關(guān)于光熱電站定日鏡單鏡校準(zhǔn)研究和分析

代增麗 劉偉 徐文武 馬傳成

摘? 要：在環(huán)保要求越來越重要的今天，太陽能光熱電站在清潔能源利用中的地位越來越重要，太陽能的合理與充分利用有利于提高光熱電站效率。太陽能光熱發(fā)電技術(shù)是指利用聚光器收集太陽能，通過接收器轉(zhuǎn)換成熱能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)熱動(dòng)力裝置進(jìn)行發(fā)電的技術(shù);定日鏡是塔式太陽能光熱電站太陽光熱能重要組成部分。該文重點(diǎn)介紹定日鏡部件組成、坐標(biāo)系確定以及校準(zhǔn)工作，用于后續(xù)項(xiàng)目定日鏡調(diào)試借鑒參考。

關(guān)鍵詞：太陽能光熱? 定日鏡? 控制? 校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TK51 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0053-02

1? 定日鏡組成

定日鏡是一種由鏡面（反射鏡）、鏡架（支撐結(jié)構(gòu)）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、跟蹤及控制系統(tǒng)等組成的聚光裝置，用于跟蹤接收并聚集反射太陽光線集中于光塔頂部的吸熱器上，是塔式太陽能光熱發(fā)電的主要裝置之一。定日鏡對(duì)太陽跟蹤，由液壓驅(qū)動(dòng)器來完成，基于方位角和高度角的液壓缸組成，各液壓缸通過電磁方向控制閥動(dòng)作來完成定日鏡的水平向方位轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰動(dòng)作。校準(zhǔn)靶板布置在吸熱器下方，呈圓柱形布置，平均分布在光塔周圍，每9個(gè)兩種尺寸的圓點(diǎn)按照“田”字型布置組成一個(gè)校驗(yàn)靶板，大的圓點(diǎn)直徑1.7m，小的圓點(diǎn)直徑0.85m，中心的圓點(diǎn)被確定為參照測(cè)量點(diǎn)。

2? 定日鏡坐標(biāo)系確定

為了便于計(jì)算分析定日鏡的方位角，引用笛卡爾坐標(biāo)系，分別建立絕對(duì)坐標(biāo)系和就地坐標(biāo)系。定日鏡高度角的確定相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樵诮^對(duì)坐標(biāo)和就地坐標(biāo)中的高度角是一致的。在絕對(duì)坐標(biāo)系中，定日鏡的方位角以地理北極正北方為零度。該坐標(biāo)參數(shù)用于追日程序的運(yùn)算，得出實(shí)時(shí)定日鏡方位角和高度角，再根據(jù)光塔的坐標(biāo)，可計(jì)算出定日鏡在就地坐標(biāo)系中的方位角和高度角。在就地坐標(biāo)系中，定日鏡的方位角以吸熱器方向?yàn)榱愣取?/p>

3? 鏡面方位角、高度角確定

3.1 太陽在天空中的位置可以用高度角和方位角表示

在計(jì)算太陽高度角和方位角時(shí)，通常采用地平坐標(biāo)系。根據(jù)以往的研究，太陽高度角hs是太陽光向量與地平面的夾角，太陽方位角θs是太陽光向量在地平面上的投影與正北方向的夾角。太陽高度角和方位角的表達(dá)式如下[1]：

sinhs=sinδ·sin?+cosδ·cos?·cosω

cosθs=（sinhs·sin?-sinδ/（coshs·cos?）

其中，δ為太陽赤緯角;?為當(dāng)?shù)氐木暥?ω為太陽時(shí)角。

3.2 定日鏡鏡面法線的方位角與高度角計(jì)算公式

令，定日鏡鏡面法線的方位角與高度角表達(dá)式為[2]：

tan?=（cos?t·sinht+cos?s·sinhs）/（cos?t·cosht+cos?s·coshs）

sinh=（sinht+sinhs）/

其中，h為定日鏡法線高度角，?為方位角;hs為太陽高度角，?s為太陽方位角;ht定日鏡中心點(diǎn)與吸熱器目標(biāo)點(diǎn)連接線與地平面之間的夾角，?t為定日鏡中心點(diǎn)與吸熱器目標(biāo)點(diǎn)連線在地面的投影與正南方之間的夾角。

4? 光學(xué)校準(zhǔn)

為了減小定日鏡的指向和跟蹤誤差，以便它們可以將最大的太陽輻射集中到吸熱器的給定點(diǎn)上，減小吸熱器的輻射能量溢出，必須對(duì)定日鏡進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程就是將定日鏡反射的太陽輻射定位到校準(zhǔn)目標(biāo)靶板上，HCS將繼續(xù)處理和分析聚焦該在目標(biāo)的相機(jī)捕獲的圖像，以便可以測(cè)量和減小指向誤差。

定日鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)（HCS）管理定日鏡的校準(zhǔn)計(jì)劃和校準(zhǔn)，通過校準(zhǔn)程序修正定日鏡的指向偏差。定期評(píng)估每個(gè)定日鏡指向偏差，按照計(jì)劃定期對(duì)校準(zhǔn)。定日鏡光學(xué)校準(zhǔn)是通過校準(zhǔn)軟件中的圖像采集識(shí)別軟件，調(diào)整圖像灰度值來捕捉定日鏡反射至校準(zhǔn)靶板上的光斑的幾何中心，自動(dòng)計(jì)算光斑中心與校準(zhǔn)靶板的實(shí)際中心的偏差，如果偏差超過跟蹤精度，校準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出指令至SCS（鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)），SCS根據(jù)校準(zhǔn)系統(tǒng)提供的偏差來移動(dòng)定日鏡，再次執(zhí)行計(jì)算偏差，如果偏差低于允許值，校準(zhǔn)完成，否則重復(fù)執(zhí)行校準(zhǔn)程序，直到偏差合格。

校準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存了每臺(tái)定日鏡和目標(biāo)靶板在絕對(duì)坐標(biāo)系中的3D坐標(biāo)，圖像處理軟件根據(jù)定日鏡和目標(biāo)靶心的絕對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及光斑中心與靶心的位置距離偏差，自動(dòng)計(jì)算定日鏡法線的方位角和高度角的偏差，并自動(dòng)計(jì)算修正量如圖1所示。

校準(zhǔn)工作結(jié)束后，所有校準(zhǔn)參數(shù)包括校準(zhǔn)過程中圖像（帶光斑的校準(zhǔn)靶板圖像、不帶光斑的靶板圖像）、修正量（當(dāng)前的修正量、上次校準(zhǔn)時(shí)的修正量）、校準(zhǔn)過程中風(fēng)速、光照強(qiáng)度等參數(shù)，會(huì)自動(dòng)形成數(shù)據(jù)庫文件（DB）并保存在SCS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫參數(shù)可以通過PDT和操作員站查看和加載。

5? 光斑圖像中光斑幾何中心計(jì)算方法

啟動(dòng)定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測(cè)量系統(tǒng)的CCD相機(jī)采集圖像，利用目標(biāo)靶上4個(gè)黑色直角框標(biāo)定出目標(biāo)靶中心（xc，yc）。分割采集的每幀光斑灰度圖像的光斑與背景，并以光斑內(nèi)像素的總量作為光斑的面積。以與此面積相等的正方形作為光斑圖像中提取光斑的裁剪窗，用該裁剪窗在整個(gè)光斑圖案上進(jìn)行截取，以所有截取窗口內(nèi)灰度值總量最大的位置作為光斑有效區(qū)域，光斑有效區(qū)域的幾何中心即為光斑中心。

6? 結(jié)語

定日鏡是塔式太陽能光熱電站的重要組成部分，其校準(zhǔn)工作是塔式光熱電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，通過對(duì)定日鏡的組成、定日鏡坐標(biāo)系確定、鏡面方位角和高度角的確定、光學(xué)校準(zhǔn)、光斑圖像中光斑幾何中心計(jì)算方法的研究進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)階段必須全面檢驗(yàn)各報(bào)警參數(shù)和限位的準(zhǔn)確性和可靠性，才能確保定日鏡的日常準(zhǔn)確性，確保太陽能光熱發(fā)電設(shè)備正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚夢(mèng)凱，黃文君.太陽能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的建模與控制策略研究[D].浙江大學(xué)，2012.

[2] T/GRLM 02-2014，國(guó)家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟.太陽定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測(cè)量方法[EB/OL].[2014-08-28].https：//www.docin.com/p-2035427569.html.

[3] 姚志豪.國(guó)內(nèi)外太陽能熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)報(bào)告[EB/OL].中華能源網(wǎng)，2017-08-13.