定日镜阵列强度和偏振跟踪

技术领域

本发明涉及一种太阳能跟踪系统。特别地，本发明涉及一种太阳能收集器，其使用光强度、光偏振、光颜色和/或光色比的组合在一天中跟踪太阳，以确定太阳在天空中的位置。

背景技术

存在许多太阳能跟踪系统，其利用小型传感器阵列来确定太阳相对于太阳能跟踪器在天空中的位置。传感器阵列通常在不区分光的颜色的情况下获取和整合整个光谱，光的颜色根据传感器面对的方向以及传感器和太阳之间的角度差而变化。另外，传感器阵列通常忽略入射太阳光的偏振，其也根据传感器面对的方向以及其远离太阳的角距离而变化。因此，需要能够基于光强度、光偏振、光颜色和/或光色比的组合来确定其方位的太阳能跟踪系统。

发明内容

在一些实施例中，本发明的特征在于一种用于利用太阳能跟踪系统在一天中跟踪太阳的系统和方法。太阳能跟踪系统优选地包括：至少两个或四个照相机，其包括第一照相机和第二照相机；以及跟踪控制器，其被配置为：确定从至少一个定日反射镜接收的最大强度的偏振光的方位；基于来自至少一个定日反射镜的最大强度的偏振光的方位产生径向线；基于径向线的交点确定太阳的位置；并且基于确定的太阳的位置来重新定向至少一个定日反射镜。在优选实施例中，第一照相机和第二照相机被安装在接收器的任意一侧，其中它们被配置为捕获从至少一个定日反射镜接收的偏振光的图像。可以确定围绕接收器光圈安装的多个照相机中的每一个的径向线。

除了可选方案外或在可选方案中，跟踪控制器可以被配置为基于光的强度，优选地基于白光强度与蓝光强度的比率来跟踪太阳。当两个照相机被放置在接收器光圈的任意一侧时，当定日反射镜被适当地对准时，白光与蓝光的比率基本相同。如果未适当地对准，则跟踪控制器被配置为调整至少一个定日反射镜的方位以使该比率相同。在一些实施例中，基于如上所述的光强度比率以及偏振两者来定向定日镜。

附图说明

本发明以示例而非限制的方式在附图中示出，并且其中：

图1是根据本发明的优选实施例的定日镜阵列和接收器的正视图；

图2是根据本发明的优选实施例的太阳能热接收器的正视图；

图3是根据本发明的优选实施例的定日镜阵列和接收器的透视图；

图4是根据本发明的优选实施例的从安装在接收器上的照相机看到的定日反射镜的阵列的视图；

图5是随与太阳的角距离变化的光强度的图；

图6是根据本发明的优选实施例的太阳能热接收器的截面；

图7是根据本发明的优选实施例的一个定日反射镜的四个图像的汇编(compilation)；

图8是根据本发明的优选实施例的一个定日反射镜的四个图像的汇编；

图9是根据本发明的优选实施例的具有旋转偏振器的照相机的透视图；

图10是太阳周围的光偏振的图；

图11是根据本发明的优选实施例的在一个定日反射镜的四个图像中观察的光偏振的汇编；以及

图12是根据本发明的优选实施例的在一个定日反射镜的四个图像中观察的光偏振的汇编。

具体实施方式

本发明涉及一种利用定日镜阵列和太阳能热接收器实施的太阳能跟踪系统，其中太阳能热接收器捕获从定日镜阵列反射的能量。图1所示的是根据优选实施例的定日镜阵列120和接收器130的正视图。定日镜阵列包括许多相同的定日镜122，其以二维分布成接近接收器。每个定日镜122包括可枢转地联接到固定到地面和/或其它定日镜的框架或支柱112的反射镜110。每个定日镜进一步包括跟踪控制器114，其被配置为确定一天中一个或多个反射镜的适当方位。当来自太阳150的入射光152被反射到太阳能热接收器130，特别是接收器光圈132时，反射镜被适当地定向。如果反射镜的实际方位与该时刻的适当方位不同，则跟踪控制器将驱动反射镜的致动器116激励到适当方位。

图2中示出的是太阳能热接收器130和用于将太阳光接收到接收器中的光圈132的前侧的正视图。接收器可以进一步包括吸收器，其将太阳光转化为热并且将热传递到空气、水、熔融盐或其它工作流体(未示出)。在优选实施例中，接收器将太阳能跟踪系统的一部分，即被配置为捕获定日反射镜及其中的反射的图像的多个照相机，安装到其上。左部照相机212和右部照相机213距光圈相同的距离。类似地，上部照相机210和下部照相机211距光圈相同的距离。照相机210至213可以是包括静物照相机和摄像机的许多不同类型的二维成像器中的任何一种。在多个反射镜中观察的图像数据被组合以确定每个定日反射镜的仰角和方位角。特别地，来自左部照相机212和右部照相机213的图像数据被组合以确定每个定日反射镜的方位角，同时来自上部照相机210和下部照相机211的图像数据被组合以确定每个反射镜的仰角。

图3中示出的是定日镜的示例性阵列和接收器的透视图。在该示例中，定日镜阵列位于北半球，并且定日镜在接收器130的北部。照相机210至214，虽然在该图中不可见，但配置有足够的视场来捕获定日镜阵列120中的所有定日反射镜122的完整图像。如以下所解释的，图像数据包括针对每个定日反射镜测量的光强度级别和/或偏振角。

图4中示出的是从多个照相机210至213中的一个中看到的定日镜场210的代表性图像。图像包括多个定日反射镜410至421，每个反射镜反射来自天空的光。如果反射镜没有被适当地定向以将光反射到接收器，则在每个反射镜中看到的光的强度通常将根据与太阳的角度而不同。对于其中太阳出现在反射中的反射镜410至411，反射镜的光强度非常高。对于远离太阳倾斜的其它反射镜419至421，光强度相对较低，天空显得相对较暗。如果所有反射镜都“远离太阳(off-sun)”并且不将光反射到接收器光圈，则反射镜410至421通常将反射不同程度的光，如图示中使用的不同灰度级别所指示的。

在来自每个反射镜的反射中观察的实际光强度取决于光源自的天空的部分。如图5所示，对于与太阳重合的角度范围，光强度最大，其中太阳的中心被定义为角度范围的原点。强度在太阳的名义边缘(nominal edge)周围迅速下降。超过太阳的名义边缘，由于散射效应，强度非零。特别地，来自太阳的光主要通过瑞利散射(Rayleigh scattering)和米氏散射(Mie scattering)被大气散射。依赖于波长的瑞利散射产生全向散射，其产生均匀或几乎均匀的蓝色照度的天空。依赖于弱波长的米氏散射以更小的角度产生散射。米氏散射导致太阳周围的白色光环，其亮度梯度随着远离太阳的角度而减小。来自太阳的辐射也以与其包含的各种分子相对应的波长被大气吸收。这些效应结合以产生随着与太阳的角距离的增加而逐渐减小的白光强度梯度。如以下详细解释的，该“远离太阳”的光梯度在本发明中用于太阳能跟踪。

图6中示出的是显示入射在接收器和照相机210至211上的光源的太阳能热接收器的截面。当定日反射镜122被适当地定向时，来自太阳600的光被反射到接收器光圈132上或反射到接收器光圈132中。同时，光被照相机210、211捕获。然而，由于光圈和照相机之间的偏移，在照相机处捕获的光源自邻近太阳的天空的部分。在优选实施例中，照相机210、211和光圈之间的距离足够大，以确保照相机在跟踪时不会在定日反射镜122的反射中使太阳成像。如果太阳在图像中可见，则光的强度将可能会使照相机饱和并且摆脱跟踪计算。

由于照相机偏移，上部照相机210接收源自太阳600下方的天空的部分610的光的反射，即比太阳更低仰角的立体角。从相同的定日反射镜，下部照相机211接收源自太阳600上方的天空的部分611的光的反射。虽然未示出，但是本领域技术人员将理解，对于相同的定日反射镜，左部照相机212接收源自太阳600的右侧的天空的部分的光的反射，而右部照相机213接收源自太阳600的左侧的天空的部分的光的反射。

当来自四个照相机的天空的图像－如在一个定日反射镜中看到的－被编制成天空的图时，四个图像围绕太阳以四个不同的角度驻留，如图7所示。当反射镜被适当地定向以将光反射在光圈上并且太阳基本上平分两个照相机之间的角度时，通过上部照相机和下部照相机在反射镜中测量的光的强度基本上相同。类似地，通过左部照相机和右部照相机在反射镜中测量的光的强度相同。然而，当反射镜没有被适当地定向以将光反射在光圈上时，太阳不会平分两个照相机之间的角度，并且通过相对的照相机(例如，上部照相机和下部照相机，或左部照相机和右部照相机)在反射镜中测量的光的强度不相同。

如图8所示，在本发明中，邻近太阳的天空的光强度用于跟踪太阳。在跟踪太阳的同时，跟踪控制器监测多个反射镜的光级度(light level)，并且确定两个相对的照相机的光强度是否存在不平衡。如果来自一个反射镜的太阳的反射被转移离开接收器光圈的中心并且偏向特定的照相机，则在该照相机中该反射镜的光强度将比在光圈的相对侧上的照相机中的光强度显得更亮。该情形在图8中示出，其中获取定日镜的图像810的照相机比获取相同定日镜的图像812的照相机更靠近太阳的反射。因此，特定定日镜的光强度在图像810中比图像812显得更亮。作为响应，跟踪控制器重新定向定日反射镜来以较低的仰角直射太阳光，使得在定日镜图像810中的光强度与图像812相同，这导致太阳的反射垂直居中在接收器光圈上。类似的跟踪步骤被用于使用在左部照相机图像813和右部照相机图像811中测量的光强度来调节定日镜方位角。当实现适当的方位角时，在左部照相机和右部照相机中观察的光强度是平衡的，并且反射的太阳光水平居中在接收器光圈上。

在本发明的一些实施例中，跟踪控制器基于太阳能偏振以及光强度跟踪太阳。如图9所示，使用以照相机组件900形式的安装接收器的照相机210至213来确定偏振。该照相机组件900包括具有电荷耦合装置(CCD)成像器的照相机基部910、光学透镜壳体920和旋转偏振器930。偏振器被配置为在获取定日镜阵列的图像时自动旋转。然后，最大偏振被用于确定太阳的方向。如图10所示，太阳光的偏振主要与太阳相切，而且该切向偏振的强度随着与太阳的角距离而增加。

在优选的实施例中，为每个捕获的图像确定用于每个反射镜的偏振。通过在偏振器930旋转至少180度的同时识别具有最亮光级度的图像来确定用于反射镜的最大偏振。对于每个照相机210至213中看到的每个反射镜，重复对于每个反射镜找到最大亮度的过程。对于四个照相机210至213中的每一个，记录与反射镜的最大亮度相关联的偏振器角度。然后，产生垂直于偏振角的径向线，以解释偏振与太阳相切的事实。然后，太阳应该位于径向线上的某处。叠加每个反射镜的径向线，并且基于那些径向线的会聚来估计太阳的位置。在优选实施例中，需要两个或更多个偏振测量来定位太阳的位置，但是在这里使用四个测量来提高准确性。

参照图11，在四个照相机210至213中针对相同的定日镜测量太阳光的偏振。然后，偏振角1110用于产生四条径向线1120，其会聚以指示居中在反射镜图像之间的太阳的位置。在图12中的另一示例中，测量太阳光的偏振1210，产生四条径向线1220，并且太阳的位置被确定为偏离中心。此时，跟踪控制器发出命令以将相关的反射镜重新定向在适当的位置上，以将太阳光反射到接收器光圈。

在一些实施例中，图7至图8的远离太阳的光强度跟踪步骤与图11至图12的偏振跟踪步骤相结合，以提高估计太阳的位置的准确性以及追踪步骤的准确性。

在本发明的一些实施例中，跟踪控制器选择性地使用光谱的红色端，以便增加用于光梯度跟踪的图像的信噪比。可以使用带有滤光片的照相机或通过使用图像处理软件调整图像的RGB(红、绿、蓝)分量的增益值来分离红色波长。红色波长是优选的，因为它们比蓝色波长更不易受瑞利散射影响。并且，从直射光束比红色波长更大程度散射的蓝色波长构成形成在跟踪图像中观察到的梯度的米氏散射光的下部。

在本发明的一些实施例中，跟踪控制器至少部分地基于光的颜色的比率或光的光谱的比率来确定太阳的位置。例如，在一个实施例中，例如，跟踪控制器确定由四个照相机210至213中的每一个观察的与每个反射镜相对应的白光的强度和蓝光的强度。白光强度随着与太阳边缘的角距离迅速下降，而蓝光基本均匀。然后，跟踪控制器确定由四个照相机中的每一个观察的每个反射镜的白光强度与蓝光强度的比率。对于给定的反射镜，如果该白/蓝比率对于在光圈的任意一侧上的两个相对的照相机(顶部和底部，或左部和右部)是相同的，则反射的太阳光居中在接收器光圈上。然而，如果比率对于相对的照相机是不同的，则太阳光被引导到更靠近观察更高比率的照相机的点。作为响应，跟踪控制器调整反射镜的方位以将反射的太阳光引导到基本上在两个照相机之间的点，以实现在两个相对的照相机之间的白光/蓝光的均匀比率。该比率可用于在仰角和方位角两个方面跟踪太阳。

在上述实施例中，跟踪控制器基于白光强度与蓝光强度的比率来定向反射镜。在其它实施例中，该比率是红光强度和/或绿光强度和蓝光的函数。红光的强度在靠近太阳的角度处最高，并且随着与太阳的角距离的增加，红光的强度将迅速下降。当参照本文中的白光、红光、绿光和蓝光时，本领域技术人员将理解，这些术语是指其中白色是宽光谱并且红色、绿色和蓝色是窄光谱的光谱。

本发明的一个或多个实施例可以利用一个或多个计算机可读介质来实施，其中每个介质可以被配置为在其上包括数据或用于操纵数据的计算机可执行指令。计算机可执行指令包括数据结构、对象、程序、例程或可由处理系统访问的其它程序模块，诸如与能够执行各种不同功能的通用计算机或处理器相关联的一个计算机可执行指令，或与能够执行有限数量的功能的专用计算机相关联的一个计算机可执行指令。计算机可执行指令使处理系统执行特定功能或功能组，并且是用于实现本文公开的方法的步骤的程序代码方法的示例。此外，可执行指令的特定序列提供可用于实现这些步骤的相应动作的示例。计算机可读介质的示例包括随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)、可编程只读存储器(“PROM”)、可擦除可编程只读存储器(“EPROM”)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、光盘只读存储器(“CD-ROM”)或能够提供可由处理系统访问的数据或可执行指令的任何其它装置或组件。包含计算机可读介质的大容量存储装置的示例包括例如硬盘驱动器、磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器和固态存储器芯片。本文使用的术语处理器是指包括例如个人计算装置、服务器、通用计算机、专用计算机、专用集成电路(ASIC)和具有分立元件的数字/模拟电路的多个处理装置。

虽然以上描述包含许多说明，但是这些说明不应被解释为限制本发明的范围，而应被解释为仅提供本发明的一些当前优选实施例的说明。

因此，已经通过示例而非限制的方式公开本发明，并且应当参考所附权利要求来确定本发明的范围。