太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供一種太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)，其具備校正由風(fēng)壓造成的反射鏡的傾斜的結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)(100)具備定日鏡(2)、風(fēng)向風(fēng)速儀(4)以及控制器(10)。定日鏡(2)具有調(diào)整反射鏡(26)的朝向的電動(dòng)機(jī)(23)?？刂破?10)向電動(dòng)機(jī)(23)輸出目標(biāo)角度指令。目標(biāo)角度包含目標(biāo)角度第一成分和目標(biāo)角度第二成分。以使反射光朝向預(yù)定的目標(biāo)位置的方式確定目標(biāo)角度第一成分。根據(jù)由風(fēng)向風(fēng)速儀(6)測(cè)量出的風(fēng)向和風(fēng)速，與由風(fēng)壓產(chǎn)生的致動(dòng)器輸出軸和反射鏡支承軸之間的扭轉(zhuǎn)角的估計(jì)值對(duì)應(yīng)地確定目標(biāo)角度第二成分。
【專利說明】太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)基于2011年5月24日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)第2011-115395號(hào)要求優(yōu)先權(quán)。在本說明書中通過參照而援引該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容。本發(fā)明涉及一種使用了定日鏡的太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]獲取電能或熱能的系統(tǒng)之一中存在利用太陽(yáng)光的系統(tǒng)。某種太陽(yáng)光利用系統(tǒng)為了高效地利用太陽(yáng)光，而具備將太陽(yáng)光聚集到一點(diǎn)的聚光系統(tǒng)。已知一種被稱為定日鏡的設(shè)備，以將太陽(yáng)光聚集到一點(diǎn)。定日鏡由反射鏡(通常是平緩的凹透鏡)和調(diào)整該反射鏡的朝向的致動(dòng)器構(gòu)成。
[0003]關(guān)于定日鏡，與太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)同步地調(diào)整反射鏡的朝向，使得反射光始終聚集到配置在預(yù)定的一點(diǎn)(目標(biāo)點(diǎn))的接收器。為了使反射光始終朝向接收器而需要精密地控制反射鏡的朝向。與使太陽(yáng)能電池板大致朝向太陽(yáng)即可的發(fā)電系統(tǒng)不同，定日鏡要求高的控制精度。在非專利文件 1:“PERF0RMANCE OF SOLAR CONCENTRATOR CONTROL SYSTEM”, KennethW.Stone, Charles W.Lopez, Proceedings of Joint Solar Engineering Conference, ASME1994中，介紹了對(duì)定日鏡的控制性能的考察。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]如在非專利文件I中介紹的那樣，基本上根據(jù)太陽(yáng)的位置(方位角和迎角)來決定反射鏡的朝向(方位角和迎角)。即，根據(jù)太陽(yáng)的位置調(diào)整反射鏡的朝向，使得反射光朝向接收器。但是，當(dāng)風(fēng)強(qiáng)時(shí)由于風(fēng)壓而反射鏡傾斜，反射光有可能偏離接收器。當(dāng)反射光稍微偏離接收器時(shí)，聚光效率也極端降低。本說明書提供一種太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)，其具備校正由風(fēng)壓造成的反射光的方向的偏離的結(jié)構(gòu)。
[0005]本說明書所公開的太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)具備定日鏡和控制器。定日鏡如上所述，具有調(diào)整反射鏡的朝向的致動(dòng)器。致動(dòng)器典型的可以是電動(dòng)機(jī)?？刂破飨蛑聞?dòng)器輸出目標(biāo)角度指令。本說明書所公開的系統(tǒng)的特征在于，還具備風(fēng)向風(fēng)速儀，控制器根據(jù)太陽(yáng)的位置、由風(fēng)向風(fēng)速儀測(cè)量出的風(fēng)向和風(fēng)速，決定目標(biāo)角度指令值。
[0006]更具體地說，由控制器決定的目標(biāo)角度指令是將根據(jù)太陽(yáng)的位置決定的目標(biāo)角度第一成分加上根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速?zèng)Q定的目標(biāo)角度第二成分所得到的。以使反射光朝向預(yù)定的目標(biāo)位置(接收器的位置)的方式確定目標(biāo)角度第一成分。目標(biāo)角度第二成分對(duì)應(yīng)于由風(fēng)壓產(chǎn)生的致動(dòng)器輸出軸與反射鏡支承軸之間的扭轉(zhuǎn)角的估計(jì)值。該目標(biāo)角度第二成分的存在用于校正由風(fēng)壓造成的反射光的方向的偏離。此外，致動(dòng)器和反射鏡支承軸經(jīng)由減速機(jī)連結(jié)，因此“扭轉(zhuǎn)角”也相當(dāng)于減速機(jī)的輸入軸與輸出軸之間的扭轉(zhuǎn)角。
[0007]本說明書所公開的技術(shù)適合于不直接測(cè)量反射鏡的朝向的系統(tǒng)。更具體地說，本說明書所公開的技術(shù)在控制器具有不反饋致動(dòng)器輸出軸的角度或反射鏡的角度的開環(huán)的控制系統(tǒng)的情況、或具有控制致動(dòng)器使得致動(dòng)器的輸出軸的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角度之間的偏差為零的反饋控制系統(tǒng)的情況下有效。本說明書所公開的系統(tǒng)利用目標(biāo)角度第二成分補(bǔ)償由風(fēng)壓造成的反射鏡的傾斜，來代替直接測(cè)量反射鏡的朝向并進(jìn)行反饋。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)的整體圖。
[0009]圖2是定日鏡的控制框圖。
[0010]圖3是說明因風(fēng)壓而施加到反射鏡支承軸上的力矩的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]圖1不出實(shí)施例的太陽(yáng)光聚光發(fā)電系統(tǒng)100的概要圖。以下，將太陽(yáng)光聚光發(fā)電系統(tǒng)100簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)100。該系統(tǒng)100通過多個(gè)定日鏡2將太陽(yáng)光聚集到接收器9來進(jìn)行發(fā)電。在接收器9配置有汽化裝置，通過聚集的太陽(yáng)光的熱來加熱水，從而生成蒸汽。蒸汽通過能源塔8被送到渦輪發(fā)電機(jī)(未圖示)。由于太陽(yáng)光而生成的蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪，從而產(chǎn)生電力。
[0012]在系統(tǒng)100中，還具備:太陽(yáng)追蹤傳感器6，其測(cè)量太陽(yáng)光的位置(方位角和迎角)；風(fēng)向風(fēng)速儀4，其測(cè)量在系統(tǒng)100的附近流動(dòng)的風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速；以及控制器10，其控制定日鏡2。
[0013]在定日鏡2中內(nèi)置有電動(dòng)機(jī)23和減速機(jī)25，能夠通過它們調(diào)整反射鏡26的朝向?？刂破?0主要根據(jù)太陽(yáng)追蹤傳感器6的傳感器數(shù)據(jù)獲取太陽(yáng)的位置，控制反射鏡26的朝向使得太陽(yáng)光的反射光到達(dá)接收器9。具體地說，控制器10根據(jù)太陽(yáng)的位置和接收器9的位置計(jì)算反射鏡的目標(biāo)角度，將該角度作為指令值(目標(biāo)角度指令)輸出到電動(dòng)機(jī)23的驅(qū)動(dòng)器。此外，反射鏡26稍微彎曲成凹面，使得反射光聚焦在接收器9的位置。
[0014]另外，控制器10根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速儀4的傳感器數(shù)據(jù)獲取在系統(tǒng)100的附近流動(dòng)的風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，對(duì)根據(jù)太陽(yáng)追蹤傳感器6的傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算出的目標(biāo)角度指令進(jìn)行校正。將校正值定為補(bǔ)償反射鏡26受到風(fēng)壓而傾斜的角度的大小?？刂破?0針對(duì)多個(gè)定日鏡分別計(jì)算包含校正值的目標(biāo)角度指令，并發(fā)送到各定日鏡的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。此外，各定日鏡2具備方位角和迎角的雙軸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還對(duì)每個(gè)軸分別計(jì)算目標(biāo)角度指令。但是，以下為了簡(jiǎn)化說明，而將反射鏡的驅(qū)動(dòng)軸假定為單軸來進(jìn)行說明。
[0015]圖2示出控制器10和定日鏡2的控制框圖。此外，圖2示出與一個(gè)定日鏡有關(guān)的控制模塊。對(duì)各定日鏡準(zhǔn)備了同樣的控制模塊。以下，將根據(jù)太陽(yáng)追蹤傳感器6的傳感器數(shù)據(jù)以使太陽(yáng)光到達(dá)接收器9的方式計(jì)算出的反射鏡的角度稱為目標(biāo)角度第一成分Arl，將補(bǔ)償由風(fēng)向和風(fēng)壓造成的反射鏡的傾斜的補(bǔ)償值稱為目標(biāo)角度第二成分Ar2。目標(biāo)角度第一成分Arl和目標(biāo)角度第二成分Ar2相加所得的值相當(dāng)于目標(biāo)角度Ar。
[0016]參照?qǐng)D2，先說明定日鏡2的構(gòu)造。反射鏡26經(jīng)由支承軸27與減速機(jī)25的輸出軸連結(jié)。另一方面，電動(dòng)機(jī)23的輸出軸23a與減速機(jī)25的輸入軸連結(jié)。換言之,反射鏡26經(jīng)由減速機(jī)25與電動(dòng)機(jī)23連結(jié)。作為一個(gè)例子，減速機(jī)25具有8000左右的減速比。在電動(dòng)機(jī)23的輸出軸23a具備角度傳感器24。具體地說，角度傳感器24是編碼器，輸出軸每轉(zhuǎn)一圈輸出100個(gè)脈沖。換言之，該編碼器的分辨率是100PPR(Pulse Per Potation:每圈脈沖數(shù))。在減速比是8000的情況下，該編碼器的減速機(jī)輸出軸的分辨率為800，000PPR。但是，如后文所述，由于反射鏡26所受到的風(fēng)壓的影響而在減速機(jī)的輸入軸與輸出軸之間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，因此無(wú)法將角度傳感器24 (編碼器)的傳感器數(shù)據(jù)視為反射鏡的實(shí)際的傾斜角度。即使這樣，控制器10也根據(jù)角度傳感器24的傳感器數(shù)據(jù)控制電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)100根據(jù)由風(fēng)向風(fēng)速儀4測(cè)量出的風(fēng)向和風(fēng)速，補(bǔ)償在減速機(jī)的輸入軸與輸出軸之間產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)。
[0017]如上所述，角度傳感器24的傳感器數(shù)據(jù)表不電動(dòng)機(jī)23的輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。該角度被發(fā)送到變換部21。在變換部21中，將電動(dòng)機(jī)23的輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度換算為反射鏡26的角度并進(jìn)行輸出。變換部21的輸出作為反射鏡的估計(jì)角而在電動(dòng)機(jī)23的反饋控制中使用。
[0018]電動(dòng)機(jī)23被驅(qū)動(dòng)器22驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器22從控制器10接收角度指令，根據(jù)該角度指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)23。此外，具體地說，電動(dòng)機(jī)23由驅(qū)動(dòng)器22進(jìn)行電流控制(即轉(zhuǎn)矩控制)，但在圖2中省略了詳細(xì)內(nèi)容，假定為根據(jù)角度指令來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)23和驅(qū)動(dòng)器22來繼續(xù)進(jìn)行說明。
[0019]說明控制器10?？刂破?0獲取太陽(yáng)追蹤傳感器6的傳感器數(shù)據(jù)，第一運(yùn)算單元34計(jì)算使反射光朝向接收器9的反射鏡角度(目標(biāo)角度第一成分Arl)。在通常的聚光系統(tǒng)中也實(shí)施根據(jù)太陽(yáng)的位置和接收器9的位置計(jì)算反射鏡的角度的運(yùn)算，因此省略詳細(xì)的說明。
[0020]另外，控制器10的第二運(yùn)算單元32根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速儀4的傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)由風(fēng)壓產(chǎn)生的反射鏡的傾斜進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償值(目標(biāo)角度第二成分Ar2)。在后面具體說明目標(biāo)角度第二成分Ar2。將目標(biāo)角度第一成分Arl和第二成分Ar2相加，成為目標(biāo)角度指令值A(chǔ)r。在控制器10內(nèi)，將目標(biāo)角度指令值A(chǔ)r與基于角度傳感器24的傳感器數(shù)據(jù)而得到的反射鏡的估計(jì)角之差發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器22。因而，控制器10控制定日鏡2使得反射鏡26的角度與目標(biāo)角度指令A(yù)r —致。電動(dòng)機(jī)23在相當(dāng)于反射鏡的估計(jì)角度(Asl+As2)的角度處停止。以下，角度Asl表示與目標(biāo)角度第一成分Arl對(duì)應(yīng)的反射鏡的實(shí)際的角度，角度As2表示與目標(biāo)角度第二成分Ar2對(duì)應(yīng)的實(shí)際的角度。
[0021]說明對(duì)由風(fēng)向和風(fēng)速引起的反射鏡的傾斜進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償值(目標(biāo)角度第二成分Ar2)。如果現(xiàn)在沒有風(fēng)，則能夠用將電動(dòng)機(jī)輸出軸23a的旋轉(zhuǎn)角乘以減速機(jī)25的減速比所得的值表示反射鏡26的角度。這時(shí)，反射鏡26的實(shí)際的角度As與目標(biāo)角度Ar相等。另外，風(fēng)向風(fēng)速儀4的傳感器數(shù)據(jù)是零，因此目標(biāo)角度第二成分Ar2是零。即，如果沒有風(fēng)，則控制器10輸出的目標(biāo)角度指令A(yù)r是Arl，反射鏡的實(shí)際的角度也成為與目標(biāo)角度第一成分Arl對(duì)應(yīng)的值、即角度Asl。如果反射鏡的實(shí)際的角度是Asl，則反射光準(zhǔn)確地朝向接收器9。
[0022]反射鏡是巨大的平板，因此在受到風(fēng)壓時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)牧?。以下將該力稱為風(fēng)壓負(fù)荷F。受到該風(fēng)壓負(fù)荷F，從而在電動(dòng)機(jī)的輸出軸(減速機(jī)的輸入軸)與反射鏡支承軸(減速機(jī)的輸出軸)之間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。因此，在基于對(duì)電動(dòng)機(jī)23的輸出軸23a的角度進(jìn)行測(cè)量的角度傳感器24的傳感器數(shù)據(jù)而得到的反射鏡的估計(jì)角度與實(shí)際的角度之間產(chǎn)生偏離。目標(biāo)角度第二成分Ar2用于對(duì)該偏離進(jìn)行補(bǔ)償。
[0023]參照?qǐng)D3說明目標(biāo)角度第二成分Ar2的計(jì)算過程的一個(gè)例子。此外，雖然重復(fù)，但在本實(shí)施例中為了容易理解說明，而將反射鏡的旋轉(zhuǎn)限定為單軸來進(jìn)行說明。圖3是從該支承軸27的長(zhǎng)度方向觀察反射鏡26的圖。能夠用下式(式I)表示反射鏡26由于風(fēng)壓而受到的風(fēng)壓負(fù)荷F。
[0024][式I]
[0025]F=CwXqXAw (式 I)
[0026]在此，系數(shù)Cw是風(fēng)力系數(shù)，在受壓面(反射鏡的表面)是矩形的情況下，0=1.2。變量Aw是受壓面的面積。如圖3所示，在將反射鏡26的平面與風(fēng)向所成的角度設(shè)為Ta、反射鏡的面積設(shè)為S時(shí)，Aw=SXcos(Ta)。變量q被稱為設(shè)計(jì)用速度壓力，表示風(fēng)速V的影響。由下式(式2)給出設(shè)計(jì)用速度壓力q。
[0027][式2]
[0028]q=0.6XV2XEXI (式 2)
[0029]在(式2)中，E是環(huán)境變量，I是用途變量。在日本工業(yè)規(guī)格(JIS)中詳細(xì)說明了式1、式2。在JIS中也定義了風(fēng)力系數(shù)Cw、環(huán)境變量E以及用途變量I。詳細(xì)請(qǐng)參照“JISC8955”。
[0030]如圖3所示，假定風(fēng)壓負(fù)荷F集中作用于反射鏡26的中心C。在將從支承反射鏡26的支承軸27的中心到反射鏡中心的距離設(shè)為d時(shí)，通過下式(式3)求出因風(fēng)壓而作用于支承軸27的力矩M。
[0031][式3]
[0032]M=FXdXcos(Ta) (式 3)
[0033]由于該力矩M而扭轉(zhuǎn)支承軸27。現(xiàn)在，在將電動(dòng)機(jī)的輸出軸23a(減速機(jī)的輸入軸)與反射鏡支承軸27 (減速機(jī)的輸出軸)之間的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)為K時(shí)，用M=KX As2表示因風(fēng)壓造成的扭轉(zhuǎn)角度As2 (反射鏡的傾斜度)。結(jié)果能夠用下式(式4)表示因風(fēng)壓造成的反射鏡的傾斜度Ar2。
[0034][式4]
【權(quán)利要求】
1.一種太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)，其特征在于，具備: 定日鏡，其具有調(diào)整反射鏡的朝向的致動(dòng)器； 控制器，其向致動(dòng)器輸出目標(biāo)角度指令；以及 風(fēng)向風(fēng)速儀， 其中，控制器根據(jù)太陽(yáng)的位置以及由風(fēng)向風(fēng)速儀測(cè)量出的風(fēng)向和風(fēng)速，決定目標(biāo)角度指令值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)，其特征在于， 由控制器決定的目標(biāo)角度指令是將根據(jù)太陽(yáng)的位置決定的目標(biāo)角度第一成分與根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速?zèng)Q定的目標(biāo)角度第二成分相加所得到的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)，其特征在于， 還具備測(cè)量致動(dòng)器的輸出軸的旋轉(zhuǎn)角的角度傳感器，控制器對(duì)致動(dòng)器進(jìn)行控制使得通過角度傳感器測(cè)量出的測(cè)量角與目標(biāo)角度之間的偏差為零。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中的任一項(xiàng)所述的太陽(yáng)光聚光系統(tǒng)，其特征在于， 以使反射光朝向預(yù)定的目標(biāo)位置的方式確定目標(biāo)角度第一成分，目標(biāo)角度第二成分對(duì)應(yīng)于由風(fēng)壓產(chǎn)生的致動(dòng)器輸出軸與反射鏡支承軸之間的扭轉(zhuǎn)角的估計(jì)值。
【文檔編號(hào)】F24J2/38GK103562652SQ201280024798
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月24日
【發(fā)明者】櫻井和彥 申請(qǐng)人:納博特斯克有限公司