shí)際中心法線方向，然后根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，確定定日鏡當(dāng)前的實(shí)際姿 態(tài)角。
進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還可具有以下特點(diǎn)，所述微處理器還用于，根據(jù)定日鏡的實(shí)際 中心法線方向，利用定日鏡反射聚光的理論模型計(jì)算定日鏡反射光斑中心偏離集熱器中心 的數(shù)值，即定日鏡的聚光誤差。進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還可具有以下特點(diǎn)，所述激光掃描裝置按照設(shè)定規(guī)律在一個(gè) 三維空間內(nèi)均勻、勻速地掃描。進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還可具有以下特點(diǎn)，所述激光器為帶聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光器。進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還可具有以下特點(diǎn)，所述激光掃描裝置由一個(gè)兩維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)和與其相互連接的激光器構(gòu)成。進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還可具有以下特點(diǎn)，所述激光掃描裝置由順次相連的半導(dǎo)體 激光器、光學(xué)聚焦系統(tǒng)和轉(zhuǎn)鏡掃描系統(tǒng)構(gòu)成。進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還可具有以下特點(diǎn)，所述激光掃描裝置由相互連接的半導(dǎo)體 激光器和聲光調(diào)制模塊構(gòu)成。進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還可具有以下特點(diǎn)，所述光電檢測裝置包括二維光敏器件、信 號(hào)接收電路、解調(diào)電路、信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)電路。本發(fā)明能夠同時(shí)檢測定日鏡場多臺(tái)定日鏡跟日過程中的跟日誤差，保證定日鏡場 的有效工作，提高塔式太陽能熱發(fā)電站的工作效率。


圖1為定日鏡姿態(tài)角測量示意圖；圖2為兩旋轉(zhuǎn)軸定日鏡示意圖；圖3為定日鏡姿態(tài)激光掃描測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4為兩個(gè)轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成的激光掃描系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法包括步驟101，在塔式太陽能熱發(fā)電站的集熱器上方設(shè)定位置周期性地向各方向發(fā)射 一定頻率的激光信號(hào)；可以在聚光塔的頂部即集熱器上方固定位置安裝一個(gè)具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制軸 的激光發(fā)射系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，激光器能夠按照設(shè)定程序周期性地發(fā)射一定頻率的激光 信號(hào)。這里的激光信號(hào)可以為連續(xù)波的激光信號(hào)或者激光脈沖信號(hào)。步驟102，在定日鏡的頂點(diǎn)接收激光信號(hào)，測量接收到的激光光斑的大小并記錄接 收到激光信號(hào)的時(shí)間；可以在定日鏡的中心位置貼裝一個(gè)二維的光電檢測裝置，能接收前述激光信號(hào)、 測量激光光斑的大小并鎖定接收到激光信號(hào)的時(shí)間。當(dāng)光電檢測裝置探測到前述激光信號(hào) 時(shí)會(huì)輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，鎖定接收到激光信號(hào)的時(shí)間。步驟103，根據(jù)接收到激光信號(hào)的時(shí)間和激光信號(hào)的發(fā)射規(guī)律確定接收到的激光 信號(hào)的方向；
由于激光束是按一定規(guī)律周期性地在空間掃描，根據(jù)接收時(shí)間可以知道接收到的 激光束(即激光信號(hào))的方向。激光信號(hào)的發(fā)射規(guī)律即指激光的周期性掃描規(guī)律。步驟104，根據(jù)激光信號(hào)的接收位置和該激光信號(hào)的方向確定當(dāng)前時(shí)刻定日鏡的 實(shí)際中心法線方向；由于光電檢測裝置的主軸與定日鏡的中心法線一致，即光電檢測敏感面與定日鏡 中心法線垂直，根據(jù)激光信號(hào)的落點(diǎn)位置(即激光信號(hào)的接收位置)和激光信號(hào)的方向，可 以得出該時(shí)刻定日鏡的實(shí)際鏡面中心法線的方向。步驟105，根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，確定定日鏡當(dāng)前的實(shí)際姿態(tài)角。步驟106，根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，利用定日鏡反射聚光的理論模型計(jì)算 定日鏡反射光斑中心偏離集熱器中心的數(shù)值，即定日鏡的聚光誤差。確定了定日鏡實(shí)際的中心法線后，利用定日鏡反射聚光的理論模型可以算出定日 鏡反射光斑中心偏離集熱器中心的數(shù)值，也即定日鏡的聚光誤差。在跟日過程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律、定日鏡位置和當(dāng)?shù)貢r(shí)間確定太陽的位 置，然后根據(jù)靶標(biāo)位置確定定日鏡的指向，即定日鏡的方位角和仰角，最后通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)定 日鏡支撐架，使定日鏡達(dá)到設(shè)定的姿態(tài)。在早上，中午和下午不同時(shí)刻，定日鏡的姿態(tài)會(huì)有 較大變化。激光掃描角度范圍可以根據(jù)理論計(jì)算的定日鏡姿態(tài)作一些調(diào)整，以減小掃描角 度，縮短掃描周期。一個(gè)地方某一時(shí)刻的太陽高度角和方位角可以根據(jù)天球赤道坐標(biāo)系的赤緯角δ 和時(shí)間角ω來計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法，其特征在于，包括以下步驟(a)在塔式太陽能熱發(fā)電站的集熱器上方設(shè)定位置周期性地向各方向發(fā)射一定頻率的 激光信號(hào)；(b)在定日鏡的頂點(diǎn)接收所述激光信號(hào)，測量接收到的激光光斑的大小并記錄接收到 激光信號(hào)的時(shí)間；(c)根據(jù)接收到激光信號(hào)的時(shí)間和所述激光信號(hào)的發(fā)射規(guī)律確定接收到的激光信號(hào)的 方向；(d)根據(jù)激光信號(hào)的接收位置和該激光信號(hào)的方向確定當(dāng)前時(shí)刻定日鏡的實(shí)際中心法 線方向；(e)根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，確定定日鏡當(dāng)前的實(shí)際姿態(tài)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法，其特征在于，還包括(f)，根 據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，利用定日鏡反射聚光的理論模型計(jì)算定日鏡反射光斑中心 偏離集熱器中心的數(shù)值，即定日鏡的聚光誤差。
3.一種定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，包括激光掃描裝置，其位于塔式太陽能熱發(fā)電站的集熱器上方設(shè)定位置，用于周期性地向 各方向發(fā)射一定頻率的激光信號(hào)；光電檢測裝置，其位于定日鏡的頂點(diǎn)，用于接收所述激光信號(hào)，測量接收到的激光光斑 的大小并記錄接收到激光信號(hào)的時(shí)間；微處理器，用于根據(jù)接收到激光信號(hào)的時(shí)間和所述激光信號(hào)的發(fā)射規(guī)律確定接收到的 激光信號(hào)的方向，再根據(jù)激光信號(hào)的接收位置和該激光信號(hào)的方向確定當(dāng)前時(shí)刻定日鏡的 實(shí)際中心法線方向，然后根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，確定定日鏡當(dāng)前的實(shí)際姿態(tài)角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微處理器 還用于，根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，利用定日鏡反射聚光的理論模型計(jì)算定日鏡反 射光斑中心偏離集熱器中心的數(shù)值，即定日鏡的聚光誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描 裝置按照設(shè)定規(guī)律在一個(gè)三維空間內(nèi)均勻、勻速地掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器為 帶聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描 裝置由一個(gè)兩維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和與其相互連接的激光器構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描 裝置由順次相連的半導(dǎo)體激光器、光學(xué)聚焦系統(tǒng)和轉(zhuǎn)鏡掃描系統(tǒng)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描 裝置由相互連接的半導(dǎo)體激光器和聲光調(diào)制模塊構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定日鏡姿態(tài)角的在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光電檢測 裝置包括二維光敏器件、信號(hào)接收電路、解調(diào)電路、信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路和單片機(jī) 電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種定日鏡姿態(tài)角的在線測量方法及系統(tǒng)。方法包括在塔式太陽能熱發(fā)電站的集熱器上方設(shè)定位置周期性地向各方向發(fā)射激光信號(hào)；在定日鏡的頂點(diǎn)接收所述激光信號(hào)，測量接收到的激光光斑的大小并記錄接收到激光信號(hào)的時(shí)間；根據(jù)接收到激光信號(hào)的時(shí)間和所述激光信號(hào)的發(fā)射規(guī)律確定接收到的激光信號(hào)的方向；根據(jù)激光信號(hào)的接收位置和該激光信號(hào)的方向確定當(dāng)前時(shí)刻定日鏡的實(shí)際中心法線方向；根據(jù)定日鏡的實(shí)際中心法線方向，確定定日鏡當(dāng)前的實(shí)際姿態(tài)角。本發(fā)明能夠同時(shí)檢測定日鏡場多臺(tái)定日鏡跟日過程中的姿態(tài)角，計(jì)算定日鏡的跟日誤差，以保證定日鏡場的有效工作，提高塔式太陽能熱發(fā)電站的工作效率。
文檔編號(hào)G01C1/00GK102116618SQ20091021696
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者許芬 申請(qǐng)人:北方工業(yè)大學(xué)