CN106940571B - 一种塔式定日镜聚光偏差传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式定日镜聚光偏差传感器，包括传感器镜筒和传感器动反射镜，传感器镜筒的进光口位于传感器动反射镜上方，保证传感器动反射镜反射光射入传感器镜筒进光口；传感器镜筒光轴方向正对中心塔顶的吸热器，不随定日镜镜面转动而改变；传感器动反射镜通过传感器动反射镜支架连接在镜面安装轴上，安装完成的传感器动反射镜在定日镜立柱轴线上，随着定日镜镜面转动，传感器动反射镜空间角度相对于定日镜镜面不变；传感器动反射镜与定日镜镜面成45度角；镜筒反射镜与镜筒筒管轴线成45度角；通过反射镜两次反射，得到与定日镜镜面反射光方向相同的镜筒成像入射光。进而通过镜筒成像点偏移，测量镜面反射光偏离指定方向的角度。

Description

一种塔式定日镜聚光偏差传感器

技术领域

本发明涉及一种塔式定日镜聚光偏差传感器，可在线测量定日镜方位角、高度角偏离大小。

背景技术

塔式光热发电系统包括中心塔和围绕中心塔建造的大量定日镜。在中心塔顶部安放吸热器，每面定日镜将射向自己的光线反射到吸热器。因太阳高度角和方位角随时间变化，每面定日镜在定日镜立柱和定日镜镜面之间均设有高度角转台和方位角转台，分别负责跟踪太阳高度角和方位角变化。定日镜镜面通过镜面安装轴连接在高度角转台上，高度角转台安装在方位角转台上，带动定日镜镜面做垂直方向转动，方位角转台安装在定日镜立柱顶部，带动高度角转台和定日镜镜面做水平方向转动。

为保证定日镜反光精确落在吸热器指定位置，需要定日镜聚光角度偏差小于1mrad。实际塔式光热电站中，吸热器安装高度可达到100m以上，定日镜距中心塔距离可达到1000m以上。在该精度要求下，最远定日镜在吸热器上的聚光光斑偏差还是会超过1m以上。

当前定日镜追踪太阳位置过程为开环控制。定日镜根据自身相对于吸热器的空间位置，和当前时间下的理论太阳位置，计算自身所需的镜面朝向，并驱动转台到达相应角度位置。因为过程中没有实际聚光角度反馈，定日镜聚光角度精度完全由立柱安装精度、转台制造精度和控制器计算精度保证。对定日镜加工制造和安装精度带来极高的工艺要求，也对控制器运行可靠性提出了极大挑战。

定日镜实际运行过程中，随着时间推移各项误差仍会积累，导致开环控制的聚光精度持续劣化。现场定日镜数量巨大，为保证聚光精度稳定，需付出大量人力在夜间对定日镜分批进行校准。

定日镜聚光控制为开环方式。为达到定日镜聚光精度需求，对其制造精度、安装精度提出极高要求，导致制造成本高昂，日常维护复杂。

且开环控制方式无法解决误差累积问题。随着转台机构磨损、气候环境变化、控制器计算误差积累等，其聚光精度逐渐恶化。因此需定期对所有定日镜校准，校准只能在夜间等电站不工作情况下离线进行。两次校准期间电站效率会因聚光偏差积累而逐渐降低。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种塔式定日镜聚光偏差传感器，实现了定日镜聚光角度的闭环反馈，在线测量定日镜聚光误差并不断校正。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：包括传感器镜筒和传感器动反射镜，传感器镜筒的进光口位于传感器动反射镜上方，保证传感器动反射镜反射光射入传感器镜筒的进光口；传感器镜筒光轴方向正对中心塔顶的吸热器，不随定日镜镜面转动而改变；

传感器动反射镜通过传感器动反射镜支架连接在镜面安装轴上，安装完成的传感器动反射镜在定日镜立柱轴线上，随着定日镜镜面转动，传感器动反射镜空间角度相对于定日镜镜面不变；传感器动反射镜包括动反射镜镜面，动反射镜镜面与定日镜镜面成45度角；

传感器镜筒包括：镜筒本体、感光面、成像透镜、反射镜、进光口；镜筒本体包括镜筒筒管和镜筒垂直段，镜筒筒管和镜筒垂直段均为筒状，两者轴线互相垂直连接在一起；镜筒本体内，镜筒筒管与镜筒垂直段连接处安装反射镜，反射镜与镜筒筒管轴线成45度角；成像透镜安装在镜筒筒管中，感光面安放在成像透镜焦平面；镜筒垂直段底部设有进光口；

经过传感器动反射镜反射的光线，依次通过传感器镜筒的进光口、反射镜、成像透镜之后落到感光面；感光面安放在成像透镜焦平面，入射太阳光成像为一个光斑；根据光斑偏离感光面中心的距离，判断定日镜镜面空间角度偏离情况。

作为优选方案，所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器动反射镜还包括动反射镜底座；动反射镜镜面通过动反射镜底座安装在传感器动反射镜支架上。

进一步的，所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述动反射镜底座为等腰直角三角形，动反射镜镜面安装在三角形斜边上，传感器动反射镜支架安装在三角形底边下。

作为优选方案，所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器镜筒还包括对焦装置，对焦装置安装在镜筒本体顶部，用于实现人工或者自动的镜筒对准辅助。

作为优选方案，所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器镜筒通过传感器镜筒支架安装连接到定日镜立柱，通过调节传感器镜筒支架调整传感器镜筒的空间角度；调节完成后，传感器镜筒支架结构固定，传感器镜筒空间角度不随定日镜镜面转动而改变。

作为优选方案，所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器镜筒支架一端连接传感器镜筒，另一端连接到定日镜立柱侧壁上。

进一步的，所述传感器镜筒支架为C型结构。

有益效果：本发明提供的塔式定日镜聚光偏差传感器，具有以下优点：1、可在线检测定日镜反射光偏离中心塔吸热器的角度。配合定日镜控制器，可实现定日镜太阳跟踪的闭环控制。2、引入闭环跟踪控制后，可大大减少定日镜制造精度要求和维护保养要求，减少定日镜制造成本。3、引入闭环跟踪控制后，可减少控制器代码可靠性要求，提高控制器运行稳定性。也可减少控制器对镜场电源稳定性的强依赖关系。4、引入闭环跟踪控制后，可消除两次离线校准操作之间的控制误差积累，提高聚光精度，提高发电效率。

附图说明

图1和图2为本发明的安装示意图；

图3为传感器动反射镜的结构示意图；

图4为传感器镜筒的结构示意图；

图5为本发明的工作原理图；

图中：传感器镜筒1、传感器动反射镜2、传感器镜筒支架3、定日镜立柱4、传感器动反射镜支架5、镜面安装轴6、高度角转台7、方位角转台8、定日镜镜面9；

镜筒筒管11、镜筒垂直段12、进光口13、反射镜14、成像透镜15、感光面16、对焦装置17；动反射镜镜面21，动反射镜底座22。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，一种塔式定日镜聚光偏差传感器，包括传感器镜筒1和传感器动反射镜2。

传感器镜筒1通过传感器镜筒支架3安装到定日镜立柱4。可通过调节传感器镜筒支架3调整传感器镜筒的空间角度。调节完成后，传感器镜筒支架结构固定，传感器镜筒1空间角度不随定日镜镜面转动而改变，传感器镜筒轴线正对中心塔吸热器方向。传感器动反射镜2通过传感器动反射镜支架5安装到镜面安装轴6。塔式光热发电系统中，定日镜镜面9通过镜面安装轴6连接在高度角转台7上，高度角转台7安装在方位角转台8上，带动定日镜镜面做垂直方向转动；方位角转台安装在定日镜立柱4顶部，带动高度角转台和定日镜镜面做水平方向转动。因此，随着定日镜镜面转动，传感器动反射镜空间角度相对于定日镜镜面不变。

如图3所示，传感器动反射镜2包括：动反射镜镜面21，动反射镜底座22。动反射镜底座22为等腰直角三角形，在三角形斜边上安装动反射镜镜面21，在三角形底边下安装传感器动反射镜支架5。安装完成后，保证动反射镜镜面与定日镜镜面成45度角。

如图4所示，传感器镜筒1包括：镜筒本体、进光口13、反射镜14、成像透镜15、感光面16、对焦装置17。镜筒本体包括镜筒筒管11和镜筒垂直段12，镜筒筒管11和镜筒垂直段12均为筒状，两者轴线互相垂直连接在一起。镜筒本体内，镜筒筒管与镜筒垂直段连接处安装反射镜。反射镜14与镜筒筒管11轴线成45度角。镜筒垂直段下部有透明进光口13。经过传感器动反射镜2反射的光线，依次通过传感器镜筒的进光口13、反射镜14、成像透镜15之后落到感光面16。感光面16安放在成像透镜焦平面，入射太阳光成像为一个光斑。根据光斑偏离感光面中心的距离，即可判断定日镜镜面空间角度偏离情况。传感器镜筒通过传感器镜筒支架连接到定日镜立柱侧壁上。调校传感器镜筒完成后，镜筒筒管轴线方向正对中心塔顶的吸热器。为实现上述调校过程，传感器镜筒顶部装有对焦装置，用于实现人工或者自动的镜筒对准辅助。

传感器安装参考图1和图2。安装完成的传感器动反射镜在定日镜立柱轴线上，以不干涉镜面运动为准。安装完成的传感器镜筒的进光口在传感器动反射镜上方，保证传感器动反射镜反射光可射入进光口，且不干涉镜面运动为准。

本发明的工作原理如下：塔式光热电站中，定日镜太阳入射光与定日镜法线夹角随时间而变化，定日镜法线方向也随时间而变化，但是定日镜镜面反射光方向永远指向中心塔吸热器。因此，对于一面定日镜，其镜面反射光方向不随时间变化。本发明中的传感器装置即通过捕获定日镜镜面反射光偏离吸热器方向的角度，实现定日镜聚光角度控制的闭环反馈。

如图2所示，装置安装完成后，镜筒轴线指向中心塔吸热器方向，不随定日镜镜面转动而改变。动反射镜安装在定日镜镜面安装轴上，因此动反射镜跟随定日镜镜面转动而同步改变空间角度。

如图5所示。太阳入射光经过动反射镜镜面和反射镜镜面反射之后，得到成像入射光，经成像透镜在感光面上成像。同样方向的太阳入射光，经定日镜镜面9反射之后，得到镜面反射光。因为，动反射镜底座的竖直面与定日镜镜面平行，因此动反射镜镜面与定日镜镜面成45度角；反射镜镜面与镜筒轴线也成45度角。根据镜面反射原理，可知镜面反射光方向与成像入射光方向是相同的。

当成像入射光方向平行于镜筒轴线时，其成像光斑位于感光面中心。而成像入射光与镜筒轴线成一夹角时，成像光斑偏离感光面中心相应距离。传感器镜筒调校完成后，其轴线方向指向中心塔吸热器，此即定日镜镜面反射光照射的目标方向。因为成像入射光与镜面反射光方向相同，当镜面反射光直射中心塔吸热器时，成像入射光成像光斑在感光面正中心。成像光斑偏离感光面中心的距离反映了镜面反射光偏离中心塔吸热器方向的程度。

因此可通过摄像头、光电传感器等光学器件在线测量感光面光斑位置，实时测定定日镜反射光偏离中心塔吸热器方向的角度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：包括传感器镜筒和传感器动反射镜，传感器镜筒的进光口位于传感器动反射镜上方，保证传感器动反射镜反射光射入传感器镜筒的进光口；传感器镜筒光轴方向正对中心塔顶的吸热器，不随定日镜镜面转动而改变；

传感器动反射镜通过传感器动反射镜支架连接在镜面安装轴上，安装完成的传感器动反射镜在定日镜立柱轴线上，随着定日镜镜面转动，传感器动反射镜空间角度相对于定日镜镜面不变；传感器动反射镜包括动反射镜镜面，动反射镜镜面与定日镜镜面成45度角；

传感器镜筒包括：镜筒本体、感光面、成像透镜、反射镜、进光口；镜筒本体包括镜筒筒管和镜筒垂直段，镜筒筒管和镜筒垂直段均为筒状，两者轴线互相垂直连接在一起；镜筒本体内，镜筒筒管与镜筒垂直段连接处安装反射镜，反射镜与镜筒筒管轴线成45度角；成像透镜安装在镜筒筒管中，感光面安放在成像透镜焦平面；镜筒垂直段底部设有进光口；

经过传感器动反射镜反射的光线，依次通过传感器镜筒的进光口、反射镜、成像透镜之后落到感光面；感光面安放在成像透镜焦平面，入射太阳光成像为一个光斑；根据光斑偏离感光面中心的距离，判断定日镜镜面空间角度偏离情况。

2.根据权利要求1所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器动反射镜还包括动反射镜底座；动反射镜镜面通过动反射镜底座安装在传感器动反射镜支架上。

3.根据权利要求2所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述动反射镜底座为等腰直角三角形，动反射镜镜面安装在三角形斜边上，传感器动反射镜支架安装在三角形底边下。

4.根据权利要求1所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器镜筒还包括对焦装置，对焦装置安装在镜筒本体顶部，用于实现人工或者自动的镜筒对准辅助。

5.根据权利要求1所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器镜筒通过传感器镜筒支架安装连接到定日镜立柱，通过调节传感器镜筒支架调整传感器镜筒的空间角度；调节完成后，传感器镜筒支架结构固定，传感器镜筒空间角度不随定日镜镜面转动而改变。

6.根据权利要求5所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器镜筒支架一端连接传感器镜筒，另一端连接到定日镜立柱侧壁上。

7.根据权利要求1所述的塔式定日镜聚光偏差传感器，其特征在于：所述传感器镜筒支架为C型结构。

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