CN103562652A - 太阳光聚光系统 - Google Patents

Abstract

提供一种太阳光聚光系统，其具备校正由风压造成的反射镜的倾斜的结构。太阳光聚光系统(100)具备定日镜(2)、风向风速仪(4)以及控制器(10)。定日镜(2)具有调整反射镜(26)的朝向的电动机(23)。控制器(10)向电动机(23)输出目标角度指令。目标角度包含目标角度第一成分和目标角度第二成分。以使反射光朝向预定的目标位置的方式确定目标角度第一成分。根据由风向风速仪(6)测量出的风向和风速，与由风压产生的致动器输出轴和反射镜支承轴之间的扭转角的估计值对应地确定目标角度第二成分。

Description

太阳光聚光系统

技术领域

本申请基于2011年5月24日申请的日本专利申请第2011-115395号要求优先权。在本说明书中通过参照而援引该申请的全部内容。本发明涉及一种使用了定日镜的太阳光聚光系统。

背景技术

获取电能或热能的系统之一中存在利用太阳光的系统。某种太阳光利用系统为了高效地利用太阳光，而具备将太阳光聚集到一点的聚光系统。已知一种被称为定日镜的设备，以将太阳光聚集到一点。定日镜由反射镜(通常是平缓的凹透镜)和调整该反射镜的朝向的致动器构成。

关于定日镜，与太阳的运动同步地调整反射镜的朝向，使得反射光始终聚集到配置在预定的一点(目标点)的接收器。为了使反射光始终朝向接收器而需要精密地控制反射镜的朝向。与使太阳能电池板大致朝向太阳即可的发电系统不同，定日镜要求高的控制精度。在非专利文件1：“PERFORMANCEOF SOLAR CONCENTRATOR CONTROL SYSTEM”,Kenneth W.Stone,Charles W.Lopez,Proceedings of Joint Solar Engineering Conference,ASME1994中，介绍了对定日镜的控制性能的考察。

发明内容

如在非专利文件1中介绍的那样，基本上根据太阳的位置(方位角和迎角)来决定反射镜的朝向(方位角和迎角)。即，根据太阳的位置调整反射镜的朝向，使得反射光朝向接收器。但是，当风强时由于风压而反射镜倾斜，反射光有可能偏离接收器。当反射光稍微偏离接收器时，聚光效率也极端降低。本说明书提供一种太阳光聚光系统，其具备校正由风压造成的反射光的方向的偏离的结构。

本说明书所公开的太阳光聚光系统具备定日镜和控制器。定日镜如上所述，具有调整反射镜的朝向的致动器。致动器典型的可以是电动机。控制器向致动器输出目标角度指令。本说明书所公开的系统的特征在于，还具备风向风速仪，控制器根据太阳的位置、由风向风速仪测量出的风向和风速，决定目标角度指令值。

更具体地说，由控制器决定的目标角度指令是将根据太阳的位置决定的目标角度第一成分加上根据风向和风速决定的目标角度第二成分所得到的。以使反射光朝向预定的目标位置(接收器的位置)的方式确定目标角度第一成分。目标角度第二成分对应于由风压产生的致动器输出轴与反射镜支承轴之间的扭转角的估计值。该目标角度第二成分的存在用于校正由风压造成的反射光的方向的偏离。此外，致动器和反射镜支承轴经由减速机连结，因此“扭转角”也相当于减速机的输入轴与输出轴之间的扭转角。

本说明书所公开的技术适合于不直接测量反射镜的朝向的系统。更具体地说，本说明书所公开的技术在控制器具有不反馈致动器输出轴的角度或反射镜的角度的开环的控制系统的情况、或具有控制致动器使得致动器的输出轴的旋转角与目标角度之间的偏差为零的反馈控制系统的情况下有效。本说明书所公开的系统利用目标角度第二成分补偿由风压造成的反射镜的倾斜，来代替直接测量反射镜的朝向并进行反馈。

附图说明

图1是太阳光聚光系统的整体图。

图2是定日镜的控制框图。

图3是说明因风压而施加到反射镜支承轴上的力矩的图。

具体实施方式

图1示出实施例的太阳光聚光发电系统100的概要图。以下，将太阳光聚光发电系统100简称为系统100。该系统100通过多个定日镜2将太阳光聚集到接收器9来进行发电。在接收器9配置有汽化装置，通过聚集的太阳光的热来加热水，从而生成蒸汽。蒸汽通过能源塔8被送到涡轮发电机(未图示)。由于太阳光而生成的蒸汽驱动涡轮，从而产生电力。

在系统100中，还具备：太阳追踪传感器6，其测量太阳光的位置(方位角和迎角)；风向风速仪4，其测量在系统100的附近流动的风的风向和风速；以及控制器10，其控制定日镜2。

在定日镜2中内置有电动机23和减速机25，能够通过它们调整反射镜26的朝向。控制器10主要根据太阳追踪传感器6的传感器数据获取太阳的位置，控制反射镜26的朝向使得太阳光的反射光到达接收器9。具体地说，控制器10根据太阳的位置和接收器9的位置计算反射镜的目标角度，将该角度作为指令值(目标角度指令)输出到电动机23的驱动器。此外，反射镜26稍微弯曲成凹面，使得反射光聚焦在接收器9的位置。

另外，控制器10根据风向风速仪4的传感器数据获取在系统100的附近流动的风的风向和风速的数据，根据这些数据，对根据太阳追踪传感器6的传感器数据计算出的目标角度指令进行校正。将校正值定为补偿反射镜26受到风压而倾斜的角度的大小。控制器10针对多个定日镜分别计算包含校正值的目标角度指令，并发送到各定日镜的电动机的驱动器。此外，各定日镜2具备方位角和迎角的双轴的驱动机构，还对每个轴分别计算目标角度指令。但是，以下为了简化说明，而将反射镜的驱动轴假定为单轴来进行说明。

图2示出控制器10和定日镜2的控制框图。此外，图2示出与一个定日镜有关的控制模块。对各定日镜准备了同样的控制模块。以下，将根据太阳追踪传感器6的传感器数据以使太阳光到达接收器9的方式计算出的反射镜的角度称为目标角度第一成分Ar1，将补偿由风向和风压造成的反射镜的倾斜的补偿值称为目标角度第二成分Ar2。目标角度第一成分Ar1和目标角度第二成分Ar2相加所得的值相当于目标角度Ar。

参照图2，先说明定日镜2的构造。反射镜26经由支承轴27与减速机25的输出轴连结。另一方面，电动机23的输出轴23a与减速机25的输入轴连结。换言之，反射镜26经由减速机25与电动机23连结。作为一个例子，减速机25具有8000左右的减速比。在电动机23的输出轴23a具备角度传感器24。具体地说，角度传感器24是编码器，输出轴每转一圈输出100个脉冲。换言之，该编码器的分辨率是100PPR(Pulse Per Potation：每圈脉冲数)。在减速比是8000的情况下，该编码器的减速机输出轴的分辨率为800，000PPR。但是，如后文所述，由于反射镜26所受到的风压的影响而在减速机的输入轴与输出轴之间产生扭转，因此无法将角度传感器24(编码器)的传感器数据视为反射镜的实际的倾斜角度。即使这样，控制器10也根据角度传感器24的传感器数据控制电动机。系统100根据由风向风速仪4测量出的风向和风速，补偿在减速机的输入轴与输出轴之间产生的扭转。

如上所述，角度传感器24的传感器数据表示电动机23的输出轴的旋转角度。该角度被发送到变换部21。在变换部21中，将电动机23的输出轴的旋转角度换算为反射镜26的角度并进行输出。变换部21的输出作为反射镜的估计角而在电动机23的反馈控制中使用。

电动机23被驱动器22驱动。驱动器22从控制器10接收角度指令，根据该角度指令驱动电动机23。此外，具体地说，电动机23由驱动器22进行电流控制(即转矩控制)，但在图2中省略了详细内容，假定为根据角度指令来驱动电动机23和驱动器22来继续进行说明。

说明控制器10。控制器10获取太阳追踪传感器6的传感器数据，第一运算单元34计算使反射光朝向接收器9的反射镜角度(目标角度第一成分Ar1)。在通常的聚光系统中也实施根据太阳的位置和接收器9的位置计算反射镜的角度的运算，因此省略详细的说明。

另外，控制器10的第二运算单元32根据风向风速仪4的传感器数据，计算对由风压产生的反射镜的倾斜进行补偿的补偿值(目标角度第二成分Ar2)。在后面具体说明目标角度第二成分Ar2。将目标角度第一成分Ar1和第二成分Ar2相加，成为目标角度指令值Ar。在控制器10内，将目标角度指令值Ar与基于角度传感器24的传感器数据而得到的反射镜的估计角之差发送到驱动器22。因而，控制器10控制定日镜2使得反射镜26的角度与目标角度指令Ar一致。电动机23在相当于反射镜的估计角度(As1+As2)的角度处停止。以下，角度As1表示与目标角度第一成分Ar1对应的反射镜的实际的角度，角度As2表示与目标角度第二成分Ar2对应的实际的角度。

说明对由风向和风速引起的反射镜的倾斜进行补偿的补偿值(目标角度第二成分Ar2)。如果现在没有风，则能够用将电动机输出轴23a的旋转角乘以减速机25的减速比所得的值表示反射镜26的角度。这时，反射镜26的实际的角度As与目标角度Ar相等。另外，风向风速仪4的传感器数据是零，因此目标角度第二成分Ar2是零。即，如果没有风，则控制器10输出的目标角度指令Ar是Ar1，反射镜的实际的角度也成为与目标角度第一成分Ar1对应的值、即角度As1。如果反射镜的实际的角度是As1，则反射光准确地朝向接收器9。

反射镜是巨大的平板，因此在受到风压时产生相当的力。以下将该力称为风压负荷F。受到该风压负荷F，从而在电动机的输出轴(减速机的输入轴)与反射镜支承轴(减速机的输出轴)之间产生扭转。因此，在基于对电动机23的输出轴23a的角度进行测量的角度传感器24的传感器数据而得到的反射镜的估计角度与实际的角度之间产生偏离。目标角度第二成分Ar2用于对该偏离进行补偿。

参照图3说明目标角度第二成分Ar2的计算过程的一个例子。此外，虽然重复，但在本实施例中为了容易理解说明，而将反射镜的旋转限定为单轴来进行说明。图3是从该支承轴27的长度方向观察反射镜26的图。能够用下式(式1)表示反射镜26由于风压而受到的风压负荷F。

[式1]

F=Cw×q×Aw   (式1)

在此，系数Cw是风力系数，在受压面(反射镜的表面)是矩形的情况下，Cw=1.2。变量Aw是受压面的面积。如图3所示，在将反射镜26的平面与风向所成的角度设为Ta、反射镜的面积设为S时，Aw=S×cos(Ta)。变量q被称为设计用速度压力，表示风速V的影响。由下式(式2)给出设计用速度压力q。

[式2]

q=0.6×V²×E×I   (式2)

在(式2)中，E是环境变量，I是用途变量。在日本工业规格(JIS)中详细说明了式1、式2。在JIS中也定义了风力系数Cw、环境变量E以及用途变量I。详细请参照“JIS C8955”。

如图3所示，假定风压负荷F集中作用于反射镜26的中心C。在将从支承反射镜26的支承轴27的中心到反射镜中心的距离设为d时，通过下式(式3)求出因风压而作用于支承轴27的力矩M。

[式3]

M=F×d×cos(Ta)   (式3)

由于该力矩M而扭转支承轴27。现在，在将电动机的输出轴23a(减速机的输入轴)与反射镜支承轴27(减速机的输出轴)之间的扭转刚度设为K时，用M=K×As2表示因风压造成的扭转角度As2(反射镜的倾斜度)。结果能够用下式(式4)表示因风压造成的反射镜的倾斜度Ar2。

[式4]

$\mathrm{Ar}2=\frac{1}{K}\×\mathrm{Cw}\×q\×\mathrm{Aw}\×d\×\cos \left(\mathrm{Ta}\right)$    (式4)

用(式4)求出的角度Ar2相当于目标角度第二成分。如(式2)所示那样，在设计用速度压力q中包含风速V。另外，反射镜26的平面与风向所成的角度Ta与风向相等。通过风向风速仪4测量风速V和风向Ta。

图2的第二运算单元32根据(式4)，计算对由风向和风压造成的反射镜的倾斜进行补偿的补偿值、即目标角度第二成分Ar2。如图2所示，在目标角度指令值Ar=Ar1+Ar2时，电动机23的输出轴23a成为与目标角度指令值Ar对应的角度。这时的输出轴23a的角度应该相当于反射镜支承轴的角度As1+As2。但是，在电动机23的输出轴23a与反射镜的支承轴27之间产生由风压造成的扭转，因此实际上反射镜支承轴27的角度不为As1+As2。反射镜支承轴27由于风压而扭转角度As2。该扭转角As2被目标角度第二成分Ar2抵消，因此结果实际的反射镜的角度成为As1。这样，即使在风中，反射镜26的角度也为As1，反射光准确地朝向接收器。

如上所述，利用包含对因风压造成的反射镜的倾斜进行抵消的补偿值(目标角度第二成分)的目标角度指令值来调整反射镜的角度，由此即使在风中反射光也能够准确地朝向接收器9。

针对实施例的系统100说明注意点。在实施例的系统100中，采用了电动机的输出轴的旋转角度的反馈控制。在电动机驱动器的性能足够高的情况下，对于电动机输出轴的旋转角也可以采用开环控制。

另外，在实施例中，使用太阳追踪传感器以获取太阳的位置，但也可以根据GPS数据(经度、纬度、日期时间)通过计算求出太阳的位置来代替它。

另外，控制器10输出的目标角度指令除了目标角度第一成分Ar1、第二成分Ar2以外，还可以包含第三成分。在此，将目标角度第三成分定为补偿由于反射镜的自重而产生的反射镜的倾斜的大小。

通过实验等预先求出电动机的输出轴23a(减速机的输入轴)与反射镜支承轴27(减速机的输出轴)之间的扭转刚度K即可。

以上，详细说明了本发明的具体例子，但这些只不过是示例，并不是对专利权利要求书的限定。在专利权利要求书所记载的技术中，包含对以上示例的具体例子进行各种变形、变更所得的技术。在本说明书或附图中说明的技术要素单独或通过各种组合来发挥技术有用性，并不限于申请时权利要求所记载的组合。另外，本说明书或附图所示例的技术能够同时达到多个目的，达到其中一个目的的技术自身具有技术有用性。

Claims (4)

1.一种太阳光聚光系统，其特征在于，具备：

定日镜，其具有调整反射镜的朝向的致动器；

控制器，其向致动器输出目标角度指令；以及

风向风速仪，

其中，控制器根据太阳的位置以及由风向风速仪测量出的风向和风速，决定目标角度指令值。

2.根据权利要求1所述的太阳光聚光系统，其特征在于，

由控制器决定的目标角度指令是将根据太阳的位置决定的目标角度第一成分与根据风向和风速决定的目标角度第二成分相加所得到的。

3.根据权利要求1或2所述的太阳光聚光系统，其特征在于，

还具备测量致动器的输出轴的旋转角的角度传感器，控制器对致动器进行控制使得通过角度传感器测量出的测量角与目标角度之间的偏差为零。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的太阳光聚光系统，其特征在于，

以使反射光朝向预定的目标位置的方式确定目标角度第一成分，目标角度第二成分对应于由风压产生的致动器输出轴与反射镜支承轴之间的扭转角的估计值。

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