[發明專利]用于光源感測以及指向的復合光學代理元件

有效

• 申請號: 201380013324.2
• 申請日: 2013-01-24
• 公開（公告）號: CN104303031B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 布拉登·E·海因斯;J·特里·貝利;小理查德·L·約翰遜
• 申請（專利權）人: 日光儲備技術有限公司
• 主分類號: G01J1/22
• 分類號: G01J1/22
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 余剛,吳孟秋

技術領域

本發明大體上涉及照明控制系統的領域，且確切地說涉及幫助控制光從一個或多個源轉向到一個或多個所需目標上的設備和方法。具體關注的是定日鏡在聚光太陽能發電(CSP)或聚光光伏(CPV)領域中的應用。

背景技術

定日鏡在聚光太陽能發電以及聚光光伏領域中的使用在現有技術中已經得到公認。典型的CSP或中央塔CPV系統包含一個集中塔以及多個適當安裝的定日鏡，定日鏡經指向使得反射的日光照射到通常相對于定日鏡固定在空間中的中央塔焦點上。為了實現此條件，反射定律要求在日光矢量與鏡面法線之間形成的角必須與在恰當地瞄準的轉向光線與鏡面法線之間形成的角相等。所有三個矢量還必須位于同一平面上。利用矢量代數可以顯示，對于給定的日光矢量以及恰當地瞄準的反射光線，存在獨特的解決方案，即鏡面法線簡單地就是入射光矢量和反射光矢量的歸一化平均值。

中央塔充當焦點，個別定日鏡將日光轉向到該焦點上。定日鏡的瞄準方向可以隨著太陽在天空中移動而可控制地調節以將入射日光轉向到中央塔上。因此，日光在塔焦點處的聚集與達到某一基本限制的定日鏡的數量相關。太陽能的高度聚集通過塔轉化成其它有利的形式，例如隨后可以直接使用或用以產生蒸汽從而給發電機供電的熱量，或者通過使用任何數目的一般被稱作太陽能電池的光伏裝置直接轉化成電。

定日鏡一般包含用以轉向日光的鏡面、用以固定鏡面并且使鏡面能夠接合的支撐結構、以及用以實現接合的例如電機等的致動器。至少，定日鏡通常提供至少兩個轉動自由度，以將日光轉向到固定的塔聚焦區域上。定日鏡的鏡面通常是平面的，但是還可以具有更復雜的形狀。

定日鏡接合可以遵循方位角/仰角方案，通過此方案鏡面圍繞與地球表面垂直的方位角軸旋轉并且隨后圍繞與地球表面平行的仰角軸旋轉。仰角軸通常耦合到方位角旋轉上使得仰角的方向是方位角角度的函數。可替代地，定日鏡可以使用傾側/傾斜方案接合，其中鏡面圍繞與地球表面平行的固定的傾斜軸旋轉。傾側軸與傾斜軸正交但是其方向根據傾斜軸旋轉。當定日鏡的鏡面法線矢量與地球表面的法線平行時傾側軸與地球表面平行。還可能有其它方案，例如極軸追蹤以及許多其它方案；本發明適用于這些方案中的任一者。

許多定日鏡控制系統基于系統幾何形狀和太陽位置計算器采用開環算法，以根據時間判定太陽和定日鏡到焦點的矢量。這些計算向每一個定日鏡裝置產生方位角/仰角或傾側/傾斜指令。此類控制系統通常假設定日鏡的位置是靜態的并且是良好界定的，或以其他方式依靠定期校準維護以校正沉降以及其它使用期引起的漂移和偏移。開環解決方案的有利性在于它們不需要任何專門的反饋傳感器來檢測每一個定日鏡經指向的程度。這些系統簡單地告知每個定日鏡如何指向并且假設定日鏡正確地指向。

另一方面，閉環定日鏡的指向基本上依靠來自一個或多個傳感器的反饋，一個或多個傳感器能夠測量所需的定日鏡到焦點的矢量與實際的反射日光矢量之間的差值。這些誤差隨后處理成補償信號，提供到定日鏡致動器上以接合鏡面，使得反射日光照射到塔焦點上。閉環指向的優點是其并不需要對系統幾何形狀進行精確安裝或了解，并且可以對使用期漂移不那么敏感。消除了通常與開環系統相關聯的精度安裝是閉環指向的一個顯著優點。

在CSP系統上應用閉環指向方法的困難起因于指向條件要求兩個矢量的對等分而不是對準單個矢量。也就是說，在正常操作期間，定日鏡鏡面自身不具體指向任何事物。相反，定日鏡鏡面必須指向在太陽與目標之間的方向上，并且指向隨著太陽移動而隨時間移動。名義上，在此方向上不存在任何事物而只有空曠的天空，因此對于傳統的閉環追蹤系統，其不將鏡面指向任何事物。

理想的閉環定日鏡追蹤系統可以直接感測在實際的反射日光矢量與對應于恰當地瞄準的反射光矢量的矢量之間的差值，并且隨后努力將差值控制為零。可能有其它方案，盡管不太理想。

例如，一個現有技術的系統(http://www.heliostat.us/howitworks.htm)公開了一種控制日光矢量以與第三矢量對準的傳感器，第三矢量是靠近定日鏡的傳感器的軸線。在系統的安裝期間，傳感器與到目標的瞄準線矢量對準。因此，系統的精確性取決于此對準的精確性以及保留未變的對準。然而，在較大的CSP系統中，由于一些原因這可能不夠。例如，塔可能在風中搖擺，或經受熱膨脹或收縮。組件可能磨損或位移。成本還可能是一個問題，因為每一個定日鏡需要單獨的傳感器。