一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法
阅读：2发布：2021-11-09
专利汇可以提供一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种塔式 太阳能 热发电 定日镜 自动 跟踪 方法，包括如下步骤：建立三维 坐标系 ，根据时间地理 位置 信息利用太阳运动 算法 计算太阳入射光的高度 角 和方位角；根据当地时钟与气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角；根据太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型；采用时控的方法计算定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的角度,本发明能够事先对太阳运动方位进行准确预测，调节塔式定日镜在一个控制周期内方位、 俯仰 转动角度的大小，实时跟踪太阳轨迹的变化，实现高效的反射聚光控制。，下面是一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法专利的具体信息内容。
1.一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，包括如下步骤：
步骤一，建立三维坐标系，根据时间地理位置信息利用太阳运动算法计算太阳入射光的高度角和方位角；
步骤二，根据当地时钟与气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角；
步骤三，根据太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型；
步骤四，采用时控的方法计算定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的角度。
2.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于，该太阳运动算法包括：
根据具体日期计算儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪；
计算日心坐标地球经度、纬度和半径矢量；
计算地心坐标地球经度和纬度；
计算经度和倾斜角章动；
计算黄道实际倾斜角；
计算校正偏差；
计算太阳经度；
计算给定格林尼治时间平均恒星时；
计算太阳赤经；
计算太阳赤纬；
计算观测点当地时间角；
计算视日赤经；
计算视日时间角；
计算太阳天顶角和高度角；
计算太阳方位角。
3.如权利要求2所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：所述太阳入射光的高度角θ为理想太阳高度角e0和考虑空气折射偏差Δe之和。
4.如权利要求3所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：所述太阳方位角Γ可由下式获得：
其中，H′为地面局部时间角度，δ′为视日偏差， 为观测点纬度。
5.如权利要求4所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：于步骤二中，根据当地GPS时钟、时区、经纬度、气压、气温、海拔高度等气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角。
6.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：于步骤三中，基于入射光线与放射光线在定日镜镜面对称规律，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型。
7.如权利要求6所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：于步骤三中，根据定日镜和塔的位置排布、地理方位信息，建立三维笛卡尔坐标分析追日系统。
8.如权利要求7所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：于步骤三中，以地平面建立定日镜理论模型，将正东方向定义为坐标系X轴正方向，将正北方向定义为坐标系Y轴正方向，将天顶方向定义Z轴正方向，XYZ坐标系原点O点为接收塔与X-Y水平面交点。
9.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：于步骤三中，假定投射到定日镜上的所有太阳入射光线均为平行光以及假设镜面平整光滑，镜面厚度不计，镜面中心点与镜面的固定点之间两点重合，不存在机械偏差偏差。
10.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其特征在于：于步骤四中，将太阳入射光线与反射光线采用单位向量模式表示，使用定日镜的法向量表示定日镜的姿态情况，利用入射反射向量对称规律获取定日镜法向量姿态，根据获取的定日镜实时法向量姿态，得到定日镜的方位角和高度角，将定日镜现时态的高度角、方位角与前一时态的高度角、方位角进行比较，得出定日镜旋转、俯仰角度大小。
一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，特别是涉及一种根据太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型，实时调节镜面姿态的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法。
背景技术
[0002] 化石能源的日趋枯竭及其导致的空气污染等环境问题，使开发清洁可再生能源方式迫在眉睫。聚焦型太阳能热发电(Concentrating Solar Power,CSP)能大规模集中使用太阳能，利用定日镜聚集太阳辐射能，用于加热工质产生高温蒸汽，驱动汽轮机组发电。与光伏发电相比，具有原材料制造成本与污染更低、转换效率更高、兼容传统热力发电方式、易于并入电网、更易存储热量、成本更低等优点，是改善能源问题的一种有效途径。
[0003] 聚光定日镜是由反射镜、支撑结构、传动机构、控制系统组成的二维聚光装置，能实时跟踪太阳的方位角和高度角，达到聚集太阳能量目的。太阳能的能量密度低，且因地而异，因时而变，高效的定日镜聚光能提高30％以上的转换效率，然而目前的塔式太阳能热发电中定日镜跟踪聚光系统均具有非线性、多参数、大时变的控制难点。
发明内容
[0004] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其利用太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型，为塔式定日镜的实时聚光奠定算法理论基础。
[0005] 本发明之另一目的在于提供一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其通过对太阳的运行规律进行归纳总结，在此基础上根据当地时间地理信息，建立三维坐标系获取太阳入射光线的高度角和方位角；
[0006] 本发明之再一目的在于提供一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其采用时控的方法计算定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的姿态，使得镜面始终将入射太阳光线反射到目标吸热塔塔顶，从而最大限度的利用的太阳能。
[0007] 为达上述及其它目的，本发明提出一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤一，建立三维坐标系，根据时间地理位置信息利用太阳运动算法计算太阳入射光的高度角和方位角；
[0009] 步骤二，根据当地时钟与气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角；
[0010] 步骤三，根据太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型；
[0011] 步骤四，采用时控的方法计算定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的角度。
[0012] 进一步地，该太阳运动算法包括：
[0013] 根据具体日期计算儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪；
[0014] 计算日心坐标地球经度、纬度和半径矢量；
[0015] 计算地心坐标地球经度和纬度；
[0016] 计算经度和倾斜角章动；
[0017] 计算黄道实际倾斜角；
[0018] 计算校正偏差；
[0019] 计算太阳经度；
[0020] 计算给定格林尼治时间平均恒星时；
[0021] 计算太阳赤经；
[0022] 计算太阳赤纬；
[0023] 计算观测点当地时间角；
[0024] 计算视日赤经；
[0025] 计算视日时间角；
[0026] 计算太阳天顶角和高度角；
[0027] 计算太阳方位角。
[0028] 进一步地，所述太阳入射光的高度角θ为理想太阳高度角e0和考虑空气折射偏差Δe之和。
[0029] 进一步地，所述太阳方位角Γ可由下式获得：
[0030]
[0031] 其中，H′为地面局部时间角度，δ′为视日偏差， 为观测点纬度。
[0032] 进一步地，于步骤二中，根据当地GPS时钟、时区、经纬度、气压、气温、海拔高度等气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角。
[0033] 进一步地，于步骤三中，基于入射光线与放射光线在定日镜镜面对称规律，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型。
[0034] 进一步地，于步骤三中，根据定日镜和塔的位置排布、地理方位信息，建立三维笛卡尔坐标分析追日系统。
[0035] 进一步地，于步骤三中，以地平面建立定日镜理论模型，将正东方向定义为坐标系X轴正方向，将正北方向定义为坐标系Y轴正方向，将天顶方向定义Z轴正方向，XYZ坐标系原点O点为接收塔与X-Y水平面交点。
[0036] 进一步地，于步骤三中，假定投射到定日镜上的所有太阳入射光线均为平行光以及假设镜面平整光滑，镜面厚度不计，镜面中心点与镜面的固定点之间两点重合，不存在机械偏差。
[0037] 进一步地，于步骤四中，将太阳入射光线与反射光线采用单位向量模式表示，使用定日镜的法向量表示定日镜的姿态情况，利用入射反射向量对称规律获取定日镜法向量姿态，根据获取的定日镜实时法向量姿态，得到定日镜的方位角和高度角，将定日镜现时态的高度角、方位角与前一时态的高度角、方位角进行比较，得出定日镜旋转、俯仰角度大小。
[0038] 与现有技术相比，本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，能够事先对太阳运动方位进行准确预测，调节塔式定日镜在一个控制周期内方位、俯仰转动角度的大小，实时跟踪太阳轨迹的变化，实现高效的反射聚光控制。附图说明
[0039] 图1为本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法的步骤流程图；
[0040] 图2为本发明中的地平坐标系示意图；
[0041] 图3为本发明中的太阳运动算法的过程示意图；
[0043] 图5为本发明使用的定日镜追日系统空间建模示意图；
[0044] 图6为本发明中定日镜运动过程分析图；
[0045] 图7为本发明的实例分析时太阳高度角和方位角；
[0046] 图8为本发明的实例镜场中不同位置定日镜镜面法向量单日动态图。
[0047] 图9为本发明的定日镜法向量在OXY平面上投影方向分析图。
具体实施方式
[0048] 以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0049] 图1为本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，包括如下步骤：
[0050] 步骤101，建立三维坐标系，根据时间地理位置信息利用太阳运动算法计算太阳入射光的高度角和方位角。
[0051] 通常在实际工程中，在计算太阳位置时习惯采用地平坐标系，即以地平圈为基本圈，天顶为基本点，原点的坐标系叫做地平坐标系，如图2所示为坐标系示意图，采用用太阳高度角和太阳方位角来描述太阳的当前位置，这里，太阳高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角α，太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正北方向的夹角β。为了计算太阳位置，还需要以下公式辅助。
[0052] 如图3所示，具体地，步骤101中的太阳运动算法包括如下步骤：
[0053] 步骤S1，根据具体日期计算：儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪。
[0054] 儒略日JD(Julian data)开始于格林尼治时间-4712年1月1日12:00:00，它是通过格林尼治时间而得到的。
[0055] JD＝INT(365.25×(Y+4716))+INT(30.6001×(M+1)+D+B-1524.5 (1)[0056] 其中：INT是计算项的整数部分，Y表示年，M表示月，D表示天数需要用十进制计算，而B可由下式计算：
[0057]
[0058] 进而，计算儒略历书日JDE，儒略世纪JC，儒略历书世纪JCE
[0059]
[0060] 其中ΔT为世界时(Universal Time)与协调世界时(Coordinated Universal Time)之间时间差值。
[0061] 儒略历书千年JME可由下式计算：
[0062] JME＝JCE/10 (4)
[0063] 步骤S2，计算日心坐标地球经度、纬度和半径矢量。
[0064] 日心坐标地球经度L，日心坐标地球纬度B，半径矢量R可由如下公式获取。
[0065]
[0066] 上式中，Ai、Bi、Ci的具体数值可在星历矩阵中通过查表法获取，n是L0在表中的行数，用类似的方法可以计算L1、L2、L3、L4、L5，日心坐标地球经度L由下式计算可得：
[0067]
[0068] 类似上述的计算过程，可用同样的方式查表算出日心坐标地球纬度B、半径矢量R。
[0069] 步骤S3，计算地心坐标地球经度和纬度
[0070] 根据下式计算地心经度θ和地心纬度β：
[0071]
[0072] 步骤S4，计算经度和倾斜角章动。
[0073] 结合星历表中的数据Ai、Bi、Ci、Di和月球与太阳的平均距角X0、太阳的平均平近点角X1、月球的平均平近点角X2、月球纬度参数X3、春秋分时月球旋转轨道与黄道偏角X4，利用下式可计算出每一行中的经度Δψi和倾斜角Δεi。
[0074]
[0075] 则经度的章动Δψ和倾斜角的章动Δε的计算公式如下：
[0076]
[0077] 步骤S5，计算黄道实际倾斜角。
[0078] 黄赤交角ε可以通过黄道平均倾斜角ε0表示如下：
[0079] ε＝ε0/3600+Δε (10)
[0080] 步骤S6，计算校正偏差。
[0081] 采用下式校正偏差Δτ：
[0082] Δτ＝-20.4898/(3600·R) (11)
[0083] 步骤S7，计算太阳经度。
[0084] 计算太阳视黄经λ为：
[0085] λ＝θ+Δψ+Δτ (12)
[0086] 步骤S8，计算给定格林尼治时间平均恒星时。
[0087] 格林尼治视太阳时v使用平均恒星时v0表示如下：
[0088] v＝v0+Δψ×cos(ε) (13)
[0089] 步骤S9，计算太阳赤经。
[0090] 将太阳赤经弧度α制限制在0度到360度之间，计算公式如下：
[0091]
[0092] 步骤S10，计算太阳赤纬。
[0093] 计算太阳赤纬δ表示如下：
[0094] δ＝arc sin(sinβ×cosε+cosβ×sinε×sinλ) (15)
[0095] 太阳在天球赤道北面时δ为正，太阳在天球赤道南面时δ为负，并将δ以度为单位表示。
[0096] 步骤S11计算观测点当地时间角。
[0097] 计算观测点的局部时间角H以格林尼治视太阳时v、观测点地理经度σ和太阳赤经弧度α表示为:
[0098] H＝ν+σ-α (16)
[0099] 步骤S12，计算视日赤经。
[0100] 视日赤经差Δα可以用赤道平面视差ξ和观测器的局部时间角H计算如下：
[0101]
[0102] 上式中 为观测点纬度，E为观测点的海拔高度。
[0103] 那么视日赤经α′和视日偏差δ′可用太阳赤纬δ和太阳赤经α如下表示：
[0104]
[0105] 步骤S13，计算视日时间角。
[0106] 视日时间角H′可通过观测点的局部时间角H与视日赤经差Δα的差值获取。
[0107] 步骤S14，计算太阳天顶角和高度角。
[0108] 太阳的高度角θ为理想太阳高度角e0和考虑空气折射偏差Δe之和。
[0109]
[0110] 上式中P为观测点年平均气压，T为观测点年平均温度。
[0111] 太阳天顶角与太阳高度角符合互余的关系。
[0112] 步骤S15，计算太阳方位角。
[0113] 太阳方位角Γ可由下式表示：
[0114]
[0115] 至此北半球上某一确定地点的太阳入射光线的高度角和方位角可通过上述步骤实时获取，
[0116] 步骤102，根据当地GPS时钟(具体年月日时分秒)、时区、经纬度、气压、气温、海拔高度等气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角，如图4所示为本发明中太阳运动算法输入输出接口模块示意图，进而太阳光线信息作为本发明定日镜姿态角度算法的输入参数数据
[0117] 步骤103，根据太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型。
[0118] 对太阳能热发电而言，将太阳光线准确高效的收集至关重要，因此有必要将太阳光、定日镜、接收塔综合建模，分析定日镜的控制策略。如图5为本发明中建立的定日镜自动跟踪系统空间建模示意图，以地平面建立定日镜理论模型，将正东方向定义为坐标系X轴正方向，将正北方向定义为坐标系Y轴正方向，将天顶方向定义Z轴正方向(符合坐标系定义右手定则)，XYZ坐标系原点O点为接收塔与X-Y水平面交点，假设接收塔塔顶高度为h，定日镜中心点坐标为(x,y,0)，可以利用向量法获取定日镜方位角 与高度角θ。
[0119] 在模型建立时需要做以下假设：1)由于在实际的太阳光入射过程中，太阳光线并非完全平行，存在一个约32′微小的角度差，在距离较远时可能会出现一定的误差，建模时需假定投射到定日镜上的所有太阳入射光线均为平行光；2)假设镜面平整光滑，镜面厚度不计，镜面中心点与镜面的固定点之间两点重合，不存在机械偏差偏差。
[0120] 本发明中定日镜采用高度角-方位角的双轴跟踪方式，根据定日镜高度轴和方向轴这两个轴，可以确定定日镜当前此刻的姿态，如图6所示为定日镜运动过程分析图，为了简述方便，对其中参数定义如下：
[0121] 太阳入射光线法向量；
[0122] 太阳光线经定日镜反射到吸热器塔顶目标点向量；
[0123] 定日镜镜面的法向量，垂直于定日镜镜面；
[0124] θ：定日镜的高度角，定日镜的镜面与水平面之间的夹角；
[0125] 定日镜的方位角，定日镜镜面法向量与Y轴(正北方向)的夹角为定日镜的方位角。
[0126] 步骤104，采用时控的方法计算定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的角度。
[0127] 定日镜的姿态由高度角θ和方位角 唯一确定，根据光学原理，为了保证定日镜能将反射光线准确的投射到吸热器塔顶目标点上，根据计算好的太阳运动轨迹和定日镜当前位置，只需确定定日镜的镜面法向量 即可完成追日。
[0128] 根据坐标系定义，由太阳照射到定日镜中心点B点，太阳光线入射单位向量 为：
[0129]
[0130] 塔顶的坐标为(0,0,h)，定日镜中心B点坐标为(x,y,0)，那么从定日镜中心点反射到吸热塔顶接收靶的方向单位向量 为：
[0131]
[0132] 因为太阳入射光线经过定日镜实时反射到吸热塔接收靶上，那么定日镜的法线单位向量 平分太阳入射光线单位向量 和反射光线单位向量 即：
[0133]
[0134] 上式中：
[0135]
[0136]
[0137] 因此定日镜单位法向量为：
[0138]
[0139]
[0140] 采用计算仿真软件对上述定日镜法线单位向量进行分析。以上海市闵行区为例，其经度为东经121.38度，纬度为北纬31.12度，海拔高度3.4米，年平均气温15.8摄氏度，年平均气压1016.0百帕，假设定日镜中心距离塔顶吸热塔靶心高度h＝500米，根据该太阳算法计算2015年10月1日06:00至18:00的太阳方位角α高度角β变化曲线如图7所示，在该太阳光照射下，定日镜布置点与吸热塔位置在如下各种方位时，定日镜法线单位向量在三维空间及OXY水平面投影如图8所示。
[0141] 1)定日镜中心x＝200米，y＝400米；
[0142] 2)定日镜中心x＝-200米，y＝400米；
[0143] 3a)定日镜中心x＝200米，y＝-400米；
[0144] 3b)定日镜中心x＝500米，y＝-400米；
[0145] 3c)定日镜中心x＝100米，y＝-200米；
[0146] 4a)定日镜中心x＝-200米，y＝-400米；
[0147] 4b)定日镜中心x＝-500米，y＝-400米；
[0148] 4c)定日镜中心x＝-100米，y＝-200米。
[0149] 由如上仿真图分析可得，该向量与水平面OXY之间夹角即定日镜法线高度角θ(锐角)为：
[0150]
[0151] 定日镜法线方向角可以通过其投影与正北方向(Y轴)的夹角获取，即定日镜法线单位向量 与向量[0 1 0]经过X轴的夹角，范围为0到2π，对同为单位向量而言，完全可以忽略Z轴向量nz影响，对nx和ny的正负符号分别讨论获取定日镜法线的方位角 如图9所示。
[0152] (1)当 在OXY平面的投影落于第Ⅰ或Ⅳ象限时，即 或 时(ny＞0)，[0153]
[0154] (2)当 在OXY平面的投影落于第Ⅱ或Ⅲ象限时，即 或 时(ny＜0)，[0155]
[0156] 注：此模型中 角度以正北方向为0基准方向。
[0157] 此处判断条件为ny的正负值，通过分析ny的正负由 决定，通常太阳入射角 那么cosα＞0，cosβ＜0，因此当y＞0时，
ny＜0，即当定日镜位于吸热塔以北时，定日镜的方位角必然如上述2)所推导结果。而当定日镜位于吸热塔以南时，定日镜的方位角如上述1)、2)所推导皆有可能。
ny＜0，即当定日镜位于吸热塔以北时，定日镜的方位角必然如上述2)所推导结果。而当定日镜位于吸热塔以南时，定日镜的方位角如上述1)、2)所推导皆有可能。
[0158] 当太阳位置发生变化，定日镜镜面中心点对日的单位向量 变为若定日镜不转动，则实际的反射光线投射到接收平面上的光斑将偏离目标点，无法满足精度要求。若此时转动定日镜的高度角和方位角来改变镜面法向量，使得实际的反射光线与理想反射光线 重合，即追日成功。根据上面求得的理想反射向量
及已知的定日镜镜面中心点对日的单位向量 可求得调整后定日镜的单位法向量即可得到调整后定日镜高度角θ(k)和方位角 即定日镜需要转动的角度可
下式描述：
及已知的定日镜镜面中心点对日的单位向量 可求得调整后定日镜的单位法向量即可得到调整后定日镜高度角θ(k)和方位角 即定日镜需要转动的角度可
下式描述：
[0159]
[0160] 综上所述，本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，能够事先对太阳运动方位进行准确预测，调节塔式定日镜在一个控制周期内方位、俯仰转动角度的大小，实时跟踪太阳轨迹的变化，实现高效的反射聚光控制。
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