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摘 要：在环保要求越来越重要的今天，太阳能光热电站在清洁能源利用中的地位越来越重要，太阳能的合理与充分利用有利于提高光热电站效率。太阳能光热发电技术是指利用聚光器收集太阳能，通过接收器转换成热能，加热工质，驱动热动力装置进行发电的技术;定日镜是塔式太阳能光热电站太阳光热能重要组成部分。该文重点介绍定日镜部件组成、坐标系确定以及校准工作，用于后续项目定日镜调试借鉴参考。
關键词：太阳能光热 定日镜 控制 校准
中图分类号：TK51 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0053-02
1 定日镜组成
定日镜是一种由镜面（反射镜）、镜架（支撑结构）、传动机构、跟踪及控制系统等组成的聚光装置，用于跟踪接收并聚集反射太阳光线集中于光塔顶部的吸热器上，是塔式太阳能光热发电的主要装置之一。定日镜对太阳跟踪，由液压驱动器来完成，基于方位角和高度角的液压缸组成，各液压缸通过电磁方向控制阀动作来完成定日镜的水平向方位转动和俯仰动作。校准靶板布置在吸热器下方，呈圆柱形布置，平均分布在光塔周围，每9个两种尺寸的圆点按照“田”字型布置组成一个校验靶板，大的圆点直径1.7m，小的圆点直径0.85m，中心的圆点被确定为参照测量点。
2 定日镜坐标系确定
为了便于计算分析定日镜的方位角，引用笛卡尔坐标系，分别建立绝对坐标系和就地坐标系。定日镜高度角的确定相对简单，因为在绝对坐标和就地坐标中的高度角是一致的。在绝对坐标系中，定日镜的方位角以地理北极正北方为零度。该坐标参数用于追日程序的运算，得出实时定日镜方位角和高度角，再根据光塔的坐标，可计算出定日镜在就地坐标系中的方位角和高度角。在就地坐标系中，定日镜的方位角以吸热器方向为零度。
3 镜面方位角、高度角确定
3.1 太阳在天空中的位置可以用高度角和方位角表示
在计算太阳高度角和方位角时，通常采用地平坐标系。根据以往的研究，太阳高度角hs是太阳光向量与地平面的夹角，太阳方位角θs是太阳光向量在地平面上的投影与正北方向的夹角。太阳高度角和方位角的表达式如下[1]：
sinhs=sinδ·sin?+cosδ·cos?·cosω
cosθs=（sinhs·sin?-sinδ/（coshs·cos?）
其中，δ为太阳赤纬角;?为当地的纬度;ω为太阳时角。
3.2 定日镜镜面法线的方位角与高度角计算公式
令，定日镜镜面法线的方位角与高度角表达式为[2]：
tan?=（cos?t·sinht+cos?s·sinhs）/（cos?t·cosht+cos?s·coshs）
sinh=（sinht+sinhs）/
其中，h为定日镜法线高度角，?为方位角;hs为太阳高度角，?s为太阳方位角;ht定日镜中心点与吸热器目标点连接线与地平面之间的夹角，?t为定日镜中心点与吸热器目标点连线在地面的投影与正南方之间的夹角。
4 光学校准
为了减小定日镜的指向和跟踪误差，以便它们可以将最大的太阳辐射集中到吸热器的给定点上，减小吸热器的辐射能量溢出，必须对定日镜进行光学校准。校准过程就是将定日镜反射的太阳辐射定位到校准目标靶板上，HCS将继续处理和分析聚焦该在目标的相机捕获的图像，以便可以测量和减小指向误差。
定日镜校准系统（HCS）管理定日镜的校准计划和校准，通过校准程序修正定日镜的指向偏差。定期评估每个定日镜指向偏差，按照计划定期对校准。定日镜光学校准是通过校准软件中的图像采集识别软件，调整图像灰度值来捕捉定日镜反射至校准靶板上的光斑的几何中心，自动计算光斑中心与校准靶板的实际中心的偏差，如果偏差超过跟踪精度，校准系统会发出指令至SCS（镜场控制系统），SCS根据校准系统提供的偏差来移动定日镜，再次执行计算偏差，如果偏差低于允许值，校准完成，否则重复执行校准程序，直到偏差合格。
校准系统数据库中储存了每台定日镜和目标靶板在绝对坐标系中的3D坐标，图像处理软件根据定日镜和目标靶心的绝对坐标系中的坐标，以及光斑中心与靶心的位置距离偏差，自动计算定日镜法线的方位角和高度角的偏差，并自动计算修正量如图1所示。
校准工作结束后，所有校准参数包括校准过程中图像（带光斑的校准靶板图像、不带光斑的靶板图像）、修正量（当前的修正量、上次校准时的修正量）、校准过程中风速、光照强度等参数，会自动形成数据库文件（DB）并保存在SCS系统，数据库参数可以通过PDT和操作员站查看和加载。
5 光斑图像中光斑几何中心计算方法
启动定日镜跟踪准确度测量系统的CCD相机采集图像，利用目标靶上4个黑色直角框标定出目标靶中心（xc，yc）。分割采集的每帧光斑灰度图像的光斑与背景，并以光斑内像素的总量作为光斑的面积。以与此面积相等的正方形作为光斑图像中提取光斑的裁剪窗，用该裁剪窗在整个光斑图案上进行截取，以所有截取窗口内灰度值总量最大的位置作为光斑有效区域，光斑有效区域的几何中心即为光斑中心。
6 结语
定日镜是塔式太阳能光热电站的重要组成部分，其校准工作是塔式光热电站安全稳定运行的基础，通过对定日镜的组成、定日镜坐标系确定、镜面方位角和高度角的确定、光学校准、光斑图像中光斑几何中心计算方法的研究进行校准，校准阶段必须全面检验各报警参数和限位的准确性和可靠性，才能确保定日镜的日常准确性，确保太阳能光热发电设备正常运行。
参考文献
[1] 姚梦凯，黄文君.太阳能热发电聚光系统的建模与控制策略研究[D].浙江大学，2012.
[2] T/GRLM 02-2014，国家太阳能光热产业技术创新战略联盟.太阳定日镜跟踪准确度测量方法[EB/OL].[2014-08-28].https：//www.docin.com/p-2035427569.html.
[3] 姚志豪.国内外太阳能热发电发展现状及趋势报告[EB/OL].中华能源网，2017-08-13.
關键词：太阳能光热 定日镜 控制 校准
中图分类号：TK51 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0053-02
1 定日镜组成
定日镜是一种由镜面（反射镜）、镜架（支撑结构）、传动机构、跟踪及控制系统等组成的聚光装置，用于跟踪接收并聚集反射太阳光线集中于光塔顶部的吸热器上，是塔式太阳能光热发电的主要装置之一。定日镜对太阳跟踪，由液压驱动器来完成，基于方位角和高度角的液压缸组成，各液压缸通过电磁方向控制阀动作来完成定日镜的水平向方位转动和俯仰动作。校准靶板布置在吸热器下方，呈圆柱形布置，平均分布在光塔周围，每9个两种尺寸的圆点按照“田”字型布置组成一个校验靶板，大的圆点直径1.7m，小的圆点直径0.85m，中心的圆点被确定为参照测量点。
2 定日镜坐标系确定
为了便于计算分析定日镜的方位角，引用笛卡尔坐标系，分别建立绝对坐标系和就地坐标系。定日镜高度角的确定相对简单，因为在绝对坐标和就地坐标中的高度角是一致的。在绝对坐标系中，定日镜的方位角以地理北极正北方为零度。该坐标参数用于追日程序的运算，得出实时定日镜方位角和高度角，再根据光塔的坐标，可计算出定日镜在就地坐标系中的方位角和高度角。在就地坐标系中，定日镜的方位角以吸热器方向为零度。
3 镜面方位角、高度角确定
3.1 太阳在天空中的位置可以用高度角和方位角表示
在计算太阳高度角和方位角时，通常采用地平坐标系。根据以往的研究，太阳高度角hs是太阳光向量与地平面的夹角，太阳方位角θs是太阳光向量在地平面上的投影与正北方向的夹角。太阳高度角和方位角的表达式如下[1]：
sinhs=sinδ·sin?+cosδ·cos?·cosω
cosθs=（sinhs·sin?-sinδ/（coshs·cos?）
其中，δ为太阳赤纬角;?为当地的纬度;ω为太阳时角。
3.2 定日镜镜面法线的方位角与高度角计算公式
令，定日镜镜面法线的方位角与高度角表达式为[2]：
tan?=（cos?t·sinht+cos?s·sinhs）/（cos?t·cosht+cos?s·coshs）
sinh=（sinht+sinhs）/
其中，h为定日镜法线高度角，?为方位角;hs为太阳高度角，?s为太阳方位角;ht定日镜中心点与吸热器目标点连接线与地平面之间的夹角，?t为定日镜中心点与吸热器目标点连线在地面的投影与正南方之间的夹角。
4 光学校准
为了减小定日镜的指向和跟踪误差，以便它们可以将最大的太阳辐射集中到吸热器的给定点上，减小吸热器的辐射能量溢出，必须对定日镜进行光学校准。校准过程就是将定日镜反射的太阳辐射定位到校准目标靶板上，HCS将继续处理和分析聚焦该在目标的相机捕获的图像，以便可以测量和减小指向误差。
定日镜校准系统（HCS）管理定日镜的校准计划和校准，通过校准程序修正定日镜的指向偏差。定期评估每个定日镜指向偏差，按照计划定期对校准。定日镜光学校准是通过校准软件中的图像采集识别软件，调整图像灰度值来捕捉定日镜反射至校准靶板上的光斑的几何中心，自动计算光斑中心与校准靶板的实际中心的偏差，如果偏差超过跟踪精度，校准系统会发出指令至SCS（镜场控制系统），SCS根据校准系统提供的偏差来移动定日镜，再次执行计算偏差，如果偏差低于允许值，校准完成，否则重复执行校准程序，直到偏差合格。
校准系统数据库中储存了每台定日镜和目标靶板在绝对坐标系中的3D坐标，图像处理软件根据定日镜和目标靶心的绝对坐标系中的坐标，以及光斑中心与靶心的位置距离偏差，自动计算定日镜法线的方位角和高度角的偏差，并自动计算修正量如图1所示。
校准工作结束后，所有校准参数包括校准过程中图像（带光斑的校准靶板图像、不带光斑的靶板图像）、修正量（当前的修正量、上次校准时的修正量）、校准过程中风速、光照强度等参数，会自动形成数据库文件（DB）并保存在SCS系统，数据库参数可以通过PDT和操作员站查看和加载。
5 光斑图像中光斑几何中心计算方法
启动定日镜跟踪准确度测量系统的CCD相机采集图像，利用目标靶上4个黑色直角框标定出目标靶中心（xc，yc）。分割采集的每帧光斑灰度图像的光斑与背景，并以光斑内像素的总量作为光斑的面积。以与此面积相等的正方形作为光斑图像中提取光斑的裁剪窗，用该裁剪窗在整个光斑图案上进行截取，以所有截取窗口内灰度值总量最大的位置作为光斑有效区域，光斑有效区域的几何中心即为光斑中心。
6 结语
定日镜是塔式太阳能光热电站的重要组成部分，其校准工作是塔式光热电站安全稳定运行的基础，通过对定日镜的组成、定日镜坐标系确定、镜面方位角和高度角的确定、光学校准、光斑图像中光斑几何中心计算方法的研究进行校准，校准阶段必须全面检验各报警参数和限位的准确性和可靠性，才能确保定日镜的日常准确性，确保太阳能光热发电设备正常运行。
参考文献
[1] 姚梦凯，黄文君.太阳能热发电聚光系统的建模与控制策略研究[D].浙江大学，2012.
[2] T/GRLM 02-2014，国家太阳能光热产业技术创新战略联盟.太阳定日镜跟踪准确度测量方法[EB/OL].[2014-08-28].https：//www.docin.com/p-2035427569.html.
[3] 姚志豪.国内外太阳能热发电发展现状及趋势报告[EB/OL].中华能源网，2017-08-13.