[发明专利]用于光源感测以及指向的复合光学代理元件

说明书

技术领域

本发明大体上涉及照明控制系统的领域，且确切地说涉及帮助控制光从一个或多个源转向到一个或多个所需目标上的设备和方法。具体关注的是定日镜在聚光太阳能发电(CSP)或聚光光伏(CPV)领域中的应用。

背景技术

定日镜在聚光太阳能发电以及聚光光伏领域中的使用在现有技术中已经得到公认。典型的CSP或中央塔CPV系统包含一个集中塔以及多个适当安装的定日镜，定日镜经指向使得反射的日光照射到通常相对于定日镜固定在空间中的中央塔焦点上。为了实现此条件，反射定律要求在日光矢量与镜面法线之间形成的角必须与在恰当地瞄准的转向光线与镜面法线之间形成的角相等。所有三个矢量还必须位于同一平面上。利用矢量代数可以显示，对于给定的日光矢量以及恰当地瞄准的反射光线，存在独特的解决方案，即镜面法线简单地就是入射光矢量和反射光矢量的归一化平均值。

中央塔充当焦点，个别定日镜将日光转向到该焦点上。定日镜的瞄准方向可以随着太阳在天空中移动而可控制地调节以将入射日光转向到中央塔上。因此，日光在塔焦点处的聚集与达到某一基本限制的定日镜的数量相关。太阳能的高度聚集通过塔转化成其它有利的形式，例如随后可以直接使用或用以产生蒸汽从而给发电机供电的热量，或者通过使用任何数目的一般被称作太阳能电池的光伏装置直接转化成电。

定日镜一般包含用以转向日光的镜面、用以固定镜面并且使镜面能够接合的支撑结构、以及用以实现接合的例如电机等的致动器。至少，定日镜通常提供至少两个转动自由度，以将日光转向到固定的塔聚焦区域上。定日镜的镜面通常是平面的，但是还可以具有更复杂的形状。

定日镜接合可以遵循方位角/仰角方案，通过此方案镜面围绕与地球表面垂直的方位角轴旋转并且随后围绕与地球表面平行的仰角轴旋转。仰角轴通常耦合到方位角旋转上使得仰角的方向是方位角角度的函数。可替代地，定日镜可以使用倾侧/倾斜方案接合，其中镜面围绕与地球表面平行的固定的倾斜轴旋转。倾侧轴与倾斜轴正交但是其方向根据倾斜轴旋转。当定日镜的镜面法线矢量与地球表面的法线平行时倾侧轴与地球表面平行。还可能有其它方案，例如极轴追踪以及许多其它方案；本发明适用于这些方案中的任一者。

许多定日镜控制系统基于系统几何形状和太阳位置计算器采用开环算法，以根据时间判定太阳和定日镜到焦点的矢量。这些计算向每一个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是良好界定的，或以其他方式依靠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专门的反馈传感器来检测每一个定日镜经指向的程度。这些系统简单地告知每个定日镜如何指向并且假设定日镜正确地指向。

另一方面，闭环定日镜的指向基本上依靠来自一个或多个传感器的反馈，一个或多个传感器能够测量所需的定日镜到焦点的矢量与实际的反射日光矢量之间的差值。这些误差随后处理成补偿信号，提供到定日镜致动器上以接合镜面，使得反射日光照射到塔焦点上。闭环指向的优点是其并不需要对系统几何形状进行精确安装或了解，并且可以对使用期漂移不那么敏感。消除了通常与开环系统相关联的精度安装是闭环指向的一个显著优点。

在CSP系统上应用闭环指向方法的困难起因于指向条件要求两个矢量的对等分而不是对准单个矢量。也就是说，在正常操作期间，定日镜镜面自身不具体指向任何事物。相反，定日镜镜面必须指向在太阳与目标之间的方向上，并且指向随着太阳移动而随时间移动。名义上，在此方向上不存在任何事物而只有空旷的天空，因此对于传统的闭环追踪系统，其不将镜面指向任何事物。

理想的闭环定日镜追踪系统可以直接感测在实际的反射日光矢量与对应于恰当地瞄准的反射光矢量的矢量之间的差值，并且随后努力将差值控制为零。可能有其它方案，尽管不太理想。

例如，一个现有技术的系统(http://www.heliostat.us/howitworks.htm)公开了一种控制日光矢量以与第三矢量对准的传感器，第三矢量是靠近定日镜的传感器的轴线。在系统的安装期间，传感器与到目标的瞄准线矢量对准。因此，系统的精确性取决于此对准的精确性以及保留未变的对准。然而，在较大的CSP系统中，由于一些原因这可能不够。例如，塔可能在风中摇摆，或经受热膨胀或收缩。组件可能磨损或位移。成本还可能是一个问题，因为每一个定日镜需要单独的传感器。