一種高效的定日鏡追日跟蹤方法
【專利說明】一種高效的定日鏡追日跟蹤方法 【技術領域】
[0001] 本發明涉及塔式太陽能熱發電定日鏡控制領域，具體涉及一種高效的定日鏡追日 跟蹤方法。 【【背景技術】】
[0002] 塔式太陽能熱發電技術利用定日鏡跟蹤太陽，使其反射光能夠精確地投射到置于 接收塔頂部的吸熱器換熱面上，吸熱器將太陽光能轉變成熱能并加熱盤管內流動著的介質 (水或其它流體）產生中高溫蒸汽驅動汽輪發電機組發電。塔式太陽能熱發電技術的關鍵 是如何精確的控制定日鏡的追日跟蹤軌跡，使太陽的反射光斑能準確的定位到塔式吸熱器 上。
[0003] 現有的定日鏡跟蹤控制方式主要可分為兩種：光電跟蹤方式和追日運動軌跡跟蹤 方式；前者是閉環的控制系統，后者是開環的控制系統。光電跟蹤主要是應用傳感器或光敏 電阻等器件測量太陽光線的角度，比較得出太陽光線與定日鏡法線的夾角，進而發送信號 給定日鏡的傳動機構，帶動定日鏡轉動，使定日鏡法線與太陽光線的夾角逐漸減少，逐漸完 成對太陽位置的跟蹤。光電跟蹤方式的缺點在于：①光敏傳感器只有在有光線的情況下才 會工作，當遇到惡劣天氣（例如多云或陰天）時，光敏傳感器就會失去作用，導致跟蹤無法 進行。②塔式太陽能熱電站鏡場定日鏡數量成千上萬，若在每臺定日鏡上都安裝光電傳感 機構，成本高昂。因此高精度開環追日跟蹤算法對于大規模定日鏡場的建設來說具有高性 價，可極大降低工程造價，具有重要的意義。 【
【發明內容】
】
[0004] 本發明的目的在于提供一種高效的、易于工程實現的塔式太陽能熱發電廠定日鏡 追日跟蹤方法。
[0005] 為達到上述目的，本發明采取如下方案予以實現：
[0006] -種高效的定日鏡追日跟蹤方法，首先，通過GPS定位得到定日鏡所處位置的經 煒度，計算定日鏡所處位置在當前時刻的太陽高度角hJP方位角Θs;
[0007] 其次，通過光學反射原理和幾何對稱原理確定太陽至定日鏡連線與定日鏡至吸熱 器連線夾角的平分線；
[0008] 最后，通過該平分線得出定日鏡當前的水平角度和旋轉角度，從而控制定日鏡的 驅動執行機構將定日鏡轉動正確的角度，實現定日鏡的追日跟蹤控制。
[0009] 進一步，確定太陽至定日鏡連線與定日鏡至吸熱器連線夾角的平分線步驟如下：
[0010] 第一步，設定日鏡所處的位置為〇點，太陽光入射光線向量為A0,吸熱器位于B點， 鏡面反射向量為0B，以0點為原點建立空間三維坐標系，其中東西為X軸，向東為正，南北為 Y軸，向南為正，天地為Z軸，向天為正；
[0011] 第二步，〇點坐標為（〇, 〇, 〇)，以〇為中心點，以〇點到B點的距離為半徑R，建立 一個球面，A點為任意時間太陽入射光與球面的交點，設坐標為（xa、ya、za)，F點為A點在面 XOY平面上的投影點，其中AO為入射光路徑，OB為反射光路徑；
[0012] 第三步，由太陽高度角和方位角的定義和計算過程可知ZX0F為方位角0s、 ZA0F為高度角hs;在空間上取AB中點為E，則E0即為入射光路徑A0和反射光路徑0B的 平分線。
[0013] 進一步，所述太陽高度角1\和方位角Θs通過下式計算得到：
[0014] sinhs=sinδ·sinΦ+cosδ·cosΦ·cosω
[0015]
[0016] 其中，Φ為定日鏡所處位置的煒度，δ為太陽赤煒角，ω為太陽自轉的時角。
[0017] 進一步，計算太陽赤煒角δ通過下式計算得到：
[0018]
，其中，η是一年中的第幾天；
[0019] 太陽自轉的時角ω= (12_Τ)Χ15°，其中，Τ為當地真太陽時，具體計算公式為：
[0020]
[0021] 其中，1^31為當地的時間，J為定日鏡所處的經度與當地時間的經度差，西半球為 正號，東半球為負號，Ts。為定日鏡所所處位置與北京時差。
[0022] 進一步，所述定日鏡的驅動執行機構為兩個步進電機，步進電機工作過程中通過 位置編碼器記錄步進電機的運行步數，實現控制反饋，校正定日鏡的跟蹤誤差。
[0023] 進一步，控制驅動執行機構運轉過程中，采用定時復位程序定期對定日鏡控制器 進行歸位操作來消除控制累積誤差。
[0024] 本發明的高效的定日鏡追日跟蹤方法，通過計算定日鏡所處位置在當前時刻的太 陽高度角hJP方位角Θs;采用簡化的公式替代NREL公布的SPA太陽位置算法，實現太陽 高度角和方位角的計算，通過光學反射原理和幾何對稱原理計算定日鏡的追日跟蹤位置， 發送指令給步進電機控制定日鏡的轉動，實現定日鏡的追日跟蹤控制，太陽高度角和方位 角的計算方法簡單，計算效率高，易于編程實現，具有較高的實用性和可靠性。
[0025] 本發明進一步的改進在于：采用位置編碼器對步進電機進行測量反饋，取代采用 角度傳感器對定日鏡跟蹤位置進行反饋，節省大量成本。
[0026] 本發明進一步的改進在于：在傳動機構精度足夠高時，采用定時復位程序定期對 定日鏡控制器歸位操作來消除累積誤差，從而取代采用攝像機拍攝白板上的反射光斑的方 式進行離線誤差校正。 【【附圖說明】】
[0027] 圖1是本發明定日鏡追日跟蹤原理圖
[0028] 圖2是本發明太陽角度定義圖
[0029] 圖3是本發明定日鏡追日跟蹤計算示意圖 【【具體實施方式】】
[0030] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但本發明并不限于以下實施 例。
[0031] 太陽赤煒角是地球極軸與黃道天球極軸的夾角，該夾角在一年中的不同天不相 同。計算太陽赤煒角S的方程為：
[0032]
[0033] 上式中，η-年中的第幾天。
[0034] 太陽自轉的角速度稱為時角，時角的變化在一定程度上也可以反映太陽方位的變 化，時角ω的計算公式是：
[0035] ω= (12_Τ)Χ15。
[0036] 上式中，Τ為當地真太陽時，具體計算公式為：
[0037]
[0038] 上式中，T^al為當地的時間（北京時間），J為定日鏡所處的經度與北京時間的經 度差，西半球為正號，東半球為負號，Tsc為定日鏡所所處位置與北京時差。
[0039] 從定日鏡的所處的位置看來，太陽在天空半球內的位置完全可以由高度角和方位 角二者所確定，如圖2。太陽高度角為地平線與定日鏡至太陽連線之間的夾角；太陽方位角 為自定日鏡所在地朝正北的水平線至定日鏡與定日鏡至太陽連線在地平面上的投影之間 的夾角。當已知定日鏡所處位置的具體經煒度時（可由GPS得到