提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法

1.提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法，其特征在于：该方法是，通过安装在吸热器前面的摄像机，为控制系统实时提供定日镜反射到吸热器上面的光斑位置；当光斑位置出现偏差时，控制系统通过对偏差的判断，发出对定日镜的控制指令，控制定日镜动作，使定日镜反射到吸热器上面的光斑位置恢复到设定位置；摄像机为控制系统实时提供定日镜反射到吸热器上面的光斑位置，是将摄像机拍摄的光斑位置的视频图像，传输给一台具有图像处理功能的计算机，该计算机通过对视频图像进行图片抓取、识别，然后与设定光斑位置进行比较，获得光斑位置的偏差值并将偏差值传输给控制系统；图像处理计算机对视频图像进行识别是，读取图片，获取图片的大小，根据图片中光点的亮度来判断满足要求的光点，由满足要求的点来判断光斑的轮廓，根据轮廓来计算光斑的中心值；与设定光斑位置进行比较是，将获得的光斑中心值与设定光斑位置的中心值进行比较，得到的差值作为光斑位置的偏差值传输给控制系统。
2.根据权利要求1所述的提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法，其特征在于：所述的将偏差值传输给控制系统，是以通讯的方式经通讯协议转换模件将偏差值传输给控制系统。
3.根据权利要求2所述的提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法，其特征在于：所述的通讯协议转换模件，是MODBUS与CAN的协议转换模件。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法，其特征在于：在摄像机镜头前设有滤光片，摄像机能够自动变化滤光等级、自动选择最佳滤光效果。

技术领域\n本发明涉及太阳能热发电技术，具体地说，是涉及一种塔式太阳能热发电系统中提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的技术。\n背景技术\n塔式太阳能热电站(即塔式太阳能热发电系统)主要由聚光系统，吸/换热系统，储热系统和发电系统四部分组成，其中聚光系统的效率及其成本很大程度上影响热电站的性价比，是构建太阳能热电站中需要着重考虑的因素。聚光系统主要由定日镜和吸热器组成；定日镜的作用是收集太阳辐射能并将其汇聚到吸热器处，它由按一定方式排列的可绕双轴跟踪的定日镜组成，每个定日镜通过绕轴转动跟踪太阳并将辐射到其表面的太阳能反射到塔顶集热器，完成聚光(即聚热)的目的。\n塔式太阳能热发电系统采用光-热-电转化的工艺路线，即先将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能。通过太阳能分级分段加热，先采用普通太阳能集热器使水低段加热，再由聚光式太阳能集热器加热至中温，再由跟踪聚光式太阳能高温加热器加热至高温。由高温蒸汽驱动汽轮发电机进行发电，实现高效热电转换。能量转换过程为：太阳能→热能→机械能→电能。主要的工作过程是，通过多面定日镜收集太阳能，集中反射到塔炉的顶部的吸热器上，热传输系统以良好的效率将集热系统所收集的热量通过热交换系统转到储热介质，再次通过热交换将储热介质的热量传给做功介质，介质带动汽轮机做功发电。\n因此，无论从聚光系统的效率、集热效率方面考虑，还是从整个电站的成本角度考虑，在塔式太阳能热电站中的核心部分，就是如何使定日镜精确的自动跟踪太阳转动，使辐射到其表面的太阳能量最大化。\n为了实现塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的精确控制，申请人研发了塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法。该方法采用一个控制定日镜运动行程的DPU控制器、一个与定日镜连接的执行机构和一个在DPU控制器与执行机构之间对传输数据进行通讯转换的DCS模件，使定日镜自动跟踪太阳轨迹运动。其中：控制定日镜运动行程的DPU控制器，是一个DCS系统的分布处理单元，该单元根据给定的太阳角运动公式和控制方式，为执行机构提供定日镜跟踪太阳轨迹运动的设定值，并将定日镜的实际位置值与设定值比较，根据比较结果通过执行机构使定日镜运动到精确的给定位置；太阳角运动公式，是可提供太阳随着时间变化，太阳光照射到指定位置的太阳高度角和太阳方位角的公式；控制方式，是依据太阳在经度和纬度方向上运动的高度角和方位角的设定值，通过设置两个解耦的闭环控制回路，将定日镜跟踪过程中的高度角和方位角的位置值，分别按照设定的经度函数X(t)和纬度函数Y(t)进行比较，控制定日镜的跟踪。所速的与定日镜连接的执行机构，是一个可提供定日镜的高度角和方位角的位置值和对定日镜的高度角和方位角进行控制的智能远程测控装置；对传输数据进行通讯转换的DCS模件，是MODBUS与CAN的协议转换模件，MODBUS与CAN的协议转换模件有两个，一个用于定日镜纬度方向上控制数据传输的转换，一个用于定日镜经度方向上控制数据传输的转换；还包括采用一个操作员站计算机，该计算机可与DPU控制器实时对时，从而自动确定太阳运行的方位；该计算机还可对定日镜进行手动控制。这个控制方案解决了塔式太阳能热发电中定日镜自动精确跟踪太阳轨迹的问题。但是，在这个技术方案中，对执行机构的执行元件的精度要求比较高，执行元件精度比较差或使用一段时间后精度降低，都会影响控制精度；另外，定日镜本身齿轮箱使用一段时间后会产生齿隙过大等不可控因素，也会导致定日镜跟踪出现偏差。\n发明内容\n本发明的目的是，提供一种可以提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法。本发明通过图像识别系统，可以在出现执行元件精度降低、定日镜本身齿轮箱使用一段时间后会产生齿隙过大等不可控因素时，纠正定日镜自动跟踪太阳轨迹控制中出现的偏差。\n上述目的通过以下技术方案来实现：\n提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法，其特征在于：该方法是，通过安装在吸热器前面的摄像机，为控制系统实时提供定日镜反射到吸热器上面的光斑位置；当光斑位置出现偏差时，控制系统通过对偏差的判断，发出对定日镜的控制指令，控制定日镜动作，使定日镜反射到吸热器上面的光斑位置恢复到设定位置。\n上述提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法中，摄像机为控制系统实时提供定日镜反射到吸热器上面的光斑位置，是将摄像机拍摄的光斑位置的视频图像，传输给一台具有图像处理功能的计算机，该计算机通过对视频图像进行图片抓取、识别，然后与设定光斑位置进行比较，获得光斑位置的偏差值并将偏差值传输给控制系统。\n前述提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法中，图像处理计算机对视频图像进行识别是，读取图片，获取图片的大小，根据图片中光点的亮度来判断满足要求的光点，由满足要求的点来判断光斑的轮廓，根据轮廓来计算光斑的中心值；与设定光斑位置进行比较是，将获得的光斑中心值与设定光斑位置的中心值进行比较，得到的差值作为光斑位置的偏差值传输给控制系统。\n前述提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法中，所述的将偏差值传输给控制系统，是以通讯的方式经通讯协议转换模件将偏差值传输给控制系统。\n前述提高定日镜自动跟踪太阳轨迹控制精度的方法中，所述的通讯协议转换模件，是MODBUS转CAN的协议转换模件。\n前述塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，在摄像机镜头前设有滤光片，摄像机能够自动变化滤光等级、自动化选择最佳滤光效果。\n本发明的有益效果：本发明通过图像识别系统，可以在出现执行元件精度降低、定日镜本身齿轮箱使用一段时间后会产生齿隙过大等不可控因素时，纠正定日镜自动跟踪太阳轨迹控制中出现的偏差。运用摄像头拍摄镜场方法，实时拍摄定日镜跟踪太阳轨迹反射的光斑，找到定日镜中的光班，光班位置有偏移，图像识别系统监视测量光斑的位移偏差，对闭环控制系统的太阳角设定值进行修正。最直观的对任何不可测因素造成的偏差，进行终极闭环修正，保证了定日镜跟踪太阳运行轨迹的精度。本发明可以监测整个定日镜场的运行状况，还可以很直观的监测定日镜反射光斑的情况，在操作员站计算机里，可以很清晰的看到定日镜实时反射到吸热器上的光斑。本发明应用在塔式太阳能热发电站中，可以通过对每个定日镜的监测和对光斑位置偏差的修正，提高整个塔式太阳能热发电站的控制精度、提高发电效率、降低运营成本。\n附图说明\n图1是控制系统结构示意图；\n图2是图像识别的流程图；\n图3是图像识别光斑位置流程图；\n图4是图像识别计算实际偏差值流程图；\n图5是图像识别串口发送数据流程图；\n图6是镜面反射光斑方位角度随时间变化曲线图；\n图7是镜面方位运动的位置反馈随时间变化曲线图；\n图8是镜面反射光斑高度角度随时间变化曲线图；\n图9是镜面高度运动的位置反馈随时间变化曲线图；\n图10是镜面反射光斑方位角度和方位位置反馈对比列表；\n图11是镜面反射光斑高度角度和高度位置反馈对比列表。\n具体实施方式\n实施例。选择一面定日镜，定日镜的传动执行元件选用的是施耐德LXM智能伺服驱动器和施耐德BSH1402P32F1A的伺服电机，通过系统的MODBUS转CAN的协议转换模件与系统的DPU控制器进行数据传输，DPU控制器根据太阳角运动公式，计算镜面实时反射太阳光至吸热器需要运动的行程，再由伺服驱动器通过协议转换模件反馈定日镜行程位置值到DPU控制器，形成闭环控制，完成定日镜全自动精确跟踪太阳轨迹并反射太阳光至塔顶的吸热器。如图1所示，智能测控装置4、操作员站5、DPU控制器6和通讯协议转换模件7构成了控制系统。DPU控制器是TCS3000系统的重要核心组件PN300B(采用主处理器：Pentium400，内存128MB)。\n太阳角运动公式如下；\n太阳高度角(以水平为0度角)：\nsin(h⊙)＝sin(δ)×sin(Ф)+cos(δ)×cos(Ф)×cos(τ)\n太阳方位角(以正南为0度角)：\ncosA＝(sin(h⊙)×sin(Ф)-sinδ)/cos(h⊙)×cos(Ф)\n其中：\nh⊙：太阳高度角；\nA：太阳方位角；\nδ：太阳赤纬角；\nδ＝23.45×sin(360×(284+n)/365)\nn：积日，一年中的天数，从1月1日到要计算日的天数，即计算日的日期在当年内的顺序号；\nФ：地理纬度；\nτ：太阳时角，以正午时，τ＝0计算；\n太阳对塔的计算：\n定义：塔高为Z，镜中心线高T1，塔到定日镜的长度为X，塔到定日镜的宽度距离为Y；\n则有如下：\n定日镜的高度角为H1；\n定日镜的方位角为A1；\nTanH1＝(Z-T1)/X；\nTanA1＝Y/X；\n则：\n镜子的实际纬度函数：X(t)＝(h⊙+H1)/2；\n镜子的实际经度函数：Y(t)＝(A+A1)/2。\n施耐德LXM05A智能伺服驱动器，内部带有通讯功能和智能反馈功能，兼具有智能远程测控装置的功能。有其通讯功能和智能反馈功能的专用智能远程测控装置，成本将会低于智能伺服驱动器，开发性、操作性、维护性均要好于智能执行机构。\n伺服驱动器通过RS485接口与系统中的MODBUS转CAN协议转换模件相连接，通过MODBUS RTU协议进行通讯数据的交互，协议转换模件把数据实时的传递给系统的DPU控制器，DPU控制器通过网关(HUB)与操作员站计算机连接，操作员站计算机应用MOXGRAF组态软件结合太阳角运动公式和闭环控制原理编写程序和人机界面的设计。\n在操作员站计算机上，通过RS232-RS485的转换器把计算机和定日镜驱动器连接，通过MODBUS通讯接口手动调试，让伺服驱动器驱动伺服电机从而让镜面可以随之运动。\n在操作员站计算机上，应用MOXGRAF组态软件编写太阳角运动公式的程序，计算出定日镜把反射光斑投射到吸热器时定日镜的实时位置，从而精确的计算出把定日镜运动到正确位置时所需要发出的方向信号指令和运动信号指令。把程序下载到DPU控制器中，并且把定日镜的驱动器和MODBUS转CAN的协议转换模件相连接，此时系统控制定日镜是开环控制。\n将闭环控制算法加入到DPU控制器运行的程序中去，设定值是太阳在经度和纬度方向上运动的高度角和方位角的二维函数；反馈值是定日镜运动位置的行程值。通过DPU运算把定日镜运动的指令通过两套MODBUS转CAN的协议转换模件传送给定日镜的伺服驱动器，一套传送定日镜水平方向上的运动指令，一套传送定日镜垂直方向上的运动指令。指令分为运动的方向指令和位置指令，以开关量和脉冲量的形式传送。伺服驱动器接收伺服电机定日镜实时运行的位置信号，即电机转动实际圈数，分别通过两套MODBUS转CAN的协议转换模件把定日镜水平方向和垂直方向上运动的位置信号反馈传送到DPU控制器，形成闭环控制。\n清晨太阳上升到一定高度的时候，定日镜启动，通过本发明的控制方法，定日镜全自动跟踪太阳运行，当全天运行后，太阳下降到一定的高度时，定日镜停止继续跟踪太阳运行，并且调整运行方位，运行到定日镜保护位置，避免镜面受到损害。\n当定日镜运行时，把太阳辐射到镜面的光能反射到塔顶的吸热器上，可以看到镜面反射的光斑被投射到吸热器上。此控制方法可以精确的让定日镜跟踪太阳运行轨迹，实时的将光斑投射到吸热器上。\n当启动系统让定日镜全自动跟踪太阳轨迹运行后，在操作员站计算机上，通过HMI人机界面手动调整定日镜位置，把光斑打偏，使之不能被投射到吸热器上，此时定日镜能够根据DPU控制器运算的公式以及反馈值自动找到正确运行位置，并把光斑重新投射到吸热器上。经过实验，人为的调整定日镜的位置，测试定日镜可以根据闭环控制，自动找到跟踪的正确位置。在实际工作中，有可能非人为的发生定日镜脱离轨道，位置偏移的状况，如出现执行元件精度降低、定日镜本身齿轮箱使用一段时间后会产生齿隙过大等不可控因素时，为纠正定日镜自动跟踪太阳轨迹控制中出现的偏差，就必须通过本发明才能精确的将定日镜自动的带回到正确运行的轨道上。\n耐高温高清晰摄像头安装在吸热器前方，与操作员站计算机的视频接收卡通过视频线连接，操作员站计算机的RS232接口通过RS232转RS485转换器与MODBUS转CAN协议转换模件连接，对从摄像头传送过来的监视画面进行分析、测量、计算，把位移偏差传递给DPU控制器，最后由DPU控制器修正定日镜运行偏差，形成终极闭环，完成定日镜全自动精确跟踪太阳轨迹并反射太阳光至塔顶的吸热器。\n利用摄像机拍摄整个定日镜场的画面，由于摄像头和定日镜场中的各面镜子都相对固定，在抓取的图片中可以区分出每一面镜子的位置。所以光斑的位置只会在镜子的范围内，而在周围会有一些光线的散射。并且在不同的光线强度情况下拍摄的图片也是不一样的。在拍摄到的图片中，可以看到光的散射造成成像的不规则，有部分光散射在镜子的外面，而且我们无法判断光斑的最亮位置，即光的能量最大位置，所以需采用特殊方法处理摄像机的摄像。在摄像镜头前增加滤光片，将反射回来的散射光线中比较弱的光线滤掉，光相对强的部分可以透过滤光片照射到摄像机上。由于光的强度每天并不都是一样的，所以摄像机应能够自动变化滤光等级、自动化选择最佳滤光效果。通过滤光找到相对较强的光，然后判断光斑的中心位置，即我们认为的光能最强的位置——光班。\n实际上，如果滤光功能全部去掉后，我们看到的就是实际的镜子，我们看到的光斑，也是在镜子的范围内，是通过滤光的轮廓滤掉，所以我们只能看到的是——光斑。也就是说，在镜子轮廓范围内，哪一范围反射的光照在摄像机上，则那一“点”在摄像机上即为亮点——光班。\n太阳的光线是平行的光线，所以在图片中判断到的镜子上的太阳光斑的偏移即是在接收点的偏移，由此，在操作员站计算机中通过对光斑轮廓的判断获取光斑的中心值，然后算出与标准中心点的象素的位置差值，并将这个偏差值转化为实际的偏差值，发送给控制系统。\n在本例中，DPU控制器通过网关(HUB)与操作员站计算机连接，操作员站计算机使用视频捕捉和图像处理技术，获取太阳光斑的误差偏移距离，并将这个修正数据通过计算机RS232的串口经过RS232转RS485转换器发送给控制系统。\n如图2所示，图像识别流程如下：获取摄像机采集并通过图像卡传输过来的视频图像，对视频图像进行图片抓取，通过软件算法进行太阳光斑的识别，计算确定图像中光斑的位置，然后通过计算获取实际偏差，将光斑的实际偏移距离发送到控制系统中。可以分为识别光斑位置、计算实际偏差值、串口发送数据三个部分。\n如图3所示，识别光斑位置流程如下：读取图片，然后获取图片的大小，根据图片中的点的位置值来判断满足要求的点，由满足要求的点来判断光斑的轮廓，根据轮廓来计算中心值。\n如图4所示，计算实际偏差值流程如下：计算每象素值对应的实际距离参数，根据这个参数算出实际距离，再由理论距离和实际距离计算出偏差。\n如图5所示，图像识别串口发送数据流程如下：首先在初始化软件时建立串口连接，然后监听端口，有数据发送过来后，执行读操作，获取数据报文格式，根据报文格式组织数据，执行写操作，将数据发送过去。上述串口是指操作员站计算机的串口，通过RS232-RS485转换器，由RS485接口通过MODBUS RTU协议传输数据。\n根据多次定日镜自动跟踪太阳轨迹、反射光斑至吸热器的试验，形成了可靠的试验数据以及曲线。\n系统全自动闭环跟踪太阳轨迹，反射光斑至吸热器，记录由公式计算定日镜与吸热器的方位角和高度角以及伺服驱动器反馈的位置信号的对比数据，如图10，图11。\nZin——镜面反射光斑方位角度(单位：度)；\nZout——镜面方位运动的位置反馈，由伺服驱动器根据电机旋转圈数累计得出(单位：usr/10000)；\nHin——镜面反射光斑高度角度(单位：度)；\nHout——镜面高度运动的位置反馈，由伺服驱动器根据电机旋转圈数累计得出(单位：usr/10000)；\n对表1的数据进行曲线分析可以得出以下数据图，如图6，图7。\n对表2的数据进行曲线分析可以得出以下数据图，如图8，图9。\n从数据中可以看出，本发明精确的完成了对定日镜全自动跟踪太阳运行轨迹中偏差的纠正。