[发明专利]用于光源感测和指向的位置编码的光学代理元件

说明书

技术领域

本发明涉及代理元件和相关联系统，所述系统使用至少一个代理元件上的光的位置特性来帮助将从光转向元件转向的光瞄准到目标上。更确切地说，这些策略用以可控制地瞄准聚光太阳能发电(CSP)的场中的定日镜。

背景技术

聚光太阳能发电(CSP)的场中的定日镜的使用在现有技术中是明确的。典型的CSP系统包括至少一个中央塔和对应于每一中央塔的多个定日镜。所述塔以这样的方式集中，即塔充当焦点，对应的多个定日镜在该焦点上共同地将日光聚集到与塔相关联的目标(还被称作焦点或接收器)上。日光在塔接收器处的聚集因此直接有关于与塔相关联的定日镜或其它聚集器的数目(直到某些基本限制)。此方法可聚集太阳能达极高水平，例如在需要时约1000倍或更高。在实际应用中，许多系统在从50倍到5000倍的范围内聚集日光。太阳能的高度聚集可随后由塔接收器转换为其它有用形式的能量。一个实践模式将聚集的太阳能转换成待直接或间接使用的热(诸如通过产生蒸汽)，以对发电机、工业设备等提供动力。在其它实践模式中，聚集的太阳能可通过使用任何数目的光伏装置(也被称作太阳能电池)直接转换为电。

定日镜大体上包括光转向元件(例如，镜子或其它合适的光学装置)以将日光转向到目标。定日镜通常还包括支撑结构以用于保持所述镜子且允许所述镜子接合(articulate)，例如在例如马达的致动器的控制下实现接合。至少，定日镜合意地提供两个旋转自由度，以便将日光转向到固定的塔焦点上。定日镜可为平面的，但可能具有更复杂的形状。

定日镜接合可遵循方位角/仰角方案，通过此方案，镜子围绕垂直于地球表面的用于方位角的固定轴线旋转并且随后围绕平行于地球表面的仰角轴旋转。仰角轴耦合到方位角旋转上使得仰角的方向随着方位角而变。

可替换地，定日镜可使用倾侧(tip)/倾斜(tilt)方案来接合，其中所述镜子围绕平行于地球表面的固定的倾侧轴线和另一倾斜轴线旋转。所述倾侧轴线常常正交于所述倾斜轴线，但所述倾斜旋转轴基于倾侧轴线旋转而倾侧。当定日镜法向向量平行于地球表面的法向向量时，所述倾斜轴线平行于地球表面。还可以是其它方案，例如极轴(polar)跟踪和许多其它方案。

在典型操作中，定日镜经指向使得反射日光入射在例如中央塔接收器的目标上，所述目标常常相对于定日镜在空间中固定。因为太阳在白天期间相对于定日镜位点移动，所以定日镜反射器常常适当地跟踪太阳以在太阳移动时保持反射光瞄准接收器。

图1示意性地示出典型CSP系统403。CSP系统403具有塔405，其具有焦点区域407以及多个对应定日镜409(出于说明的目的仅展示其中的一者)中将反射日光瞄准于区域407的一个。由向量411表示的日光在镜子413以由向量415表示的表面法线定向时从定日镜413反射离开。镜413经准确瞄准使得根据向量417的反射日光大体上沿着定日镜焦点向量419瞄准于焦点407，所述向量419是从定日镜413到塔焦点407的视线。如果镜子413经不恰当地瞄准使得向量417不瞄准于焦点407，那么这两个向量417和419将彼此发散。为了使反射光417入射在塔焦点407上，反射定律要求在日光向量411与镜子法向向量415之间形成的角度必须等于在定日镜焦点向量419与镜子法向向量415之间形成的角度。此外，所有三个向量411、415和419必须位于同一平面中。可使用向量代数展示在给定日光向量411和所要焦点向量419的情况下，存在简单地为向量411和419的归一化平均的镜子法向向量415的唯一解决方案。

大体上，控制策略使用开环控制、闭环控制或其组合。但许多定日镜控制系统采用基于系统几何形状和太阳位置计算器的开环算法，以便随着时间而变确定太阳和定日镜焦点向量。这些计算向每一定日镜装置产生方位角/仰角或倾侧/倾斜指令。此类控制系统通常假设定日镜的位置是静态的并且良好界定，和/或以其它方式依赖于定期校准维护以校正沉降以及其它使用期引起的漂移和偏移。开环解决方案的有利性在于它们不需要任何反馈传感器来检测每一定日镜指向的良好程度。这些系统简单地告知每个定日镜如何指向并且假定定日镜正确地指向。主要缺点在于开环系统需要以高精度制成的组件(如果将实现准确性)。将精确度并入到系统组件中可为极昂贵的。另外，执行定日镜位置的精确勘察可为昂贵的，以充分准确性执行开环计算需要所述勘察。精确度和勘察的费用随着定日镜场中的定日镜的数目增加而逐步增加。因此，仅依赖于开环控制的系统趋于太昂贵。此类系统也趋于使用更小数目的极大型定日镜，以便保持勘察费用低且最小化所需的精确度组件和精确度操作的数目。