CN102929299A - 一种定日镜机械误差校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定日镜机械误差校准的方法。是基于塔式太阳能集热***定日镜实时跟踪太阳装置***的应用，利用摄像机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置，光斑的质心位置与指定位置相比较，如有偏差，说明定日镜发生了机械误差，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑时定日镜的高度角和方位角以及定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标，通过计算模型推算出发生偏差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标，将定日镜质心的偏移量，通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，建立新的定日镜中心点，并在以此为原点的坐标系下确定集热器指定的位置坐标，以发生机械误差后的定日镜为基准，再次计算发送至该定日镜跟踪并投射光斑的数据，达到高效率跟踪并且投射太阳光斑的目的。

Description

一种定日镜机械误差校准的方法

技术领域

本发明涉及塔式太阳能集热***技术领域，特别是一种定日镜机械误差校准的方法。

背景技术

定日镜在长期运行过程中，由于风力、重力等外力因素使定日镜支撑框架结构发生变形，致使定日镜跟踪并投射光斑时发生误差，这种误差叫做机械误差。为了保证定日镜能够高精度投射光斑，研究开发机械误差的校准方法与装置是必要的。

目前，现有技术可以实现镜场安装时的定日镜与集热器准确对正，且能对镜场长期运行中对因机械变形和地基沉降产生的误差进行校正。但是不足之处在于：现有技术只是针对某一时刻的机械误差进行了校正，但不能实现任一时段跟踪行程的机械误差校准功能，即除机械误差被校准的时刻之外，其他时刻定日镜仍然存在机械误差或投射光斑时误差比较大，需要对其再次进行校准，所需时间较多，成本增大。

发明内容

本发明为了解决现有技术机械误差校准的缺陷，提出了一种定日镜机械误差校准的方法。

本发明按照下述方案实现：

一种定日镜机械误差校准的方法，是基于塔式太阳能集热***定日镜实时跟踪太阳装置***的应用，利用摄像机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置，光斑的质心位置与指定位置相比较，如有偏差，说明定日镜发生了机械误差，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑时定日镜的高度角和方位角以及定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标，通过计算模型推算出发生偏差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标，将定日镜质心的偏移量，通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，建立新的定日镜中心点，并在以此为原点的坐标系下确定集热器指定的位置坐标，以发生机械误差后的定日镜为基准，再次计算发送至该定日镜跟踪并投射光斑的数据，达到高效率跟踪并且投射太阳光斑的目的；

发生机械误差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标由以下模型推导得到：

$x_0=a_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_1...\left(1\right)$

$y_0=b_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_2...\left(2\right)$

$z_0=h_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_3...\left(3\right)$

其中，(1)、(2)和(3)式中的变量a，b，c由以下公式计算

a=ω₁ ²+ω₂ ²-ω₃ ²…………………………………………………(4)

b=(2×l+2×h₀)×ω₃-2×a₀×ω₁-2×b₀×ω₂…………………………(5)

c=a₀ ²+b₀ ²-h₀ ²-2×l×h₀…………………………………………(6)

其中，(4)、(5)和(6)式中的变量ω₁，ω₂，ω₃由以下公式计算

其中，(7)、(8)和(9)式中的变量

由以下公式计算

以上公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)中符号的解释说明如下所示：

HS：表示太阳的高度角，即太阳光线与水平面(地面)之间的夹角(或太阳光线与竖直方向之间的夹角90°-HS)，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

AS：表示太阳的方位角，即太阳光线在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°(或-180°至180°)；

G：表示定日镜的高度角，即定日镜的法线与水平面(地面)的夹角(或定日镜面与水平面的夹角(90°-G))，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

F：表示定日镜的方位角，即定日镜法线(或定日镜面)在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°或(-180°至180°)；

l：表示定日镜支架的高度，即定日镜中心点与水平面(地面)之间的垂直距离(最短距离)，单位是米(m)；

ω₁，ω₂，ω₃，

表示计算过程中涉及的中间变量，没有实际意义；

a₀，b₀，h₀：表示摄像机拍摄偏移光斑的质心点坐标，即光斑质心点相对于以发生机械误差前定日镜质心点为坐标原点的空间直角坐标系中的坐标为(a₀，b₀，h₀)，单位是米(m)；

x₀，y₀，z₀：表示相对于原来坐标系下定日镜新的中心点的位置，单位是米。

本发明能够高精度校准定日镜机械造成的误差，校准所需的时间短，提高了定日镜的工作效率；数学模型保证了校准的精度；本发明可以完全校准机械造成的定日镜跟踪的误差。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明处理方法示意图。图中：1-发生机械误差后定日镜质心位置；2-未校准机械误差前定日镜质心位置；3-校准面上实际光斑位置；4-集热器中心点；5-校准面的中心点；6-计算机；7-照相机(或摄像机)。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的步骤为：第一步：基于定日镜实时跟踪太阳，利用照相机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置：

其一，通过摄像机观察到光斑的质心位置与指定位置吻合(重合)，说明没有误差；

其二，通过摄像机观察到光斑的质心位置与指定位置有偏差(不重合)，说明跟踪过程中出现了误差，此误差来源于机械误差。

第二步：用摄像机拍摄集热器上实际光斑，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑定日镜的高度角和方位角、定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标；

第三步：图像分析。利用图像分析的方法计算第二步拍摄的集热器上实际光斑质心点坐标；

第四步：利用以下公式计算定日镜实际中心点的位置坐标，如下：

$x_0=a_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_1...\left(1\right)$

$y_0=b_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_2...\left(2\right)$

$z_0=h_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_3...\left(3\right)$

其中，(1)、(2)和(3)式中的变量a，b，c由以下公式计算

a=ω₁ ²+ω₂ ²-ω₃ ²……………………………………………………(4)

b=(2×l+2×h₀)×ω₃-2×a₀×ω₁-2×b₀×ω₂……………………(5)

c=a₀ ²+b₀ ²-h₀ ²-2×l×h₀…………………………………………(6)

其中，(4)、(5)和(6)式中的变量ω₁，ω₂，ω₃由以下公式计算

其中，(7)、(8)和(9)式中的变量

由以下公式计算

以上公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)中符号的解释说明如下所示：

HS：表示的是太阳的高度角，即太阳光线与水平面(地面)之间的夹角(或太阳光线与竖直方向之间的夹角90°-HS)，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

AS：表示太阳的方位角，即太阳光线在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°(或-180°至180°)；

G：表示定日镜的高度角，即定日镜的法线与水平面(地面)的夹角(或定日镜面与水平面的夹角(90°-G))，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

F：表示定日镜的方位角，即定日镜法线(或定日镜面)在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°或(-180°至180°)；

l：表示定日镜支架的高度，即定日镜中心点与水平面(地面)之间的垂直距离(最短距离)，单位是米(m)；

ω₁，ω₂，ω₃，

表示计算过程中涉及的中间变量，没有实际意义；

a₀，b₀，h₀：表示摄像机拍摄偏移光斑的质心点坐标，即光斑质心点相对于以发生机械误差前定日镜质心点为坐标原点的空间直角坐标系中的坐标为(a₀，b₀，h₀)，单位是米(m)；

x₀，y₀，z₀：表示相对于原来坐标系下定日镜新的中心点的位置，单位是米(m)。

第五步：坐标系转换。将定日镜质心的偏移量通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，基于以新的定日镜中心点为原点的坐标系下确定集热器中心的位置坐标；

第六步：基于新的定日镜中心点坐标，继续实时跟踪太阳。

以上的过程如图1所示。

实施例：

1)用摄像机拍摄集热器位置，检验经定日镜反射的光斑是否打在集热器的指定位置，如果打在光斑处在目标点的位置，则证明没有发生机械误差；否则，拍摄光斑在集热器上实际位置图像，如图2所示；

2)用图像分析的方法的找到所拍实际光斑的中心位置作为利用以上数学模型的已知条件；

记录数据：包括定日镜的高度角和方位角、太阳的高度角和方位角、指定点的位置坐标和实际点的位置坐标；将这些数据同样作为数学模型的已知条件；

4)使用数学模型进行新的指定点位置的计算：

假设定日镜质心发生机械误差，利用拍摄的实际光斑计算出新的质心位置，并且通过坐标变换得到新的指定点的实际位置坐标，校准之后再找机会拍摄光斑的图像，如果光斑投射到指定点处，机械误差已校准，否则重新拍照重复1)、2)、3)步，直到光斑投射在指定点处为止；

5)若以上校准完毕之后发现光斑仍然未打在指定点处，说明定日镜没有发生机械误差，导致这个现象的原因可能是其他原因。

Claims (2)

1.一种定日镜机械误差校准的方法，是基于塔式太阳能集热***定日镜实时跟踪太阳装置***的应用，利用摄像机拍摄的图片判断集热器上光斑的位置，光斑的质心位置与指定位置相比较，如有偏差，说明定日镜发生了机械误差，记录此刻太阳的高度角和方位角、形成偏差光斑时定日镜的高度角和方位角以及定日镜支架的高度和相对于定日镜集热器中心点的位置坐标，通过计算模型推算出发生偏差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标，将定日镜质心的偏移量，通过坐标系转换转化到集热器质心点的偏移量，建立新的定日镜中心点，并在以此为原点的坐标系下确定集热器指定的位置坐标，以发生机械误差后的定日镜为基准，再次计算发送至该定日镜跟踪并投射光斑的数据，达到高效率跟踪并且投射太阳光斑的目的。

2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，发生机械误差后定日镜的质心点相对于原定日镜质心位置的坐标由以下模型推导得到：

$x_0=a_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_1...\left(1\right)$

$y_0=b_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_2...\left(2\right)$

$z_0=h_0-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\×a\×c}}{2\×a}\×{\mathrm{\ω}}_3...\left(3\right)$

其中，(1)、(2)和(3)式中的变量a，b，c由以下公式计算

a=ω₁ ²+ω₂ ²-ω₃ ²…………………………………………………(4)

b=(2×l+2×h₀)×ω₃-2×a₀×ω₁-2×b₀×ω₂…………………………(5)

c=a₀ ²+b₀ ²-h₀ ²-2×l×h₀…………………………………………(6)

其中，(4)、(5)和(6)式中的变量ω₁，ω₂，ω₃由以下公式计算

其中，(7)、(8)和(9)式中的变量由以下公式计算

以上公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)中符号的解释说明如下所示：

HS：表示太阳的高度角，即太阳光线与水平面(地面)之间的夹角(或太阳光线与竖直方向之间的夹角90°-HS)，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

AS：表示太阳的方位角，即太阳光线在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°(或-180°至180°)；

G：表示定日镜的高度角，即定日镜的法线与水平面(地面)的夹角(或定日镜面与水平面的夹角(90°-G))，单位是度(°)，取值范围是0°至90°；

F：表示定日镜的方位角，即定日镜法线(或定日镜面)在水平面(地面)上的垂直投影线与正北(或正南、正西、正东)方向之间的夹角，单位是度(°)，取值范围是0°至360°或(-180°至180°)；

l：表示定日镜支架的高度，即定日镜中心点与水平面(地面)之间的垂直距离(最短距离)，单位是米(m)；

ω₁，ω₂，ω₃，

表示计算过程中涉及的中间变量，没有实际意义；

a₀，b₀，h₀：表示摄像机拍摄偏移光斑的质心点坐标，即光斑质心点相对于以发生机械误差前定日镜质心点为坐标原点的空间直角坐标系中的坐标为(a₀，b₀，h₀)，单位是米(m)；

x₀，y₀，z₀：表示相对于原来坐标系下定日镜新的中心点的位置，单位是米。

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