一种定日镜超声波校正系统及方法与流程

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种定日镜超声波校正系统及方法。

背景技术：

在太阳能热发电领域，塔式太阳能热发电技术聚光倍数高，系统效率高，热损失小，同时又便于能量的存储，是一种竞争力很强的新型清洁发电技术。塔式太阳能热发电技术是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于吸热塔顶部的吸热器上，将吸热工质加热并进行存储，再根据电网的调度指令，利用热交换产生的高温高压蒸汽驱动汽轮发电机组发电。

定日镜是塔式太阳能发电站的关键设备，由以上的描述可知，定日镜需要将太阳光准确地反射到置于吸热塔顶部的吸热器上以实现正常发电，为了提高对太阳光的利用，并保证吸热器的安全，应当尽可能的提高反射精度，即定日镜跟踪精度，定日镜跟踪精度的提高有助于提高镜场聚焦到吸热器表面的辐射通量，以此来提高电站的发电量。

目前，行业内提出的定日镜校正系统一般采用以下几种方式：

(1)基于定日镜反射光斑纠偏的校正系统：一般是利用相机采集定日镜反射在纠偏板的光斑，并通过图像分析系统找到光斑的质量中心，进而通过对比目标点与光斑质量中心得出定日镜跟踪偏差，对定日镜予以纠偏。

(2)基于定日镜位置测量的传感器校正系统：通过在每一面定日镜的四个角上设置测量传感器，如感光电池或者感光二极管，当定日镜平面上的太阳光分布不均时，感光电池或者感光二极管的电信号都会发生变化，以此准确追踪太阳位置，并准确反映定日镜的位置。

(3)基于无人机技术的镜场校正系统：核心思路是采用无人机发射光线，并对经过反射过后的光线落点进行测量分析，通过比较理论落点以及实际落点的偏差，对定日镜姿态予以纠偏。

对于上述的第一种镜场校正方法，其严重依赖于光强以及与云层分布情况，对于阴天或者多云天，校正误差将比较大，甚至无法进行，并且无法在晚上进行校正，这将大大延迟镜场的投产日期，影响电站的经济性。

同样的，对于上述第二种镜场校正方法，也一样地依赖于光强以及与云层分布情况，更为严重的是，该方法需要每一面定日镜都设置感光传感器，这对定日镜的成本和运行维护提出了较高的要求，此外，该方法的准确性严重依赖于感光传感器的灵敏度以及传动机构的精密程度，校正频繁，不利于电站的长期稳定运行。

对于上述的第三种镜场校正方法，其采用无人机进行光线的发射或者接收，但是众所周知，对于民用的小型无人机系统，最大的续航时间没有取得较大突破，携带测量装置的无人机不到一小时就要进行充电或者更换，影响镜场校正效率，其次在白天进行校正时，无人机的光线将受到太阳光的干涉，影响校正精度。

综上所述，现有技术中对定日镜的校正存在着校正效率低、校正误差大、运行维护成本高、校正精度易受外界干扰的技术缺陷。

技术实现要素：

本发明的技术目的是提供一种定日镜超声波校正系统及方法，具有校正效率高、全天均可校正、校正误差小、运行维护成本低、校正精度稳定的技术特点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种定日镜超声波校正系统，包括：移动固定装置、超声波测量装置、超声波处理装置、定日镜控制装置；其中，

所述超声波测量装置、所述超声波处理装置和所述定日镜控制装置安装固定于所述移动固定装置上；

所述超声波测量装置，包括至少三个发射接收端，每个所述发射接收端用于向所述定日镜的一个校正点发射超声波，并接收所述校正点反射的所述超声波，其中，每个所述发射接收端发射的所述超声波为不同频率的超声波；

所述超声波处理装置，用于接收所述超声波测量装置反馈的所述超声波的发射时间点和接收时间点，并根据所述发射时间点和所述接收时间点计算得到所述超声波的实际传播时间；所述超声波处理装置，还用于根据所述校正点和所述发射接收端的理论距离，计算得到所述超声波的理论传播时间；所述超声波处理装置，还用于根据所述实际传播时间和所述理论传播时间，计算得到所述定日镜的高度角和方位角的校正值；

所述定日镜控制装置，用于接收所述超声波处理装置反馈的所述校正值，并根据所述校正值修正所述定日镜的所述高度角和所述方位角，以校正所述定日镜的实际方位。

根据本发明的一实施例，所述移动固定装置设有的定位模块，所述定位模块用于获取所述移动固定装置的定位坐标；

所述超声波处理装置，还用于根据所述移动固定装置和所述发射接收端之间的相对距离和所述定位坐标，计算得到所述发射接收端的发射位置坐标；所述超声波处理装置，还用于根据所述发射位置坐标和所述校正点的理论位置坐标，计算得到所述理论距离。

根据本发明的一实施例，所述超声波处理装置，还用于根据所述超声波的接收情况，设定所述定日镜的高度角和方位角，以实现至少存在三个所述发射接收端发射并接收到所述超声波；

所述定日镜控制装置，用于接收所述超声波处理装置发送的所述高度角和所述方位角，并根据所述高度角和所述方位角，旋转所述定日镜至所述高度角和所述方位角确定的方位。

一种定日镜超声波校正方法，包括以下步骤：

s1：选取所述定日镜的至少三个点作为校正点；

s2：设定所述定日镜的高度角和方位角，调整所述定日镜至所述高度角和所述方位角确定的初始方位，并根据所述高度角和所述方位角计算得到每个所述校正点的理论位置坐标；

s3：向每个所述校正点分别发射超声波，记录每束所述超声波的发射位置坐标，并根据所述发射位置坐标处接收到的所述定日镜反射的所述超声波，计算得到每束所述超声波的实际传播时间；

s4：根据所述发射位置坐标和所述理论位置坐标，计算得到每束所述超声波的理论传播时间；

s5：根据所述实际传播时间和所述理论传播时间，计算得到所述定日镜的所述高度角和所述方位角的校正值；

s6：根据所述校正值，修正所述高度角和所述方位角，以实现所述定日镜的校正。

根据本发明的一实施例，所述步骤s3包括以下步骤：

s31：向每个所述校正点分别发射不同频率的所述超声波，并记录每束所述超声波的发射位置坐标；

s32：若接收到所述定日镜反射的所述超声波大于等于三束，则计算得到至少三束所述超声波对应的所述实际传播时间；若接收到的所述定日镜反射的所述超声波少于三束，则重新执行所述步骤s2至所述步骤s3，直至接收到所述定日镜反射的所述超声波大于等于三束。

根据本发明的一实施例，所述步骤s6包括以下步骤：

s61：若所述校正值在允许精度误差内，则保持当前的所述高度角和所述方位角不变；

s62：若所述校正值超出所述允许精度误差，则修正所述高度角和所述方位角，以实现所述定日镜的校正，并重新执行所述步骤s3至s6，直至所述校正值在所述允许精度误差内。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明利用超声波沿直线传播的特性及超声波测距原理实现定日镜校正，其中，依据三点确定一个平面的原理，根据至少三组超声波的实际传播时间和理论传播时间的偏差，计算出定日镜的实际方位和理论方位的偏差，并修正实际方位，有效避开了目前定日镜校正系统对光强以及光源的要求和干涉，能够进行全天24小时不间断校正，且不受天气、太阳等因素限制和影响，达到了校正效率高、校正误差小、校正精度稳定的技术效果；

(2)本发明利用发射接收端的发射位置坐标和校正点的理论位置坐标，计算校正点和发射接收端之间的理论距离，达到了运行维护成本低、校正误差小的技术效果；

(3)本发明在项目建设期，摆脱了镜场校正对于吸热器、吸热塔纠偏板施工进度的依赖，能够与镜场安装调试工作同步进行，可以有效缩短建设周期，达到校正成本低、校正效率高的技术效果；

(4)本发明在电站运行期，可以在夜晚对定日镜场进行校正，不影响镜场白天的正常工作，不降低镜场可用率的情况下，还能够增加电站的发电量，达到发电资源使用最大化、校正对发电无影响化的技术效果。

附图说明

图1为本发明的一种定日镜超声波校正系统的结构示意图；

图2为本发明的一种定日镜超声波校正方法的单面定日镜校正流程图；

图3为本发明的一种定日镜超声波校正方法的多面定日镜校正流程图；

附图标记：

1：定日镜；2：校正点；3：移动固定装置；4：发射接收端；5：超声波处理装置；6：定日镜控制装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种定日镜超声波校正系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

参看图1，本实施例提供一种定日镜超声波校正系统，包括：移动固定装,3、超声波测量装置、超声波处理装置5、定日镜控制装置6；其中，

超声波测量装置、超声波处理装置5和定日镜控制装置6安装固定于移动固定装置3上；

超声波测量装置，包括至少三个发射接收端4，每个发射接收端4用于向定日镜1的一个校正点2发射超声波，并接收校正点2反射的超声波，其中，每个发射接收端发射4的超声波为不同频率的超声波；

超声波处理装置5，用于接收超声波测量装置反馈的超声波的发射时间点和接收时间点，并根据发射时间点和接收时间点计算得到超声波的实际传播时间；超声波处理装置5，还用于根据校正点2和发射接收端的理论距离，计算得到超声波的理论传播时间；超声波处理装置5，还用于根据实际传播时间和理论传播时间，计算得到定日镜的高度角和方位角的校正值；

定日镜控制装置6，用于接收超声波处理装置5反馈的校正值，并根据校正值修正定日镜的高度角和方位角，以校正定日镜的实际方位。

参看图1，现对本实施例的各个装置进行具体地说明：

移动固定装置3：本实施例采用车辆作为移动固定装置3，由于定日镜1为多面协同工作，这就需要定日镜超声波校正系统对多面定日镜1进行校准，车辆包括了行驶车辆本体装置、定位装置与路径规划装置，设置移动固定装置3，可进行路径规划，对多面定日镜1的校正流程化，以实现多面定日镜1全自动化校准，满足实际电站的校准需求，也方便人工对定日镜超声波校正系统的搬运，达到了操作人性化、工业自动化的技术效果。

超声波测量装置：本实施例在超声波测量装置中安装了三个分散布置在车辆不同位置的发射接收端4，每一位置的发射接收端4发出的超声波频率不同，并接收其发射的特定频率的超声波，以避免相互之间的干涉以及周边环境的干涉，达到校正稳定、精准的技术效果。

超声波处理装置5：超声波处理装置5接收超声波测量装置发送的超声波发射时间点和接收时间点，根据发射时间点和接收时间点，计算得出不同校正点2的超声波从发出到接收的实际传播时间，并根据校正点2和发射接收端4的理论距离，计算得出不同校正点2的超声波从发出到接收的理论传播时间，根据至少三组实际传播时间和理论传播时间，计算得到定日镜1的高度角和方位角的校正值，并将校正值反馈给定日镜控制装置6。发射接收端是固定的，通过实际传播时间和理论传播时间，可以计算出定日镜平面实际与理论对应的高度角和方位角，即实际定日镜的高度角和方位角、理论定日镜的高度角和方位角，两者相比较即可得到高度角和方位角的校正值。

定日镜控制装置6：根据校正值，控制调整定日镜1的高度角和方位角，以校正定日镜1的实际方位。

本实施利用超声波沿直线传播的特性及超声波测距原理实现定日镜1校正，其中，依据三点确定一个平面的原理，根据至少三组超声波的实际传播时间和理论传播时间的偏差，计算出定日镜1的实际方位和理论方位的偏差，并修正实际方位，有效避开了目前定日镜1校正系统对光强以及光源的要求和干涉，能够进行全天24小时不间断校正，且不受天气、太阳等因素限制和影响，达到了校正效率高、校正误差小、校正精度稳定的技术效果。

较优地，本实施例的校正点2和发射接收端4的理论距离，该理论距离为定日镜在无偏差方位状态下的校正点和发射接收端的距离，实际情况下由于定日镜存在偏差，校正点的实际位置和理论位置存在偏差。该理论距离通过在移动固定装置3设有的定位模块，获取移动固定装置3的定位坐标；超声波处理装置5根据移动固定装置3和发射接收端4的相对距离和定位坐标，计算得到发射接收端的发射位置坐标；超声波处理装置根据发射位置坐标和校正点的理论位置坐标，计算得到理论距离，其中，校正点之间的位置关系可通过发射接收端之间的位置关系获知，并通过定日镜已知的当前理论上设定的高度角和方位角，计算得到定日镜平面上的校正点的理论位置坐标。该技术特征，可很好地结合本实施例的车辆的定位模块，定位模块的定位坐标一则可以进行路径规划，对多面定日镜1进行全自动化的校正，二则可以根据定位模块和发射接收端4的相对位置关系，计算得到发射接收端4的坐标，从而得到发射接收端4和校正点2的距离，达到了降低成本、多面定日镜1自动化校准的技术效果。

本实施例利用发射接收端4的发射位置坐标和校正点2的理论位置坐标，计算校正点2和发射接收端4之间的理论距离，达到了运行维护成本低、校正误差小的技术效果。

较优地，定日镜控制装置6完成高度角和方位角的调整后，即校正定日镜1的实际方位完成后，超声波测量装置再发射并接收超声波，超声波处理装置5计算获得新的校正值，超声波处理装置5通过判断定日镜1校正后的新的校正值是否分布在预设的精度范围内，确定被校正的定日镜1是否完成校正：

如果新的校正值在预设精度范围以内，则认为被校正定日镜1完成校正；如果新的校正值在预设精度范围以外，则认为被校正定日镜1未完成校正，并以新的校正值进行再次的校正定日镜1的实际方位，并重新判断确认被校正的定日镜1是否完成校正；为防止定日镜1故障而引起的一直无法校正，本实施例的超声波处理装置5对一面定日镜1设定校正次数上限，如果同一面定日镜1的校正次数超过校正次数上限，则认为该定日镜1存在机械故障或者通讯故障，并跳出当前定日镜1的校正，以进行下一面定日镜1的校正工作。

较优地，超声波处理装置5还用于根据超声波的接受情况，设定定日镜1的高度角和方位角，以实现至少存在三个发射接收端发射并接收到超声波，该接收情况包括超声波发射后不能接收到反射的超声波、超声波发射后并接收反射的超声波，不能接收到反射的超声波可能是由于定日镜的高度角和方位角设定不合理，使超声波反射的方向不在发射接收端的接收范围内，该原因可通过调整高度角和方位角得到解决，也可能是定日镜出现故障，如定日镜平面不平整、有异物、定日镜底部驱动系统故障等等；定日镜控制装置6还用于接收超声波处理装置发送的高度角和方位角，并根据高度角和方位角，旋转定日镜至高度角和方位角确定的方位。

通过超声波处理装置5设定高度角和方位角，并通过定日镜控制装置6控制调整定日镜1的初始校正方位，以实现发射接收端4发射超声波后，能够接收到反射的超声波，由于定日镜1的初始校正方位会直接影响超声波的反射，所以需要调整定日镜1的初始校正方位到合理的位置，以和定日镜超声波校正系统之间形成合理的位置关系，解决了超声波的发射接收异常的技术问题，达到了快速稳定实现定日镜1校正的技术效果。

本实施例的定日镜超声波校正系统还具有以下技术效果：

在项目建设期，摆脱了定日镜1的镜场校正对于吸热器、吸热塔纠偏板施工进度的依赖，能够与镜场安装调试工作同步进行，可以有效缩短建设周期，达到校正成本低、校正效率高的技术效果；

在电站运行期，可以在夜晚对定日镜1场进行校正，不影响镜场白天的正常工作，不降低镜场可用率的情况下，还能够增加电站的发电量，达到发电资源使用最大化、校正对发电无影响化的技术效果。

实施例2

参看图2，本实施例提供一种定日镜超声波校正方法，包括以下步骤：

s1：选取定日镜的至少三个点作为校正点；

s2：设定定日镜的高度角和方位角，调整定日镜至高度角和方位角确定的初始方位，并根据高度角和方位角计算得到每个校正点的理论位置坐标；

s3：向每个校正点分别发射超声波，记录每束超声波的发射位置坐标，并根据发射位置坐标处接收到的定日镜反射的超声波，计算得到每束超声波的实际传播时间；

s4：根据发射位置坐标和理论位置坐标，计算得到每束超声波的理论传播时间；

s5：根据实际传播时间和理论传播时间，计算得到定日镜的高度角和方位角的校正值；

s6：根据校正值，修正高度角和方位角，以实现定日镜的校正。

现对上述步骤进行具体说明：

s1：选取定日镜的至少三个点作为校正点：

具体地，基于“三点确定一个平面”的原理，要对一个平面的方位确定，则至少需要三个点，故本实施例采用定日镜的至少三个校正点进行校正。

s2：设定定日镜的高度角和方位角，调整定日镜至高度角和方位角确定的初始方位，并根据高度角和方位角计算得到每个校正点的理论位置坐标：

具体地，根据定日镜和超声波的发射位置的相对位置关系，设定定日镜的高度角和方位角，以调整定日镜至初始方位。设定高度角和方位角，是为了使超声波发射后，经过定日镜反射后能在超声波的发射位置处接收，以实现对定日镜的超声波校正。

s3：向每个校正点分别发射超声波，记录每束超声波的发射位置坐标，并根据接收到的定日镜反射的超声波，计算每束超声波的实际传播时间：

具体地，包括以下步骤：

s31：向每个校正点分别发射不同频率的超声波，并记录每束超声波的发射位置坐标；

s32：若接收到定日镜反射的至少三束超声波，则计算得到至少三束超声波的实际传播时间；若接收到的定日镜反射的超声波少于三束，则重新执行步骤s2至步骤s3，直至接收到定日镜反射的至少三束超声波。

超声波的实际传播时间可根据超声波的发射时间节点和接收时间节点计算得到。

超声波的频率不同，可避免超声波之间的互相干扰，实际传播时间可根据超声波的发射和接收的时间节点进行计算得到。同样地，采用相同频率的超声波，分时发射也解决互相干扰的问题。

s4：根据发射位置坐标和理论位置坐标，计算每束超声波的理论传播时间：

具体地，根据发射位置坐标和理论位置坐标，可计算得到超声波发射位置和校正点之间的距离，而每束超声波的传播速度是已知的，故每束超声波的理论传播时间可以计算得到。

s5：根据实际传播时间和理论传播时间，计算得到定日镜的高度角和方位角的校正值：

具体地，由于超声波的发射位置是固定的，通过实际传播时间和理论传播时间，并结合超声波传播速率，可以计算出定日镜平面实际与理论对应的高度角和方位角，即实际定日镜的高度角和方位角、理论定日镜的高度角和方位角，两者相比较即可得到高度角和方位角的校正值。

s6：根据校正值，校正高度角和方位角，以实现定日镜的校正：

具体地，包括以下步骤：

s61：若校正值在允许精度误差内，则保持当前的高度角和方位角不变；

s62：若校正值超出允许精度误差，则校正高度角和方位角，以实现定日镜的校正，并重新执行步骤s3至s6，直至校正值在允许精度误差内。

校正值既可校正高度角和方位角的，也可检验当前定日镜的方位精度误差，校正值设定了一个允许精度误差范围，对于校正值超出该允许精度误差，需要用校正值进行定日镜的校正，对于校正值不超出该允许精度误差，则定日镜不需要进行校正。

较优地，在步骤s6中，设置重新校正的校正次数上限，若对于一面定日镜校正的次数超过校正次数上限，则认为定日镜出现故障，停止对定日镜的校正。

参看图2，基于本实施例的定日镜超声波校正方法，对于多面定日镜的校正的进行方法使用说明：

根据多面定日镜的坐标，设定待校正列表，选定需要校正的定日镜，并选取至少三个校正点；

计算定日镜旋转角度初始值，以实现超声波能够发射，经过定日镜反射后，能在超声波发射位置接收到超声波；

根据定日镜的旋转角度初始值，旋转调整定日镜的方位，调整完后，向校正点发射超声波；

根据接收超声波的情况，并累计定日镜的初始方位的验证次数：若在验证次数范围内，调整计算精度，重新计算定日镜旋转角度初始值，以重新调整定日镜的初始方位，以实现超声波能够发射，经过定日镜反射后，能在超声波发射位置接收到超声波；若超出验证次数，则认为定日镜存在故障；若接收到至少三个超声波，形成三组超声波的发射接收信息，即传播信息，件传播信息反馈至超声波处理系统，即本实施例的超声波处理装置；

超声波处理装置对超声波分析计算，得出定日镜旋转修正值，即本实施例的校正值；

验证修正值是否在预设校正精度范围内，并记录定日镜重新校正的验证次数：若修正值不在校正精度范围，则执行校正调整定日镜的实际方位，并对校正后的定日镜重新发射超声波，进行新的修正值的验证；若定日镜重新校正的验证次数超出限制，则认为定日镜出现故障；若修正值在校正精度范围内，则认为该定日镜不需要进行校正；

当前定日镜完成校正或认为出现故障或不需进行校正，则根据待校正列表对下一面定日镜执行如上述的步骤的超声波校正。

本实施例的定日镜超声波校正方法具有以下优势：

本实施例利用超声波沿直线传播的特性及超声波测距原理实现定日镜校正，其中，依据三点确定一个平面的原理，根据至少三组超声波的实际传播时间和理论传播时间的偏差，计算出定日镜的实际方位和理论方位的校正值，并修正实际方位，有效避开了目前定日镜校正系统对光强以及光源的要求和干涉，能够进行全天24小时不间断校正，且不受天气、太阳等因素限制和影响，达到了校正效率高、校正误差小、校正精度稳定的技术效果；

本实施例利用发射接收端的发射位置坐标和校正点的理论位置坐标，计算校正点和发射接收端之间的距离，达到了运行维护成本低、校正误差小的技术效果；

本实施例在项目建设期，摆脱了镜场校正对于吸热器、吸热塔纠偏板施工进度的依赖，能够与镜场安装调试工作同步进行，可以有效缩短建设周期，达到成本低、校正效率高的技术效果；

本实施例在电站运行期，可以在夜晚对定日镜场进行校正，不影响镜场白天的正常工作，不降低镜场可用率的情况下，还能够增加电站的发电量，达到发电资源使用最大化、校正对发电无影响化的技术效果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。