一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法，特別是涉及一種根據(jù)太 陽入射光線的實(shí)時(shí)方位角和高度角、定日鏡和塔的位置排布，建立太陽光線與定日鏡和塔 的反射模型，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鏡面姿態(tài)的塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 化石能源的日趨枯竭及其導(dǎo)致的空氣污染等環(huán)境問題，使開發(fā)清潔可再生能源方 式迫在眉睫。聚焦型太陽能熱發(fā)電（Concentrating Solar Power, CSP)能大規(guī)模集中使用 太陽能，利用定日鏡聚集太陽輻射能，用于加熱工質(zhì)產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。與 光伏發(fā)電相比，具有原材料制造成本與污染更低、轉(zhuǎn)換效率更高、兼容傳統(tǒng)熱力發(fā)電方式、 易于并入電網(wǎng)、更易存儲(chǔ)熱量、成本更低等優(yōu)點(diǎn)，是改善能源問題的一種有效途徑。
[0003] 聚光定日鏡是由反射鏡、支撐結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成的二維聚光裝置，能 實(shí)時(shí)跟蹤太陽的方位角和高度角，達(dá)到聚集太陽能量目的。太陽能的能量密度低，且因地而 異，因時(shí)而變，高效的定日鏡聚光能提高30%以上的轉(zhuǎn)換效率，然而目前的塔式太陽能熱發(fā) 電中定日鏡跟蹤聚光系統(tǒng)均具有非線性、多參數(shù)、大時(shí)變的控制難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之一目的在于提供一種塔式太陽能熱發(fā) 電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法，其利用太陽入射光線的實(shí)時(shí)方位角和高度角、定日鏡和塔的位置 排布，建立太陽光線與定日鏡和塔的反射模型，為塔式定日鏡的實(shí)時(shí)聚光奠定算法理論基 礎(chǔ)。
[0005] 本發(fā)明之另一目的在于提供一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法，其通過 對(duì)太陽的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)當(dāng)?shù)貢r(shí)間地理信息，建立三維坐標(biāo)系獲 取太陽入射光線的高度角和方位角；
[0006] 本發(fā)明之再一目的在于提供一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法，其采用 時(shí)控的方法計(jì)算定日鏡方位角和高度角，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鏡面的姿態(tài)，使得鏡面始終將入射太陽 光線反射到目標(biāo)吸熱塔塔頂，從而最大限度的利用的太陽能。
[0007] 為達(dá)上述及其它目的，本發(fā)明提出一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法， 包括如下步驟：
[0008] 步驟一，建立三維坐標(biāo)系，根據(jù)時(shí)間地理位置信息利用太陽運(yùn)動(dòng)算法計(jì)算太陽入 射光的高度角和方位角；
[0009] 步驟二，根據(jù)當(dāng)?shù)貢r(shí)鐘與氣象信息利用太陽運(yùn)動(dòng)算法計(jì)算出該地點(diǎn)時(shí)間的太陽光 入射實(shí)時(shí)方向角與高度角；
[0010] 步驟三，根據(jù)太陽入射光線的實(shí)時(shí)方位角和高度角、定日鏡和塔的位置排布，建立 太陽光線與定日鏡和塔的反射模型；
[0011] 步驟四，采用時(shí)控的方法計(jì)算定日鏡方位角和高度角，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鏡面的角度。
[0012] 進(jìn)一步地，該太陽運(yùn)動(dòng)算法包括：
[0013] 根據(jù)具體日期計(jì)算儒略日、儒略歷書日、儒略世紀(jì)、儒略歷書世紀(jì)；
[0014] 計(jì)算日心坐標(biāo)地球經(jīng)度、煒度和半徑矢量；
[0015] 計(jì)算地心坐標(biāo)地球經(jīng)度和煒度；
[0016] 計(jì)算經(jīng)度和傾斜角章動(dòng)；
[0017] 計(jì)算黃道實(shí)際傾斜角；
[0018] 計(jì)算校正偏差；
[0019] 計(jì)算太陽經(jīng)度；
[0020] 計(jì)算給定格林尼治時(shí)間平均恒星時(shí)；
[0021] 計(jì)算太陽赤經(jīng)；
[0022] 計(jì)算太陽赤煒；
[0023] 計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)當(dāng)?shù)貢r(shí)間角；
[0024] 計(jì)算視日赤經(jīng)；
[0025] 計(jì)算視日時(shí)間角；
[0026] 計(jì)算太陽天頂角和高度角；
[0027] 計(jì)算太陽方位角。
[0028] 進(jìn)一步地，所述太陽入射光的高度角Θ為理想太陽高度角e。和考慮空氣折射偏 差Δ e之和。
[0029] 進(jìn)一步地，所述太陽方位角?？捎上率将@得：
[0031] 其中，H'為地面局部時(shí)間角度，δ '為視日偏差，供為觀測(cè)點(diǎn)煒度。
[0032] 進(jìn)一步地，于步驟二中，根據(jù)當(dāng)?shù)谿PS時(shí)鐘、時(shí)區(qū)、經(jīng)煒度、氣壓、氣溫、海拔高度等 氣象信息利用太陽運(yùn)動(dòng)算法計(jì)算出該地點(diǎn)時(shí)間的太陽光入射實(shí)時(shí)方向角與高度角。
[0033] 進(jìn)一步地，于步驟三中，基于入射光線與放射光線在定日鏡鏡面對(duì)稱規(guī)律，建立太 陽光線與定日鏡和塔的反射模型。
[0034] 進(jìn)一步地，于步驟三中，根據(jù)定日鏡和塔的位置排布、地理方位信息，建立三維笛 卡爾坐標(biāo)分析追日系統(tǒng)。
[0035] 進(jìn)一步地，于步驟三中，以地平面建立定日鏡理論模型，將正東方向定義為坐標(biāo)系 X軸正方向，將正北方向定義為坐標(biāo)系Y軸正方向，將天頂方向定義Z軸正方向，XYZ坐標(biāo)系 原點(diǎn)0點(diǎn)為接收塔與X-Y水平面交點(diǎn)。
[0036] 進(jìn)一步地，于步驟三中，假定投射到定日鏡上的所有太陽入射光線均為平行光以 及假設(shè)鏡面平整光滑，鏡面厚度不計(jì)，鏡面中心點(diǎn)與鏡面的固定點(diǎn)之間兩點(diǎn)重合，不存在機(jī) 械偏差。
[0037] 進(jìn)一步地，于步驟四中，將太陽入射光線與反射光線采用單位向量模式表示，使用 定日鏡的法向量表示定日鏡的姿態(tài)情況，利用入射反射向量對(duì)稱規(guī)律獲取定日鏡法向量姿 態(tài)，根據(jù)獲取的定日鏡實(shí)時(shí)法向量姿態(tài)，得到定日鏡的方位角和高度角，將定日鏡現(xiàn)時(shí)態(tài)的 高度角、方位角與前一時(shí)態(tài)的高度角、方位角進(jìn)行比較，得出定日鏡旋轉(zhuǎn)、俯仰角度大小。
[0038] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法，能夠事先 對(duì)太陽運(yùn)動(dòng)方位進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，調(diào)節(jié)塔式定日鏡在一個(gè)控制周期內(nèi)方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度的 大小，實(shí)時(shí)跟蹤太陽軌跡的變化，實(shí)現(xiàn)高效的反射聚光控制。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法的步驟流程圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明中的地平坐標(biāo)系示意圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明中的太陽運(yùn)動(dòng)算法的過程示意圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明中太陽運(yùn)動(dòng)算法輸入輸出接口模塊圖；
[0043] 圖5為本發(fā)明使用的定日鏡追日系統(tǒng)空間建模示意圖；
[0044] 圖6為本發(fā)明中定日鏡運(yùn)動(dòng)過程分析圖；
[0045] 圖7為本發(fā)明的實(shí)例分析時(shí)太陽高度角和方位角；
[0046] 圖8為本發(fā)明的實(shí)例鏡場(chǎng)中不同位置定日鏡鏡面法向量單日動(dòng)態(tài)圖。
[0047] 圖9為本發(fā)明的定日鏡法向量在OXY平面上投影方向分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 以下通過特定的具體實(shí)例并結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明亦可通過其它不同 的具體實(shí)例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。
[0049] 圖1為本發(fā)明一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法的步驟流程圖。如圖1 所示，本發(fā)明一種塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡自動(dòng)跟蹤方法，包括如下步驟：
[0050] 步驟101，建立三維坐標(biāo)系，根據(jù)時(shí)間地理位置信息利用太陽運(yùn)動(dòng)算法計(jì)算太陽入 射光的高度角和方位角。
[0051] 通常在實(shí)際工程中，在計(jì)算太陽位置時(shí)習(xí)慣采用地平坐標(biāo)系，即以地平圈為基本 圈，天頂為基本點(diǎn)，原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫做地平坐標(biāo)系，如圖2所示為坐標(biāo)系示意圖，采用用太 陽高度角和太陽方位角來描述太陽的當(dāng)前位置，這里，太陽高度角是指太陽直射光線與地 平面間的夾角α，太陽方位角是指太陽直射光線在地平面上的投影線與地平面正北方向的 夾角β。為了計(jì)算太陽位置，還需要以下公式輔助。
[0052] 如圖3所示，具體地，步驟101中的太陽運(yùn)動(dòng)算法包括如下步驟：
[0053] 步驟S1，根據(jù)具體日期計(jì)算：儒略日、儒略歷書日、儒略世紀(jì)、儒略歷書世紀(jì)。
[0054] 儒略日J(rèn)DCJulian dat