關于光熱電站定日鏡單鏡校準研究和分析

代增麗 劉偉 徐文武 馬傳成

摘? 要：在環保要求越來越重要的今天，太陽能光熱電站在清潔能源利用中的地位越來越重要，太陽能的合理與充分利用有利于提高光熱電站效率。太陽能光熱發電技術是指利用聚光器收集太陽能，通過接收器轉換成熱能，加熱工質，驅動熱動力裝置進行發電的技術;定日鏡是塔式太陽能光熱電站太陽光熱能重要組成部分。該文重點介紹定日鏡部件組成、坐標系確定以及校準工作，用于后續項目定日鏡調試借鑒參考。

關鍵詞：太陽能光熱? 定日鏡? 控制? 校準

中圖分類號：TK51 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0053-02

1? 定日鏡組成

定日鏡是一種由鏡面（反射鏡）、鏡架（支撐結構）、傳動機構、跟蹤及控制系統等組成的聚光裝置，用于跟蹤接收并聚集反射太陽光線集中于光塔頂部的吸熱器上，是塔式太陽能光熱發電的主要裝置之一。定日鏡對太陽跟蹤，由液壓驅動器來完成，基于方位角和高度角的液壓缸組成，各液壓缸通過電磁方向控制閥動作來完成定日鏡的水平向方位轉動和俯仰動作。校準靶板布置在吸熱器下方，呈圓柱形布置，平均分布在光塔周圍，每9個兩種尺寸的圓點按照“田”字型布置組成一個校驗靶板，大的圓點直徑1.7m，小的圓點直徑0.85m，中心的圓點被確定為參照測量點。

2? 定日鏡坐標系確定

為了便于計算分析定日鏡的方位角，引用笛卡爾坐標系，分別建立絕對坐標系和就地坐標系。定日鏡高度角的確定相對簡單，因為在絕對坐標和就地坐標中的高度角是一致的。在絕對坐標系中，定日鏡的方位角以地理北極正北方為零度。該坐標參數用于追日程序的運算，得出實時定日鏡方位角和高度角，再根據光塔的坐標，可計算出定日鏡在就地坐標系中的方位角和高度角。在就地坐標系中，定日鏡的方位角以吸熱器方向為零度。

3? 鏡面方位角、高度角確定

3.1 太陽在天空中的位置可以用高度角和方位角表示

在計算太陽高度角和方位角時，通常采用地平坐標系。根據以往的研究，太陽高度角hs是太陽光向量與地平面的夾角，太陽方位角θs是太陽光向量在地平面上的投影與正北方向的夾角。太陽高度角和方位角的表達式如下[1]：

sinhs=sinδ·sin?+cosδ·cos?·cosω

cosθs=（sinhs·sin?-sinδ/（coshs·cos?）

其中，δ為太陽赤緯角;?為當地的緯度;ω為太陽時角。

3.2 定日鏡鏡面法線的方位角與高度角計算公式

令，定日鏡鏡面法線的方位角與高度角表達式為[2]：

tan?=（cos?t·sinht+cos?s·sinhs）/（cos?t·cosht+cos?s·coshs）

sinh=（sinht+sinhs）/

其中，h為定日鏡法線高度角，?為方位角;hs為太陽高度角，?s為太陽方位角;ht定日鏡中心點與吸熱器目標點連接線與地平面之間的夾角，?t為定日鏡中心點與吸熱器目標點連線在地面的投影與正南方之間的夾角。

4? 光學校準

為了減小定日鏡的指向和跟蹤誤差，以便它們可以將最大的太陽輻射集中到吸熱器的給定點上，減小吸熱器的輻射能量溢出，必須對定日鏡進行光學校準。校準過程就是將定日鏡反射的太陽輻射定位到校準目標靶板上，HCS將繼續處理和分析聚焦該在目標的相機捕獲的圖像，以便可以測量和減小指向誤差。

定日鏡校準系統（HCS）管理定日鏡的校準計劃和校準，通過校準程序修正定日鏡的指向偏差。定期評估每個定日鏡指向偏差，按照計劃定期對校準。定日鏡光學校準是通過校準軟件中的圖像采集識別軟件，調整圖像灰度值來捕捉定日鏡反射至校準靶板上的光斑的幾何中心，自動計算光斑中心與校準靶板的實際中心的偏差，如果偏差超過跟蹤精度，校準系統會發出指令至SCS（鏡場控制系統），SCS根據校準系統提供的偏差來移動定日鏡，再次執行計算偏差，如果偏差低于允許值，校準完成，否則重復執行校準程序，直到偏差合格。

校準系統數據庫中儲存了每臺定日鏡和目標靶板在絕對坐標系中的3D坐標，圖像處理軟件根據定日鏡和目標靶心的絕對坐標系中的坐標，以及光斑中心與靶心的位置距離偏差，自動計算定日鏡法線的方位角和高度角的偏差，并自動計算修正量如圖1所示。

校準工作結束后，所有校準參數包括校準過程中圖像（帶光斑的校準靶板圖像、不帶光斑的靶板圖像）、修正量（當前的修正量、上次校準時的修正量）、校準過程中風速、光照強度等參數，會自動形成數據庫文件（DB）并保存在SCS系統，數據庫參數可以通過PDT和操作員站查看和加載。

5? 光斑圖像中光斑幾何中心計算方法

啟動定日鏡跟蹤準確度測量系統的CCD相機采集圖像，利用目標靶上4個黑色直角框標定出目標靶中心（xc，yc）。分割采集的每幀光斑灰度圖像的光斑與背景，并以光斑內像素的總量作為光斑的面積。以與此面積相等的正方形作為光斑圖像中提取光斑的裁剪窗，用該裁剪窗在整個光斑圖案上進行截取，以所有截取窗口內灰度值總量最大的位置作為光斑有效區域，光斑有效區域的幾何中心即為光斑中心。

6? 結語

定日鏡是塔式太陽能光熱電站的重要組成部分，其校準工作是塔式光熱電站安全穩定運行的基礎，通過對定日鏡的組成、定日鏡坐標系確定、鏡面方位角和高度角的確定、光學校準、光斑圖像中光斑幾何中心計算方法的研究進行校準，校準階段必須全面檢驗各報警參數和限位的準確性和可靠性，才能確保定日鏡的日常準確性，確保太陽能光熱發電設備正常運行。

參考文獻

[1] 姚夢凱，黃文君.太陽能熱發電聚光系統的建模與控制策略研究[D].浙江大學，2012.

[2] T/GRLM 02-2014，國家太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟.太陽定日鏡跟蹤準確度測量方法[EB/OL].[2014-08-28].https：//www.docin.com/p-2035427569.html.

[3] 姚志豪.國內外太陽能熱發電發展現狀及趨勢報告[EB/OL].中華能源網，2017-08-13.