一种水面定日镜追光系统及其追光方法

郭其秀

（绿华能源（福建）有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

随着化石燃料的燃烧，人类可利用的常规能源越来越少。化石能源的使用会伴随着有害气体的排放，严重破坏人类生存的环境，威胁着人类的安全和生存。为保护人类赖以生存的生态环境，必须采取措施减少化石能源的使用，大力开发清洁、干净的新能源和可再生能源，走绿色能源道路。

太阳能是世界上最丰富的永久能源。太阳能光热发电是太阳能利用的主要方式之一。配备储热系统的太阳能光热电站，可以实现连续稳定的电力输出，尤其是夜间不间断的电力输出。太阳能光热发电技术主要有塔式技术、槽式技术、蝶式技术和线性菲涅尔技术等技术。其中，塔式技术具有高聚光比，可实现更高的介质温度和蒸气温度，发电效率较高[1]。塔式技术主要包括定日镜和中心塔。现有的塔式太阳能光热电站主要建设在陆地上[2]，缺陷在于：地势起伏，影响光热电站的建设规模和发电效率；定日镜场排布方式需要考虑中心塔的阴影遮挡，排布不够紧凑；定日镜场采用单独双轴追光装置，跟踪成本较高；水资源调用成本较高；追光不够准确。

1 光路系统组成图

整体光路系统，如图1所示。

2 工作原理

水上定日镜追光系统，包括中心塔、设置于中心塔塔顶的接收定日镜反射太阳光的二次聚光装置、围绕中心塔的至少一个漂浮单元、中央处理器和感应判断装置。

漂浮单元包括平面桁架、固定于平面桁架下部的浮块及设置于平面桁架上表面支撑装置。支撑装置包括承接定日镜的承接桁架框和驱动承接桁架框实现角度调整的动力机构，分别如图2、图3所示。

图1 整体光路示意图

图2 漂浮单元结构示意图

图3 漂浮单元侧视图

感应判断装置包括固定于定日镜上端面中部的光线感应器、角度感应器及固定于定日镜上端面的若干光线判断器。光线感应器包括刻度盘和指针，指针下端固定于刻度盘上端面。指针与刻度盘平面呈夹角设置。太阳光照射下，指针在刻度盘上形成投影。光线判断器包括电信号连接的摄像头和中心处理器。

摄像头获取光线感应器的指针投影在刻度盘上的图像信息，并将该信息发送给中心处理器；中心处理器与角度感应器电信号连接；角度感应器将测量的定日镜的角度信息传输给中心处理器；中央处理器分别与中心处理器、动力机构电信号连接；中央处理器接收中心处理器的承接桁架框调整信号判断后，得出中值并控制动力机构工作。

二次聚光装置包括固定框架和设置于固定框架内的下凹的凹形发射镜；凹形发射镜内表面设置有环状的凸起结构，定日镜将太阳光射入凹形发射镜内表面，经凸起结构折射后光线聚集于中心塔内的集热器，如图4所示。

图4 凹形发射镜的仰视图

3 功能实现步骤

该水上定日镜追光系统的追光方法，步骤如下。

步骤1：光线判定器的摄像头采集光线感应器图像信息，并传输给中心处理器；角度测量器测出定日镜相对于中心塔底端的方位角γD和倾角αD，从而确定当前定日镜的单位法向量传输给中心处理器。

步骤2：中心处理器将图像信息中指针在刻度盘上投影的长短和方向信息，结合定日镜相对于中心塔底端的方位角γD和倾角αD与标准图像信息比对，得出此时太阳的高度角αS和方位角γS；中心处理器计算定日镜需要的调整信息数据。

步骤3：若干光线判断器的中心处理器分别将计算所得的调整信息传输给中央处理器，中央处理器提取出中位数，下达指令给动力机构。

其中，步骤2的中心处理器计算定日镜需要的调整信息数据以PID控制的方式实现，具体计算过程如下。

以该定日镜场所在平面为基准，中心塔顶端的二次聚光装置接收点到该平面的垂直方向为Z轴正向坐标建立坐标系，如图6所示。

图5 信号连接示意图

图6 坐标系示意图

化简式（1）～式（4），并将化简结果与式（6）比对，确定定日镜的调整信息数据，实现PID过程。

4 系统优点

该系统能准确地自动跟踪太阳光线入射方位角和仰角的变化，使得太阳光反射率达到最大化，同时提高太阳能利用效率。此外，系统无需外部信号控制，可以自主完成对光线的追踪，降低了装置安装的复杂度，减少了故障点。

5 结 论

该系统设计以中央处理器为核心控制器，利用传感器功能进行数据校正，便于精确、实时追踪太阳，提高太阳能转化成电能的效率，实现了经济效益的最大化。