一種水面定日鏡追光系統及其追光方法

郭其秀

（綠華能源（福建）有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

隨著化石燃料的燃燒，人類可利用的常規能源越來越少。化石能源的使用會伴隨著有害氣體的排放，嚴重破壞人類生存的環境，威脅著人類的安全和生存。為保護人類賴以生存的生態環境，必須采取措施減少化石能源的使用，大力開發清潔、干凈的新能源和可再生能源，走綠色能源道路。

太陽能是世界上最豐富的永久能源。太陽能光熱發電是太陽能利用的主要方式之一。配備儲熱系統的太陽能光熱電站，可以實現連續穩定的電力輸出，尤其是夜間不間斷的電力輸出。太陽能光熱發電技術主要有塔式技術、槽式技術、蝶式技術和線性菲涅爾技術等技術。其中，塔式技術具有高聚光比，可實現更高的介質溫度和蒸氣溫度，發電效率較高[1]。塔式技術主要包括定日鏡和中心塔。現有的塔式太陽能光熱電站主要建設在陸地上[2]，缺陷在于：地勢起伏，影響光熱電站的建設規模和發電效率；定日鏡場排布方式需要考慮中心塔的陰影遮擋，排布不夠緊湊；定日鏡場采用單獨雙軸追光裝置，跟蹤成本較高；水資源調用成本較高；追光不夠準確。

1 光路系統組成圖

整體光路系統，如圖1所示。

2 工作原理

水上定日鏡追光系統，包括中心塔、設置于中心塔塔頂的接收定日鏡反射太陽光的二次聚光裝置、圍繞中心塔的至少一個漂浮單元、中央處理器和感應判斷裝置。

漂浮單元包括平面桁架、固定于平面桁架下部的浮塊及設置于平面桁架上表面支撐裝置。支撐裝置包括承接定日鏡的承接桁架框和驅動承接桁架框實現角度調整的動力機構，分別如圖2、圖3所示。

圖1 整體光路示意圖

圖2 漂浮單元結構示意圖

圖3 漂浮單元側視圖

感應判斷裝置包括固定于定日鏡上端面中部的光線感應器、角度感應器及固定于定日鏡上端面的若干光線判斷器。光線感應器包括刻度盤和指針，指針下端固定于刻度盤上端面。指針與刻度盤平面呈夾角設置。太陽光照射下，指針在刻度盤上形成投影。光線判斷器包括電信號連接的攝像頭和中心處理器。

攝像頭獲取光線感應器的指針投影在刻度盤上的圖像信息，并將該信息發送給中心處理器；中心處理器與角度感應器電信號連接；角度感應器將測量的定日鏡的角度信息傳輸給中心處理器；中央處理器分別與中心處理器、動力機構電信號連接；中央處理器接收中心處理器的承接桁架框調整信號判斷后，得出中值并控制動力機構工作。

二次聚光裝置包括固定框架和設置于固定框架內的下凹的凹形發射鏡；凹形發射鏡內表面設置有環狀的凸起結構，定日鏡將太陽光射入凹形發射鏡內表面，經凸起結構折射后光線聚集于中心塔內的集熱器，如圖4所示。

圖4 凹形發射鏡的仰視圖

3 功能實現步驟

該水上定日鏡追光系統的追光方法，步驟如下。

步驟1：光線判定器的攝像頭采集光線感應器圖像信息，并傳輸給中心處理器；角度測量器測出定日鏡相對于中心塔底端的方位角γD和傾角αD，從而確定當前定日鏡的單位法向量傳輸給中心處理器。

步驟2：中心處理器將圖像信息中指針在刻度盤上投影的長短和方向信息，結合定日鏡相對于中心塔底端的方位角γD和傾角αD與標準圖像信息比對，得出此時太陽的高度角αS和方位角γS；中心處理器計算定日鏡需要的調整信息數據。

步驟3：若干光線判斷器的中心處理器分別將計算所得的調整信息傳輸給中央處理器，中央處理器提取出中位數，下達指令給動力機構。

其中，步驟2的中心處理器計算定日鏡需要的調整信息數據以PID控制的方式實現，具體計算過程如下。

以該定日鏡場所在平面為基準，中心塔頂端的二次聚光裝置接收點到該平面的垂直方向為Z軸正向坐標建立坐標系，如圖6所示。

圖5 信號連接示意圖

圖6 坐標系示意圖

化簡式（1）～式（4），并將化簡結果與式（6）比對，確定定日鏡的調整信息數據，實現PID過程。

4 系統優點

該系統能準確地自動跟蹤太陽光線入射方位角和仰角的變化，使得太陽光反射率達到最大化，同時提高太陽能利用效率。此外，系統無需外部信號控制，可以自主完成對光線的追蹤，降低了裝置安裝的復雜度，減少了故障點。

5 結 論

該系統設計以中央處理器為核心控制器，利用傳感器功能進行數據校正，便于精確、實時追蹤太陽，提高太陽能轉化成電能的效率，實現了經濟效益的最大化。