一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，特别是涉及一种根据太 阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立太阳光线与定日镜和塔 的反射模型，实时调节镜面姿态的塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 化石能源的日趋枯竭及其导致的空气污染等环境问题，使开发清洁可再生能源方 式迫在眉睫。聚焦型太阳能热发电（Concentrating Solar Power, CSP)能大规模集中使用 太阳能，利用定日镜聚集太阳辐射能，用于加热工质产生高温蒸汽，驱动汽轮机组发电。与 光伏发电相比，具有原材料制造成本与污染更低、转换效率更高、兼容传统热力发电方式、 易于并入电网、更易存储热量、成本更低等优点，是改善能源问题的一种有效途径。
[0003] 聚光定日镜是由反射镜、支撑结构、传动机构、控制系统组成的二维聚光装置，能 实时跟踪太阳的方位角和高度角，达到聚集太阳能量目的。太阳能的能量密度低，且因地而 异，因时而变，高效的定日镜聚光能提高30%以上的转换效率，然而目前的塔式太阳能热发 电中定日镜跟踪聚光系统均具有非线性、多参数、大时变的控制难点。
【发明内容】
[0004] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种塔式太阳能热发 电定日镜自动跟踪方法，其利用太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置 排布，建立太阳光线与定日镜和塔的反射模型，为塔式定日镜的实时聚光奠定算法理论基 础。
[0005] 本发明之另一目的在于提供一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其通过 对太阳的运行规律进行归纳总结，在此基础上根据当地时间地理信息，建立三维坐标系获 取太阳入射光线的高度角和方位角；
[0006] 本发明之再一目的在于提供一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，其采用 时控的方法计算定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的姿态，使得镜面始终将入射太阳 光线反射到目标吸热塔塔顶，从而最大限度的利用的太阳能。
[0007] 为达上述及其它目的，本发明提出一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法， 包括如下步骤：
[0008] 步骤一，建立三维坐标系，根据时间地理位置信息利用太阳运动算法计算太阳入 射光的高度角和方位角；
[0009] 步骤二，根据当地时钟与气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光 入射实时方向角与高度角；
[0010] 步骤三，根据太阳入射光线的实时方位角和高度角、定日镜和塔的位置排布，建立 太阳光线与定日镜和塔的反射模型；
[0011] 步骤四，采用时控的方法计算定日镜方位角和高度角，实时调节镜面的角度。
[0012] 进一步地，该太阳运动算法包括：
[0013] 根据具体日期计算儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪；
[0014] 计算日心坐标地球经度、炜度和半径矢量；
[0015] 计算地心坐标地球经度和炜度；
[0016] 计算经度和倾斜角章动；
[0017] 计算黄道实际倾斜角；
[0018] 计算校正偏差；
[0019] 计算太阳经度；
[0020] 计算给定格林尼治时间平均恒星时；
[0021] 计算太阳赤经；
[0022] 计算太阳赤炜；
[0023] 计算观测点当地时间角；
[0024] 计算视日赤经；
[0025] 计算视日时间角；
[0026] 计算太阳天顶角和高度角；
[0027] 计算太阳方位角。
[0028] 进一步地，所述太阳入射光的高度角Θ为理想太阳高度角e。和考虑空气折射偏 差Δ e之和。
[0029] 进一步地，所述太阳方位角Γ可由下式获得：
[0031] 其中，H'为地面局部时间角度，δ '为视日偏差，供为观测点炜度。
[0032] 进一步地，于步骤二中，根据当地GPS时钟、时区、经炜度、气压、气温、海拔高度等 气象信息利用太阳运动算法计算出该地点时间的太阳光入射实时方向角与高度角。
[0033] 进一步地，于步骤三中，基于入射光线与放射光线在定日镜镜面对称规律，建立太 阳光线与定日镜和塔的反射模型。
[0034] 进一步地，于步骤三中，根据定日镜和塔的位置排布、地理方位信息，建立三维笛 卡尔坐标分析追日系统。
[0035] 进一步地，于步骤三中，以地平面建立定日镜理论模型，将正东方向定义为坐标系 X轴正方向，将正北方向定义为坐标系Y轴正方向，将天顶方向定义Z轴正方向，XYZ坐标系 原点0点为接收塔与X-Y水平面交点。
[0036] 进一步地，于步骤三中，假定投射到定日镜上的所有太阳入射光线均为平行光以 及假设镜面平整光滑，镜面厚度不计，镜面中心点与镜面的固定点之间两点重合，不存在机 械偏差。
[0037] 进一步地，于步骤四中，将太阳入射光线与反射光线采用单位向量模式表示，使用 定日镜的法向量表示定日镜的姿态情况，利用入射反射向量对称规律获取定日镜法向量姿 态，根据获取的定日镜实时法向量姿态，得到定日镜的方位角和高度角，将定日镜现时态的 高度角、方位角与前一时态的高度角、方位角进行比较，得出定日镜旋转、俯仰角度大小。
[0038] 与现有技术相比，本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，能够事先 对太阳运动方位进行准确预测，调节塔式定日镜在一个控制周期内方位、俯仰转动角度的 大小，实时跟踪太阳轨迹的变化，实现高效的反射聚光控制。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法的步骤流程图；
[0040] 图2为本发明中的地平坐标系示意图；
[0041] 图3为本发明中的太阳运动算法的过程示意图；
[0042] 图4为本发明中太阳运动算法输入输出接口模块图；
[0043] 图5为本发明使用的定日镜追日系统空间建模示意图；
[0044] 图6为本发明中定日镜运动过程分析图；
[0045] 图7为本发明的实例分析时太阳高度角和方位角；
[0046] 图8为本发明的实例镜场中不同位置定日镜镜面法向量单日动态图。
[0047] 图9为本发明的定日镜法向量在OXY平面上投影方向分析图。
【具体实施方式】
[0048] 以下通过特定的具体实例并结合【附图说明】本发明的实施方式，本领域技术人员可 由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同 的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离 本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0049] 图1为本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法的步骤流程图。如图1 所示，本发明一种塔式太阳能热发电定日镜自动跟踪方法，包括如下步骤：
[0050] 步骤101，建立三维坐标系，根据时间地理位置信息利用太阳运动算法计算太阳入 射光的高度角和方位角。
[0051] 通常在实际工程中，在计算太阳位置时习惯采用地平坐标系，即以地平圈为基本 圈，天顶为基本点，原点的坐标系叫做地平坐标系，如图2所示为坐标系示意图，采用用太 阳高度角和太阳方位角来描述太阳的当前位置，这里，太阳高度角是指太阳直射光线与地 平面间的夹角α，太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正北方向的 夹角β。为了计算太阳位置，还需要以下公式辅助。
[0052] 如图3所示，具体地，步骤101中的太阳运动算法包括如下步骤：
[0053] 步骤S1，根据具体日期计算：儒略日、儒略历书日、儒略世纪、儒略历书世纪。
[0054] 儒略日JDCJulian dat