塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法

摘要

本发明涉及一种塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法，利用相关数学模型建立各定日镜高度角和方位角变化数据清单，确保任一时刻定日镜能够精确跟踪太阳并投射光斑至集热器指定位置，通过找到发生机械误差后定日镜面质心位置并予以该位置新的跟踪模型的方法，消除该定日镜产生的机械误差，在满足可控精度的条件下，给出一种与机械传动相匹配的定日镜控制数据优化方法，包容控制系统机械误差生产的影响，降低系统成本，提高系统可靠性。

主权项

塔式太阳能集热装置中定日镜的控制方法，利用相关数学模型建立各定日镜高度角和方位角变化数据清单，确保任一时刻定日镜能够精确跟踪太阳并投射光斑至集热器指定位置，通过找到发生机械误差后定日镜面质心位置并予以该位置新的跟踪模型的方法，消除该定日镜产生的机械误差，在满足可控精度的条件下，给出一种与机械传动相匹配的定日镜控制数据优化方法，包容控制系统机械误差生产的影响，降低系统成本，提高系统可靠性；控制投射光斑位置包括以下步骤：(1)以定日镜镜面中心为坐标原点O，以正北方向为X轴，正东方向为Y轴，垂直于XOY面竖直向上为Z轴建立三维空间坐标系，并以正北方向为定日镜跟踪投射太阳光斑的基准点；(2)设定一集热器用于接受定日镜所投射的太阳光斑；(3)选取高精度精密测量仪器测得定日镜相对集热器在三维空间中所处地理位置坐标以及集热器中心点距定日镜镜面中心点的垂直距离；(4)选取一种高精度太阳位置定位系统用于获取太阳的高度角和方位角；(5)将上述所述的定日镜地理位置坐标(x,y)、集热器中心点距定日镜镜面中心点的垂直距离h及太阳的高度角HS、方位角AS代入定日镜高精度投射太阳光斑算法中，经过上位机控制系统精确运算出定日镜高度角和方位角；特定地理坐标系下的任意时刻的定日镜高度角和方位角的计算公式如下：公式中的坐标(x，y)是定日镜相对集热器所处位置的坐标；h表示集热器中心点距离定日镜的垂直距离；HN表示定日镜镜面中心高度角；FN表示定日镜镜面中心方位角；定日镜机械误差校准的方法是利用摄像机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置，光斑的质心位置与指定位置相比较，如有偏差，说明定日镜发生了机械误差，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑时定日镜的高度角和方位角以及定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标，通过计算模型推算出发生偏差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标，将定日镜质心的偏移量，通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，建立新的定日镜中心点，并在以此为原点的坐标系下确定集热器指定的位置坐标，以发生机械误差后的定日镜为基准，再次计算发送至该定日镜跟踪并投射光斑的数据，达到高效率跟踪并且投射太阳光斑的目的；发生机械误差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标由以下模型推导得到：其中，(1)、(2)和(3)式中的变量a,b,c由以下公式计算a＝ω₁²+ω₂²‑ω₃²…………………………………………………(4)b＝(2×l+2×h₀)×ω₃‑2×a₀×ω₁‑2×b₀×ω₂…………………………(5)c＝a₀²+b₀²‑h₀²‑2×l×h₀…………………………………………(6)其中，(4)、(5)和(6)式中的变量ω₁,ω₂,ω₃由以下公式计算ω₁＝2×φ×cos(G)×sin(F)‑cos(HS)×sin(AS)……………………(7)ω₂＝2×φ×cos(G)×cos(F)‑cos(HS)×cos(AS)……………………(8)ω₃＝2×φ×sin(G)‑sin(HS)………………………………………(9)其中，(7)、(8)和(9)式中的变量φ由以下公式计算φ＝cos(HS)×sin(AS)×cos(G)×sin(F)+                            …………(10)cos(HS)×cos(AS)×cos(G)×cos(F)+sin(HS)×sin(G)以上公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)中符号的解释说明如下所示：HS:表示太阳的高度角，即太阳光线与水平面(地面)之间的夹角(或太阳光线与竖直方向之间的夹角90°‑HS)，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；AS：表示太阳的方位角，即太阳光线在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°(或‑180°至180°)；G：表示定日镜的高度角，即定日镜的法线与水平面(地面)的夹角(或定日镜面与水平面的夹角(90°‑G))，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；F：表示定日镜的方位角，即定日镜法线(或定日镜面)在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°或(‑180°至180°)；l：表示定日镜支架的高度，即定日镜中心点与水平面(地面)之间的垂直距离(最短距离)，单位是米(m)；ω₁,ω₂,ω₃,φ：表示计算过程中涉及的中间变量，没有实际意义；a₀,b₀,h₀：表示摄像机拍摄偏移光斑的质心点坐标，即光斑质心点相对于以发生机械误差前定日镜质心点为坐标原点的空间直角坐标系中的坐标为(a₀,b₀,h₀),单位是米(m)；x₀,y₀,z₀：表示相对于原来坐标系下定日镜新的中心点的位置，单位是米。