一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法，特別是涉及一種根據太 陽入射光線的實時方位角和高度角、定日鏡和塔的位置排布，建立太陽光線與定日鏡和塔 的反射模型，實時調節鏡面姿態的塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法。
【背景技術】
[0002] 化石能源的日趨枯竭及其導致的空氣污染等環境問題，使開發清潔可再生能源方 式迫在眉睫。聚焦型太陽能熱發電（Concentrating Solar Power, CSP)能大規模集中使用 太陽能，利用定日鏡聚集太陽輻射能，用于加熱工質產生高溫蒸汽，驅動汽輪機組發電。與 光伏發電相比，具有原材料制造成本與污染更低、轉換效率更高、兼容傳統熱力發電方式、 易于并入電網、更易存儲熱量、成本更低等優點，是改善能源問題的一種有效途徑。
[0003] 聚光定日鏡是由反射鏡、支撐結構、傳動機構、控制系統組成的二維聚光裝置，能 實時跟蹤太陽的方位角和高度角，達到聚集太陽能量目的。太陽能的能量密度低，且因地而 異，因時而變，高效的定日鏡聚光能提高30%以上的轉換效率，然而目前的塔式太陽能熱發 電中定日鏡跟蹤聚光系統均具有非線性、多參數、大時變的控制難點。
【發明內容】
[0004] 為克服上述現有技術存在的不足，本發明之一目的在于提供一種塔式太陽能熱發 電定日鏡自動跟蹤方法，其利用太陽入射光線的實時方位角和高度角、定日鏡和塔的位置 排布，建立太陽光線與定日鏡和塔的反射模型，為塔式定日鏡的實時聚光奠定算法理論基 礎。
[0005] 本發明之另一目的在于提供一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法，其通過 對太陽的運行規律進行歸納總結，在此基礎上根據當地時間地理信息，建立三維坐標系獲 取太陽入射光線的高度角和方位角；
[0006] 本發明之再一目的在于提供一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法，其采用 時控的方法計算定日鏡方位角和高度角，實時調節鏡面的姿態，使得鏡面始終將入射太陽 光線反射到目標吸熱塔塔頂，從而最大限度的利用的太陽能。
[0007] 為達上述及其它目的，本發明提出一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法， 包括如下步驟：
[0008] 步驟一，建立三維坐標系，根據時間地理位置信息利用太陽運動算法計算太陽入 射光的高度角和方位角；
[0009] 步驟二，根據當地時鐘與氣象信息利用太陽運動算法計算出該地點時間的太陽光 入射實時方向角與高度角；
[0010] 步驟三，根據太陽入射光線的實時方位角和高度角、定日鏡和塔的位置排布，建立 太陽光線與定日鏡和塔的反射模型；
[0011] 步驟四，采用時控的方法計算定日鏡方位角和高度角，實時調節鏡面的角度。
[0012] 進一步地，該太陽運動算法包括：
[0013] 根據具體日期計算儒略日、儒略歷書日、儒略世紀、儒略歷書世紀；
[0014] 計算日心坐標地球經度、煒度和半徑矢量；
[0015] 計算地心坐標地球經度和煒度；
[0016] 計算經度和傾斜角章動；
[0017] 計算黃道實際傾斜角；
[0018] 計算校正偏差；
[0019] 計算太陽經度；
[0020] 計算給定格林尼治時間平均恒星時；
[0021] 計算太陽赤經；
[0022] 計算太陽赤煒；
[0023] 計算觀測點當地時間角；
[0024] 計算視日赤經；
[0025] 計算視日時間角；
[0026] 計算太陽天頂角和高度角；
[0027] 計算太陽方位角。
[0028] 進一步地，所述太陽入射光的高度角Θ為理想太陽高度角e。和考慮空氣折射偏 差Δ e之和。
[0029] 進一步地，所述太陽方位角Γ可由下式獲得：
[0031] 其中，H'為地面局部時間角度，δ '為視日偏差，供為觀測點煒度。
[0032] 進一步地，于步驟二中，根據當地GPS時鐘、時區、經煒度、氣壓、氣溫、海拔高度等 氣象信息利用太陽運動算法計算出該地點時間的太陽光入射實時方向角與高度角。
[0033] 進一步地，于步驟三中，基于入射光線與放射光線在定日鏡鏡面對稱規律，建立太 陽光線與定日鏡和塔的反射模型。
[0034] 進一步地，于步驟三中，根據定日鏡和塔的位置排布、地理方位信息，建立三維笛 卡爾坐標分析追日系統。
[0035] 進一步地，于步驟三中，以地平面建立定日鏡理論模型，將正東方向定義為坐標系 X軸正方向，將正北方向定義為坐標系Y軸正方向，將天頂方向定義Z軸正方向，XYZ坐標系 原點0點為接收塔與X-Y水平面交點。
[0036] 進一步地，于步驟三中，假定投射到定日鏡上的所有太陽入射光線均為平行光以 及假設鏡面平整光滑，鏡面厚度不計，鏡面中心點與鏡面的固定點之間兩點重合，不存在機 械偏差。
[0037] 進一步地，于步驟四中，將太陽入射光線與反射光線采用單位向量模式表示，使用 定日鏡的法向量表示定日鏡的姿態情況，利用入射反射向量對稱規律獲取定日鏡法向量姿 態，根據獲取的定日鏡實時法向量姿態，得到定日鏡的方位角和高度角，將定日鏡現時態的 高度角、方位角與前一時態的高度角、方位角進行比較，得出定日鏡旋轉、俯仰角度大小。
[0038] 與現有技術相比，本發明一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法，能夠事先 對太陽運動方位進行準確預測，調節塔式定日鏡在一個控制周期內方位、俯仰轉動角度的 大小，實時跟蹤太陽軌跡的變化，實現高效的反射聚光控制。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法的步驟流程圖；
[0040] 圖2為本發明中的地平坐標系示意圖；
[0041] 圖3為本發明中的太陽運動算法的過程示意圖；
[0042] 圖4為本發明中太陽運動算法輸入輸出接口模塊圖；
[0043] 圖5為本發明使用的定日鏡追日系統空間建模示意圖；
[0044] 圖6為本發明中定日鏡運動過程分析圖；
[0045] 圖7為本發明的實例分析時太陽高度角和方位角；
[0046] 圖8為本發明的實例鏡場中不同位置定日鏡鏡面法向量單日動態圖。
[0047] 圖9為本發明的定日鏡法向量在OXY平面上投影方向分析圖。
【具體實施方式】
[0048] 以下通過特定的具體實例并結合【附圖說明】本發明的實施方式，本領域技術人員可 由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可通過其它不同 的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基于不同觀點與應用，在不背離 本發明的精神下進行各種修飾與變更。
[0049] 圖1為本發明一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法的步驟流程圖。如圖1 所示，本發明一種塔式太陽能熱發電定日鏡自動跟蹤方法，包括如下步驟：
[0050] 步驟101，建立三維坐標系，根據時間地理位置信息利用太陽運動算法計算太陽入 射光的高度角和方位角。
[0051] 通常在實際工程中，在計算太陽位置時習慣采用地平坐標系，即以地平圈為基本 圈，天頂為基本點，原點的坐標系叫做地平坐標系，如圖2所示為坐標系示意圖，采用用太 陽高度角和太陽方位角來描述太陽的當前位置，這里，太陽高度角是指太陽直射光線與地 平面間的夾角α，太陽方位角是指太陽直射光線在地平面上的投影線與地平面正北方向的 夾角β。為了計算太陽位置，還需要以下公式輔助。
[0052] 如圖3所示，具體地，步驟101中的太陽運動算法包括如下步驟：
[0053] 步驟S1，根據具體日期計算：儒略日、儒略歷書日、儒略世紀、儒略歷書世紀。
[0054] 儒略日JDCJulian dat