本發(fā)明涉及太陽能塔式熱發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及定日鏡自動跟蹤的方法。

背景技術(shù)：

定日鏡將太陽光反射到吸熱器上是太陽能塔式熱發(fā)電廠聚光發(fā)電的第一步，能否準確有效的聚光決定了整個電廠的效益，所以定日鏡自動控制技術(shù)十分的重要。鏡場中需要大量的定日鏡，控制數(shù)量眾多的鏡子則是一大難題，在以往塔式熱發(fā)電廠中，定日鏡通常采用開環(huán)控制，即直接通過時間算出太陽位置，關(guān)于通過時間計算太陽位置的算法已經(jīng)非常成熟，再結(jié)合吸熱器目標方向計算出定日鏡應(yīng)處的姿態(tài)，再通過電機旋轉(zhuǎn)使定日鏡達到指定姿態(tài)。使用的傳感器最多則是編碼器等對電機旋轉(zhuǎn)角度的測量從而間接控制鏡面姿態(tài)，實際鏡面姿態(tài)并沒有檢測。由于安裝誤差、機械誤差以及地基的逐年變化等各種原因會導(dǎo)致間接控制電機旋轉(zhuǎn)角度，達到的實際定日鏡姿態(tài)并不準確，跟蹤精度大大降低，影響聚光效果。對了應(yīng)對這一缺點，電廠的實際運行中需要建立數(shù)據(jù)庫并不斷的更新數(shù)據(jù)庫來矯正跟蹤誤差，數(shù)量眾多的定日鏡調(diào)試工作往往十分的復(fù)雜和耗時。國內(nèi)外對定日鏡的自動跟蹤研究的頗多，但多局限于對跟蹤誤差的矯正上。矯正中用到的傳感器——編碼器，是基于安裝軸進行角度的矯正，可是安裝軸本身就存在傾斜，所以矯正很困難，而且此方法需要定日鏡脫離工作狀態(tài)一段時間進入矯正狀態(tài)，從而影響了整個塔式熱電廠的效益，對于數(shù)量龐多的定日鏡，不可能定日鏡全部脫離工作狀態(tài)，所以整個矯正周期特別的長，并且需要不斷的進行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種能夠直接檢測鏡面姿態(tài)的傳感器，其特征在于，該傳感器是具備檢測鏡面姿態(tài)的集成型傳感器，該傳感器以精確的太陽方向和重力方向為基準，直接對鏡面姿態(tài)進行測量和控制，具體是利用圖像傳感器、重力傳感器、gps采集鏡面的姿態(tài)相關(guān)信號，最后由信號處理器將各種信息匯總、處理、計算得到姿態(tài)信息，并對定日鏡發(fā)出控制指令，達到定日鏡自動控制的需求；

具體是利用圖像傳感器得到鏡面坐標系下的太陽向量，利用重力傳感器得到定日鏡坐標系下的重力向量，利用gps得到準確的位置和時間，從而得到天球坐標系下的重力向量和太陽向量，通過坐標變換關(guān)系計算得出在天球坐標系下的鏡面向量，即實際鏡面姿態(tài)；通過天球坐標系下的太陽向量和吸熱器目標向量可以計算出定日鏡應(yīng)該達到的理論鏡面姿態(tài)。對比實際鏡面姿態(tài)和理論鏡面姿態(tài)對定日鏡進行旋轉(zhuǎn)，直到理論鏡面姿態(tài)和實際鏡面姿態(tài)相同。

所述鏡面姿態(tài)傳感器包括圖像傳感器、重力傳感器、gps、集成接口、信號處理器、內(nèi)支架、外殼和透明蓋，其中，圖像傳感器平鋪于內(nèi)支架的上平臺，重力傳感器、gps、集成接口位于內(nèi)支架的下平臺，內(nèi)支架的上下平臺平行，使重力傳感器和圖像傳感器相平行；外殼上端面中心開小孔，并用透明材料封??；

圖像傳感器、重力傳感器、gps信號輸出端與集成接口連接，外殼開接口孔，信號處理器可從外部與集成接口連接，讀取信號；所述外殼安裝于定日鏡面上特征平面處，即定日鏡面上代表整個定日鏡平面的某一處，并且使圖像傳感器與特征平面平行；所述信號處理器可以安裝于定日鏡上，也可不安裝于定日鏡上。

作為鏡面姿態(tài)傳感器的進一步改進，所述內(nèi)支架的結(jié)構(gòu)可以多樣，保證重力傳感器和圖像傳感器以固定已知角度安裝即可。

作為鏡面姿態(tài)傳感器的進一步改進，所述信號處理器可設(shè)置單端口與單個集成接口相連，對一組傳感器信號進行處理，也可設(shè)置多端口與多個集成接口相連，對多組傳感器信號進行處理；所述信號處理器可以增設(shè)顯示器直接顯示定日鏡姿態(tài)信息。

作為鏡面姿態(tài)傳感器的進一步改進，所述集成接口可增設(shè)無線通信或加強有線通訊將信號傳輸?shù)竭h端處理器。

作為鏡面姿態(tài)傳感器的進一步改進，所述透明蓋可過濾紅外光線，也可過濾一定比例的可見光。

所述鏡面姿態(tài)傳感器用于定日鏡自動跟蹤的方法，包括利用三個傳感器反饋的信息算出鏡面法向量即鏡面姿態(tài)，利用鏡面姿態(tài)信息對定日鏡進行控制實現(xiàn)自動跟蹤，特別是：

鏡面姿態(tài)傳感器固定安裝于定日鏡上，使圖像傳感器與鏡面平行，信號處理器與集成接口連接后收集三個傳感器的信號；

陽光通過外殼上端面的小孔照射到圖像傳感器上，得到光點在圖像傳感器上的位置信息即鏡面坐標系下的太陽方向信息，并傳輸?shù)郊山涌?；重力傳感器得到鏡面坐標系下的重力方向信息，并傳輸?shù)郊山涌?；gps得到時間和整個裝置的地理位置信息，反饋時間和當?shù)靥烨蜃鴺讼迪碌闹亓Ψ较蛐畔?，并傳輸?shù)郊山涌冢?/p>

所有信號同時由集成接口傳輸入信號處理器，信號處理器利用提供的鏡面坐標系下太陽方向信息、鏡面坐標系下的重力方向信息、通過時間計算出的天球坐標系下的太陽方向信息和當?shù)靥烨蜃鴺讼迪碌闹亓Ψ较蛐畔⑼ㄟ^算法計算得到實際鏡面姿態(tài)；信號處理器利用天球坐標系下的太陽方向和吸熱器目標方向信息計算出鏡面應(yīng)該達到的理論鏡面姿態(tài)；

不斷控制電機旋轉(zhuǎn)帶動鏡面旋轉(zhuǎn)使實際鏡面姿態(tài)理論鏡面姿態(tài)相同即達到自動跟蹤的目的。

作為鏡面姿態(tài)傳感器用于定日鏡自動跟蹤方法的進一步改進，所述圖像傳感器、重力傳感器和gps傳輸?shù)郊山涌诘男畔⒖梢允墙?jīng)過自身處理過的信號也可以是原始信號。

作為鏡面姿態(tài)傳感器用于定日鏡自動跟蹤方法的進一步改進，所訴算法可以經(jīng)過一定的優(yōu)化和變形。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明包括圖像傳感器、重力傳感器和gps三種傳感器，通過充分利用傳感器得到的信息進行計算，可以得到準確的鏡面姿態(tài)，此算法以精確的太陽方向和重力方向為參考，并沒有以其他物體如基座等安裝設(shè)備為參考，避免了安裝誤差、機械誤差等誤差。

2.本發(fā)明使定日鏡自動跟蹤系統(tǒng)加入閉環(huán)反饋信號對定日鏡進行控制，實現(xiàn)定日鏡精確控制，使整個定日鏡場的控制更加簡單容易，還縮短了定日鏡場調(diào)試期，更期許對整個電廠調(diào)控運行有所幫助。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)爆炸視圖；

圖2為本發(fā)明裝置使用安裝環(huán)境示意圖；

圖3為本發(fā)明方法定日鏡自動跟蹤方法流程圖。圖中標號：透明蓋為1，外殼為2，圖像傳感器為3，內(nèi)支架為4，重力傳感器為5，gps為6，集成接口為7，信號處理器為8，特征鏡面為9。

具體實施方式(說明：本發(fā)明中涉及的向量均為單位向量)

本發(fā)明的目的是提出一種能夠直接檢測鏡面姿態(tài)的傳感器和定日鏡自動跟蹤方法，該傳感器是具備檢測鏡面姿態(tài)的集成型傳感器，該傳感器以精確的太陽方向和重力方向為基準，直接對鏡面姿態(tài)進行測量和控制，具體是利用圖像傳感器、重力傳感器、gps采集鏡面的姿態(tài)相關(guān)信號，最后由信號處理器將各種信息匯總、處理、計算得到姿態(tài)信息，并對定日鏡發(fā)出控制指令，達到定日鏡自動控制的需求；下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明。

圖1中，透明蓋1固定在外殼2上端面的小孔上，圖像傳感器3固定在內(nèi)支架4的上平臺上，重力傳感器5、gps6、集成接口7固定在內(nèi)支架4的下平臺，外殼2可將內(nèi)支架4套住形成整體，圖像傳感器3、重力傳感器5、gps6分別與集成接口7電連接，集成接口7與信號處理器8電連接。

內(nèi)支架4的結(jié)構(gòu)可以多樣，保證重力傳感器5和圖像傳感器3以固定已知角度安裝即可；

信號處理器8可設(shè)置單端口與單個集成接口相連，對一組傳感器信號進行處理，也可設(shè)置多端口與多個集成接口相連，對多組傳感器信號進行處理；所述信號處理器可以增設(shè)顯示器直接顯示定日鏡姿態(tài)信息也可以有線或無線輸出定日鏡姿態(tài)信息信號。

集成接口7可增設(shè)無線通信或加強有線通訊將信號傳輸?shù)竭h端處理器8。

圖2中，外殼2底面緊貼特征鏡面9固定，信號處理器8可放置于鏡面上也可不放置于鏡面上。

圖3中是定日鏡自動跟蹤方法流程圖。

本發(fā)明定日鏡自動跟蹤方法具體包括：鏡面姿態(tài)傳感器平行安裝于定日鏡上，使圖像傳感器3與鏡面平行，信號處理器8與集成接口7連接后收集三個傳感器的信號；

陽光通過外殼上端面的小孔照射到圖像傳感器3上，得到光點在圖像傳感器3上的位置信息即鏡面坐標系下的太陽方向信息并傳輸?shù)郊山涌?；重力傳感器5得到鏡面坐標系下的重力方向信息并傳輸?shù)郊山涌?；gps6得到時間和整個裝置的地理位置信息，時間信息通過國際上通用的太陽算法可以進一步得到精確的天球坐標系下的太陽方向地理位置信息可以算出當?shù)靥烨蜃鴺讼迪碌闹亓Ψ较?imgfile="dest_path_gsb0000166716350000034.gif"wi="66"he="57"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>并傳輸?shù)郊山涌?；

人工在信號處理器上設(shè)置吸熱器在鏡場中的空間坐標，從而得到吸熱器目標向量

所有信號同時由集成接口7傳輸入信號處理器8，信號處理器8利用提供的鏡面坐標系下太陽方向信息、鏡面坐標系下的重力方向信息、通過時間計算出的天球坐標系下的太陽方向信息和當?shù)靥烨蜃鴺讼迪碌闹亓Ψ较蛐畔⒂嬎愕玫綄嶋H鏡面姿態(tài)，算法如下：

設(shè)：天球坐標系為鏡面坐標系的三坐標軸在天球坐標系下的坐標為

那么兩坐標系的轉(zhuǎn)化矩陣為其中x1＝y(tǒng)2＝zh，即為所求，對應(yīng)的鏡面坐標系下的鏡面坐標為真正的7個未知數(shù)為y1z1x2z2xhyhzh；

通過以下關(guān)系式

總共12個等式，求得最優(yōu)解

信號處理器8利用天球坐標系下的太陽方向和吸熱器目標方向信息計算出鏡面應(yīng)該達到的理論鏡面姿態(tài)，計算方法如下：

其中為吸熱器目標向量；

不斷控制電機旋轉(zhuǎn)帶動鏡面旋轉(zhuǎn)使實際鏡面姿態(tài)理論鏡面姿態(tài)相同即達到自動跟蹤的目的。

參見圖3，鏡面姿態(tài)傳感器用于定日鏡自動跟蹤的方法和工作流程如下：通電啟動后，開始工作(步驟110)，轉(zhuǎn)入步驟120、步驟140和步驟160；步驟120中，圖像傳感器檢測到太陽光點，并轉(zhuǎn)入步驟130；在步驟130中，得到鏡面坐標系下的太陽方向，并轉(zhuǎn)入步驟180；步驟140中，重力傳感器檢測到地球重力方向，并轉(zhuǎn)入步驟150；在步驟150中，得到鏡面坐標系下的重力方向，并轉(zhuǎn)入步驟180；步驟160中，gps檢測到當?shù)貢r間和地理位置，并轉(zhuǎn)入步驟170；在步驟170中，得到天球坐標系下的太陽方向和重力方向，并轉(zhuǎn)入步驟180；步驟180中，集成接口匯總各傳感器信號，并轉(zhuǎn)入步驟190；步驟190中，信號處理器對傳感器信號進行計算，通過鏡面坐標系下的太陽方向和重力方向、天球坐標系下的太陽方向和重力方向計算得到實際定日鏡姿態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟200，通過天球坐標系下的太陽方向和吸熱器目標方向計算得到理論定日鏡姿態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟210；步驟220中，判斷實際定日鏡姿態(tài)和理論定日鏡姿態(tài)是否相同，如果不同，則轉(zhuǎn)入步驟230，否則轉(zhuǎn)入步驟240；步驟230中，以使兩鏡面姿態(tài)相同為目的對電機進行控制帶動鏡面旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動一定角度后則再轉(zhuǎn)入步驟110之后，從頭開始；步驟240中，依靠前時間段穩(wěn)定運行時電機轉(zhuǎn)動速度，推測下一時間的電機轉(zhuǎn)動速度，以此慣性速度控制電機帶動鏡面旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動一定角度后則再轉(zhuǎn)入步驟110之后，從頭開始。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。