技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
太阳能集热器和/或布置成一排的多个太阳能集热器的朝向控制方法，特别是抛物槽集热器，具有布置在焦线上的集热元件，其中
温度和/或流过集热元件的热载体介质收集到的热量会在每个太阳能集热器区域内得到测量，以便与太阳能集热器相互关联，测得的温度值和/或热量值传送至控制单元，由该控制单元控制相应的太阳能集热器的朝向，并在设定的朝向参数，特别是朝向范围和/或朝向行程的范围内，对相应的太阳能集热器进行相对于太阳的定向。本发明同时还涉及一种类似的方法，其中，所述布置成一排的多个太阳能集热器相互配合。
背景技术
[0002] 太阳能热发电站使用的太阳能是通过吸收器以及在吸收器中流动的热载体介质而吸收的，因此，从太阳发射的热量被用作主要的
能量来源。在这种情况下，通过对直接
辐射进行聚焦的太阳能热发电站采用的方式是利用反射元件将来自太阳的直接辐射聚集到
太阳能吸收器上。这些发电站采用了聚光反射表面，以便将入射的阳光聚集到吸收器上。反射元件和吸收器面向太阳设置。采用此方法的太阳能电厂发电站的集热器阵列一般包括很多个并联和/或
串联的抛物槽集热器。
[0003] 抛物槽集热器包括将阳光聚集到吸收管的凹面镜，其中该吸收管设置在焦线上。根据不同类别，此类集热器的长度从20m至200m不等。聚集的
太阳辐射在吸收管内转化为
热能，并传送至循环流动的热载体介质内。考虑到成本的原因，该抛物槽一般仅在一条轴线上相对太阳进行定向，因此被布置为南北方向，并在一天内自东向西朝向太阳定向。该朝向可由时间控制，或由太阳能
传感器控制。每个独立的集热器的长度可达200m，由多个串联连接的部分组成，以利于热载体介质的流动。每个集热器均包括与之相连的用于定向的
驱动器、温度测量仪、确定一天内时间的装置以及朝向探测器。集热器白天一直面向太阳，这可通过光敏传感器或通过一种
算法结合能提供集热器
位置的
位置传感器来实现，其中光敏传感器可生成集热器位置相对于太阳位置的数据，算法则可计算出太阳的位置。当由热载体介质在其可承受范围内吸收的热量达到最大时，太阳能集热器的朝向效果达到最佳。
[0004] 然而，在设计太阳能集热器的最佳朝向和对准度时存在一些问题。由于集热器的物理尺寸以及与调整集热器相关的机械负载原因，很难将集热器互相完全对准。最佳对准度无法采用几何方式探测到，因为一般太阳能元件的反射镜元件无法与焦线精确对准，并且集热器的各个部分之间也无法达到最佳对准。此外，传感器的对准，包括太阳能传感器和(
角度)位置传感器，也可能相对于相应的太阳能集热器产生偏移。再者，并非在任何情况下其初始和最初的对准度都是最佳的。最后，当集热器的各个部分都关于纵轴定向在一条轴线上时，相当大的重量会在集热器的相对较长且独立的各个部分之间移动，这样在朝向偏移的过程中，会导致集热器的某一部分相对于纵轴产生扭转，从而改变各个独立的反射镜对应于焦线和安装在焦线上的吸收器的相对位置。
[0005] 这些问题和
缺陷会使在一根导杆上或
电路元件上连接成一排的各个太阳能集热器无法在任何情况下都与太阳实现最佳对准，从而无法在一整天中都能完全朝向太阳。对分别探测到的传感器
信号的评估以及对朝向位置的计算无法反应出太阳能集热器整体的最佳位置。在实践中，通过几何方法确定的集热器最佳位置只能达到大致准确。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够改进太阳能集热器朝向
精度的解决方案。
[0007] 对于开头部分提到的这类方法，本发明的上述目的是通过下列步骤来实现该方法的：
[0008] a)确定各太阳能集热器内收集的热量；
[0009] b)按太阳移动方向通过一个增量或按与太阳移动相反方向通过一个减量来修正各太阳能集热器的朝向参数；
[0010] c)比较在步骤a)中收集的热量与执行了步骤b)后各太阳能集热器收集的热量；
[0011] 以及
[0012] d)如果步骤c)中检测到的热量大于步骤a)中确定的热量，则将通过增量或减量修正后的朝向参数保存在控制单元内，作为用于各太阳能集热器朝向控制的新标称值。
[0013] 对于开头部分提到的这类方法，并进一步的使布置成一排的多个太阳能集热器相互配合，则上述目的将通过下列步骤来实现该方法：
[0014] a1)确定热载体介质在第一和第二温度测量点之间所具有的第一温差的滑动平均值，该值与第一太阳能集热器相关；
[0015] a2)确定热载体介质在两个温度测量点之间所具有的第二温差的滑动平均值，该值与另一个太阳能集热器相关，且所述的两个温度测量点中至少一个温度测量点与第一和/或第二温度测量点不同；
[0016] b1)按太阳移动方向通过一个增量或按与太阳移动相反方向通过一个减量来修正第一太阳能集热器的朝向参数，特别是朝向范围和/或朝向行程；
[0017] c1)比较第一和第二温差的前述平均值，并由此获得
[0018] 以及
[0019] d1)如果第一温差的滑动平均值相对于第二温差的滑动平均值有所增加，则将通过增量或减量修正后的朝向参数，特别是朝向范围和/或朝向行程，保存在控制单元内，作为用于第一太阳能集热器朝向控制的新标称值。
[0020] 对本发明的改进和完善在从属
权利要求中进行了规定。
[0021] 本发明的方法能够在运行期间对各太阳能集热器或者在集热器阵列或电路元件中串联连接的太阳能集热器进行相应的能量检测，并对应于集热器给出了特定的修正值，或者说给出与多个太阳能集热器中每个独立的集热器相关的修正值，用于进行朝向控制，以便于以尽可能最佳的方式对每个太阳能集热器进行独立定向。对于朝向参数的优化，一方面是通过修正一个/每个处于运行状态的集热器的朝向参数，特别是朝向范围和/或朝向行程，否则这些朝向参数将保持为常数；另一方面是通过比较与各集热器内收集的热量相关的参数的变化量，尤其是通过比较某一温差的滑动平均值，或者相互关联的多个温差之间的滑动平均值的变化，来实现朝向参数的优化。这样，当热量变化的比较值上升时，将朝向参数作为新的用于朝向控制的标称值保存在控制单元内。如果对于变化后的结果进行比较而产生的比较值低于初始值，则朝向参数基于初始位置通过一个增量或在相反的方向上通过一个减量进行调整，也就是说相对于已经改变了的位置而言，采用了两个增量或相反方向上的两个减量来进行调整。如果当前与原始初始值的比较显示热量没有变化或温差的滑动平均值没有变化，则朝向参数复位至原始初始值。采用此方法执行一系列依序的控制步骤，可使各太阳能集热器，或者对于多个串联连接的太阳能集热器而言，其每一个独立的太阳能集热器，均面向太阳达到最佳对准，并在一天内均能定向朝向太阳的轮廓。如为多个串联连接的太阳能集热器，则该优化方法是通过比较朝向参数保持不变的太阳能集热器和朝向参数发生改变的太阳能集热器来确定的。当多个太阳能集热器串联成一排以形成电路元件时，需对电路元件内的每一个太阳能集热器按序重复执行该优化方法。各优化的朝向参数被集热器控制系统所采用，也就是说，朝向参数被保存在此，并通过
微处理器和/或
模糊逻辑单元来进行处理。朝向控制系统基于时间控制或根据太阳能传感器的控制开始各优化过程。当超过了设定的时间，或者太阳能传感器指示太阳在其运动路径上移动了设定的距离时，朝向控制系统将更改各朝向参数，尤其是更改各太阳能集热器的朝向范围和/或朝向行程。特别是，更改了太阳能集热器的朝向行程和中间位置，然后控制单元利用热量流中随后产生的变化，或利用热量的变化，根据上述步骤来确定当前的朝向策略，该策略在后续的步骤中将被调整为适用于各太阳能集热器和各辐射条件的最佳策略，由此构成一种智能学习的朝向系统。通过在一天的过程中多次反复执行此控制循环，各太阳能集热器可实现相对于太阳的最优定向。
附图说明
[0022] 本发明将结合下述
实施例和附图进行详细说明，其中：
[0023] 图1为一种太阳能集热器的示意图；
[0024] 图2为一种太阳能集热器跟随太阳的路径自东向西发生朝向变化的示意图；
[0025] 图3为一种电路元件的示意图，该电路元件包括四个太阳能集热器，设置四个温度测量点；以及
[0026] 图4为一种电路元件的示意图，该电路元件包括四个太阳能集热器，设置五个温度测量点。
具体实施方式
[0027] 太阳能集热器，在图1和图2中以1表示，包括两个部分2、3，其中每个部分均包括六个反射元件4，每个反射元件配置二十八个反射镜，这样集热器1总共安装了十二个反射元件4。这些反射元件均刚性安装在抗扭曲的
框架5上。每个部分2、3均安装在一个
支架上，由外支架形成端部支架6a、6b，由中心支架形成驱动支架7。驱动支架7上设置了一个驱动单元，该驱动单元包括一个液压单元，并使整个集热器1关于纵轴8定向在同一条轴线上，以便集热器在整个白天均能跟随太阳自东向西9绕轴转向，如图2所示。吸收器10作为集热元件被设置在所有反射元件4的焦线上，反射元件以相同的方式尽可能互相对准。热载体介质在吸收器或集热元件10中流过，吸收器或集热元件10一整天均面向太阳并以箭头11指示的方向进行定向，以便太阳辐射总是能以图2中所示的入射角12进行照射，从而利用直射的太阳辐射，使全天中传递至吸收器/集热元件10中流动的热载体介质的热量达到最大化。
[0028] 朝向
定位由朝向控制系统实现。该朝向控制系统接收来自太阳能传感器、角度位置传感器和温度传感器的
输入信号，这些传感器均与各个太阳能集热器1相连。各太阳能传感器和角度位置传感器均与驱动单元相连，并通常设置在驱动支架7上，该位置同时设置用于各太阳能集热器1的温度测量点。根据图4所示的实施例，如由多个太阳能集热器串联连接或设置成一排以形成电路元件时，还可在各太阳能集热器1的前后均设置温度
测量传感器。
[0029] 举例来说，传统太阳能传感器包括两个光
电池，并排设置在相应的太阳能集热器1的两侧，当太阳照射到集热器时，吸收器10的阴影会投射在两个光电池上。当吸收器10的阴影均匀地投射到两个光电池上，或者说，太阳能集热器的两个独立的太阳能/光电池之间产生最小
电压差时，太阳能传感器达到理想的对准，并与部分2、3和反射元件4一起实现对太阳运行过程的定向。一旦太阳向前移动，并且电压差产生变化达到特定的预设值时，与相应的太阳能集热器1相连的控制单元将执行定向循环。该控制单元检测并处理从角度位置传感器接收到的信号，通过该方式，可检测到部分2、3以及相应的太阳能集热器1相对于支架6a，6b和7的垂直纵轴的角度位置。在这种情况下，将凹面镜表面完全正对东方的位置定义为0°位置，相反的，完全正对西方的位置为180°位置，在上述两个位置之间、反射元件4基本
水平对准的位置为90°位置。
[0030] 图3和图4分别显示了一种电路元件13，该电路元件上包括了太阳能热发电站的四个集热器K1、K2、K3和K4。举例来说，作为热载体介质的
导热油，流经电路元件13的吸收器/集热元件10，从冷量分配器14流至热量收集器15中。在集热太阳能发电站或太阳能热发电站中，多个此类电路元件13并联连接，且每个都连接到冷量分配器14和热量收集器15上。每个电路元件13的太阳能集热器均具有相同的
质量流量。
[0031] 在图3和图4所示的实施例中，电路元件13包括四个太阳能集热器K1、K2、K3和K4，其主要不同点在于，根据图3所示的实施例，温度传感器T1、T2、T3和T4被分别设置在集热器K1、K2、K3和K4的中心位置即两个部分2、3之间，并探测该位置的热载体介质温度；而根据图4所示的实施例，温度测量点T′1、T′2、T′3、T′4和T′5则位于太阳能集热器K1、K2、K3和K4的前方和/或后方。
[0032] 由于太阳在一天中连续移动，如果太阳能集热器没有移动，那么太阳能传感器发射到控制单元的信号将会持续发生变化。该信号以及由此反映出的各太阳能集热器关于太阳的相对位置可以通过度数、电压信号或时间段来进行建模，并且可以基于上面所选取的数值中的一种或多种来确定用于对各太阳能集热器进行定向的朝向参数。这样的话，不必每当信号变化时都执行定向过程，只需当信号移入或移出“朝向窗”的时候才进行定向。为实现下文所述的智能学习优化过程或智能学习朝向控制系统，该“朝向窗”在各种情况下均需通过一个增量或减量进行调整或偏移，其中在该实施例中，单个步骤或一个增量/减量是指0.5度的偏移量。
[0033] 只有当太阳能阵列，即电路元件13，处于准稳态的时间间隔下，方才进行朝向控制循环的优化程序。这种准稳态是指需要定向的集热器K1、K2、K3或K4中的太阳辐射和质量流量都足够稳定的情况，该准稳态可以通过气象站对太阳能发电站和上级太阳能阵列控制系统来进行检测。在准稳态的情况下，与太阳能集热器K1、K2、K3和K4相连的所有太阳能传感器的电压差都显示为落在“朝向窗”中。温度传感器测得的温度及温差T2-T1、T3-T2和T4-T3被持续记录作为滑动平均值。
[0034] 当朝向优化循环过程开始时，第一太阳能集热器K1的“朝向窗”的中间位置产生一步0.5度的偏移，例如，向西面方向，此时第一集热器K1从其原先的对准位置向西面偏移了0.5度的增量，也就是说，向西面再多偏移0.5度加以对准。
[0035] 当再次测量得到的温差T2-T1的滑动平均值，与温差T3-T2和T4-T3的滑动平均值相比，比其中的一个和/或两个有所上升时，就意味着集热器K1中的热载体介质收集到了更多的热量，即更好地利用了太阳辐射。这对于控制单元来说可以理解为一个最佳位置，同时，将向西面偏移0.5度后的“朝向窗”保存为对应于太阳能集热器K1的新标称值。
[0036] 相反，如果测量得到的温差T2-T1的滑动平均值，与温差T3-T2和/或T4-T3的滑动平均值相比有所下降，则将朝向窗往相反方向偏移，即通过两个减量，也就是通过两步0.5度的偏移，最终向东面发生共1度的变化。这就意味着朝向窗现在正处于相对于原始初始位置向东偏移了0.5度的位置。然后再次对温差T2-T1、T3-T2和T4-T3的滑动平均值进行比较。如果此时发现温差T2-T1的滑动平均值与温差T3-T2和/或T4-T3的滑动平均值相比有所上升，则目前向东偏移后的“朝向窗”的位置被保存在朝向控制装置中，作为太阳能集热器K1的新标称值。
[0037] 如果该第二次测量结果显示，温差T2-T1的滑动平均值与温差T3-T2和/或T4-T3的滑动平均值相比还是没有上升，则不对“朝向窗”的位置进行重新定向，也就是说，原先保存在朝向控制装置内的标称值可以继续用于朝向控制系统。
[0038] 在上述过程中，太阳能集热器K1的朝向范围得到了调整或优化，整个“朝向窗”都得到了调整。然而在这种情况下，朝向行程，或“朝向窗”的宽度，即太阳前移的角度，则保持不变，直到太阳能集热器根据“窗口宽度”的变化重新进行了调整。该角度也再次对应了一个时间段或太阳能传感器的一个信号变化量。
[0039] 为此目的，可执行对应于上述程序的优化过程。为优化朝向行程，可以在准稳态下对作为第一太阳能集热器的太阳能集热器K1的用于朝向行程的朝向窗也进行每次增加例如0.75度的增量控制。如果在此过程中，基于当前温差T2-T1确定的滑动平均值与温差T3-T2和/或T4-T3的滑动平均值相比，没有相应的增量变化，则对关于中间位置的行程以0.75度的减量加以减小。如果与第一太阳能集热器K1相关的温差T2-T1的滑动平均值依然没有增加，则原标称值保留在控制单元内继续用于控制朝向行程。然而，如果在上述两个步骤中的任何一步中，发现与太阳能集热器K1相关的温差有所增加，则与此温差相应的朝向行程值被作为新的标称值保存在朝向控制单元内用于控制太阳能集热器K1。
[0040] 当对太阳能集热器K1执行了上述优化方法中的一种或几种之后，接着对其它太阳能集热器K2、K3和K4执行这些朝向控制优化循环过程，在此过程中，根据本发明的目的，将对这些循环过程进行处理，并使之与第一太阳能集热器在本质上相关联。
[0041] 根据图3所示的实施例，以下过程尤其适用于电路元件13的优化：
[0042] 当太阳能集热器K1作为第一太阳能集热器时，将考虑温差T2-T1的滑动平均值相对于温差T4-T3的变化。
[0043] 当太阳能集热器K2作为第一太阳能集热器时，同样，将考虑温差T2-T1的滑动平均值相对于温差T4-T3的变化。
[0044] 当太阳能集热器K3作为第一太阳能集热器时，将考虑温差T4-T3的滑动平均值相对于温差T2-T1的变化；以及当太阳能集热器K4作为第一太阳能集热器时，将考虑温差T4-T3的滑动平均值相对于温差T2-T1的变化。该方法的灵敏度和精度可通过将温度传感器或温度测量传感器改为设置在两个集热器之间来加以提高，由此便在每个电路元件13上多引入了一个温度传感器，如图4中实施例所示，即电路元件13具有温度测量传感器和温度测量点T′1、T′2、T′3、T′4和T′5。在朝向控制优化循环中，当太阳能集热器K1作为第一太阳能集热器时，将评价温差T′2-T′1的滑动平均值的变化，当太阳能集热器K2作为第一太阳能集热器时，将评价温差T′3-T′2的滑动平均值的变化，当太阳能集热器K3作为第一太阳能集热器时，将评价温差T′4-T′3的滑动平均值的变化，当太阳能集热器K4作为第一太阳能集热器时，将评价温差T′5-T′4的滑动平均值的变化，这些变化均为相对于其它各温差中至少一个温差的变化。
[0045] 采用本发明，可使集热器K1或集热器K1至K4相对于太阳的定向达到最佳平均值，即使四个集热器K1至K4的十二个部分2、3相对于彼此或自身都已经发生偏移或扭转。该智能学习朝向控制方法可用于补偿各传感器的非精确调整设置，特别是相对于单个集热器或所有集热器的太阳能传感器的设置。多个集热器或各集热器相对于太阳的最佳朝向平均值也可用于在重新调整或定向的过程中，对已经相对于其它部分或自身发生扭转的部分加以控制。总体来说，根据本发明的方法提高了太阳能集热器的效率，根据该实施例，采用该方法可提高5-10％的运作效率。
[0046] 为便于实施智能学习朝向或朝向控制，控制单元上设有一个微处理器和/或模糊逻辑单元，这样一方面可保存该方法的优化规则，另一方面，连接该微处理器和/或模糊逻辑单元后，还能对接收到的传感器信号进行相应的处理。
[0047] 此外，当发现热量或温差增加时，可以按一个方向连续重复几步对各朝向参数的增量或减量调整，直到热量或温差出现降低，或者说，直到越过最大值为止。则热量或温差降低前的最后一个朝向参数就作为新标称值进行保存。
