CN101303270A - 一种球面太阳定日镜的面形校准方法 - Google Patents

Abstract

一种球面太阳定日镜面形校准方法。选定定日镜的朝向，在定日镜的球心位置放置人工光源(34)，其发出的近似同心发散光束(35)覆盖定日镜采光口。取光源靠近光源的位置为观察点，通过肉眼或望远镜(36)观察定日镜反射镜面上的光源影像位置。利用子镜的支撑机构，调整子镜(1)相对基准面(32)的倾斜角度，当子镜中心区域出现光源影像，即表明该子镜的角度合适。按此依次调整所有子镜角度，即可完成整个定日镜面形校准。本发明简单、高效，对镜面的平整度和面形误差没有特别要求。本发明可在夜间调整和校准定日镜。

Description

一种球面太阳定日镜的面形校准方法

技术领域

本发明涉及利用人工光源校准太阳定日镜面形的方法，特别涉及到球形反射面太阳定日镜面形校准方法。

背景技术

定日镜是太阳能塔式聚光系统中的聚光装置，它通过跟踪机构将太阳光反射并聚集到某一固定目标处。定日镜包括反射镜、支撑框架、立柱、传动和跟踪控制系统等五大部分。

一般定日镜的整体反射面设计成球面或近似球面。实际应用中，大型定日镜反射面是由若干子镜复合而成。各子镜通过在镜面中心的单点或在镜面边缘的多点支撑机构安装在支撑框架上，形成定日镜的反射机构。通过定日镜支撑框架可以设置一个安装基准平面，下称基准面。

对理想的球面定日镜来说，要求各子镜的几何中心落在球面上，法线与整体球面上对应点处的法线相一致。

太阳定日镜面形校准，是指通过子镜的支撑机构，把各个子镜中心点相对基准面的高度和其法线相对基准面的方位角和高度角，调整到设计要求的位置上，以完成精确定位反射聚光的功能。

面形校准的对象，或者是完成初始安装的定日镜，或者是经过面形校准，可以正常工作的定日镜。在定日镜初始安装时，要求各个子镜的中心基本在设计的整体反射面上，各子镜的倾角大致到位，这方便于定日镜的面形校准。

校准太阳定日镜的面形，一般是通过观察定日镜反射在靶面上的太阳光斑位置来调节各个子镜相对基准面的角度。即在定日镜理论焦点位置安装漫反射靶，调整定日镜各子镜倾角，使得光斑到达靶心，并且面积最小。由于定日镜的运行速度很慢，如果太阳角度合适，完全可以在定日镜自动跟踪的状态下调整所有的子镜。定日镜的面形校准，一般选在晴天的上午10时到下午2时的太阳时时间段内。该种定日镜面形校准方法以下简称太阳光斑法。

2003年发表在《Solar Energy》第75期上的文章“A novel procedure for the opticalcharacterization of solar concentrators”，介绍在夜间用无穷远的星光代替太阳检测定日镜的面形，文中假设定日镜的面形是球面或旋转抛物面。由于太阳能塔式聚光系统中，定日镜的焦距相对定日镜镜面的直径的比值在10以上，因而抛物面与球面的差别甚小。该检测方法，用星光代替太阳，在定日镜的焦平面上放置CCD相机，除了定日镜自动跟踪外，CCD相机在焦平面内上下移动，扫描拍摄定日镜面上的星光影像，通过对图像序列的分析重建定日镜复合反射面形的曲率分布图。此定日镜面形检测方法已于2002年向西班牙专利局申请了专利(P200201771)，方法本身还在进一步完善中。从定日镜面的曲率分布图，也可以分析得出单个子镜相对定日镜基准面的倾角，因此该方法可以考虑用来校准定日镜的面形。由于定日镜镜面上星光影像的序列图像采集用时在2个小时以上，因此可以考虑根据已有的定日镜面形检测结果，校准定日镜的面形，之后再重新检测校验。这里把用定日镜面形的星光检测法校准定日镜的面形的方法，简称为星光法。

上面的太阳光斑法，必须在有日照时进行。定日镜跟踪误差对定日镜的面形校准结果有影响。定日镜支撑框架的形变以及子镜的变形误差对定日镜的面形校准也有影响。

虽然星光法有用来校准定日镜的面形的潜力，正适合在夜间进行，但是在定日镜面形检测的2个小时以上的时间内，是不能校准定日镜的面形的，方法本身还需要完善。星光法需要太阳能塔式聚光系统当地天空中多数恒星体的季节运行规律的知识，方法显得复杂。

在太阳能塔式聚光热利用系统中，有成百上千套的定日镜，而每套定日镜又由几十个子镜组成，因此定日镜反射面面形校准工作量很大，再加上天气原因，镜场定日镜实际装调周期会相当长。若需要对定日镜的面形作定期校准，则工作量更大。因此需要有简单、高效、不依赖于日照的定日镜面形校准方法。

发明内容

本发明的目的克服上述现有技术的不足，针对球面定日镜，提供一种简单、高效的定日镜面形校准方法。

球面定日镜的整体反射面形是球面，由若干按行列或圈层方式布置的子镜复合成近似球面。校准球面定日镜的面形，要求各子镜的中心在整体球面上，且子镜在其中心处的法向与整体球面上相同点处的法向一致。子镜可以是平面、球面、圆柱面或其他面形。

本发明的原理是，对面形是球面或接近球面的太阳定日镜，利用球面镜的几何光学性质，即从球心发出的同心发散光束经球面反射后汇聚于球心，选定定日镜的一个朝向，在定日镜整体球面的球心位置放置人工光源，在靠近光源的位置，或者肉眼直接观察，或者通过望远镜，观察定日镜反射镜面上的光源影像位置；通过子镜的支撑机构，调整子镜相对于基准面的倾斜角度，直到子镜中心区域出现光源影像，表明子镜调整到位，锁紧子镜的支撑机构；所有子镜一个接一个地顺序调整到位，便完成了定日镜的面形校准。

本发明面形校准方法的步骤如下：

1.初始安装定日镜时，要保证定日镜各子镜的中心在整体球面上，各子镜相对于定日镜基准面的倾角大致到位，即各子镜的复合反射面整体成凹面。

2.确定的定日镜的朝向和光源的位置。根据待调定日镜的位置、周围的可能遮挡物、定日镜运转的角度范围、定日镜整体球面的半径和可能的光源放置位置，选择定日镜的一个朝向，即基准面的法向。通过跟踪控制系统在手动操作模式下把定日镜运转到选定朝向。可从定日镜跟踪控制系统上位机的屏幕上，或跟踪控制系统自带的LED显示屏上，读得定日镜的当前朝向，即定日镜的方位角和俯仰角。也可以用测距测角仪测得定日镜的当前朝向，即基准面的法向。用测距测角仪测得定日镜旋转中心，即两个旋转轴的交点的空间坐标：北-东-高，又已知了整体球面中心(即顶点)到旋转中心的距离，再通过测距测角仪沿着定日镜的朝向，确定光源的位置。光源到定日镜旋转中心的距离等于整体球面的半径加上球面中心到旋转中心的距离。此时在光源位置可以观察到定日镜的整个反射镜面，没有遮挡物。

3.架设人工光源。在夜里，在指定位置架设人工光源(如氙灯)，调整光源的发散角度，使出射光束能覆盖整个定日镜反射面，其出射光柱近似同心发散光束。光源固定好后，光束的发射方向保持不变。

4.安装望远镜。取靠近光源的位置作为观察点，如果人眼直接观察可以看清定日镜反射镜面上的光源影像，则不必安装望远镜。否则在指定的观察点，安装望远镜。望远镜调焦后可观察到定日镜的整个反射面。通过望远镜观察定日镜反射镜面上的光源影像：亮斑或零星的亮点。或者用摄像头代替望远镜，观察人员在显示屏上观察反射镜面上的光源影像位置。

5.定日镜面形校准。通过望远镜观察某子镜中心区域是否有光源影像，若有则说明当前子镜中心相对基准面的高度和倾斜角度正好，否则调整子镜相对定日镜基准面的倾角，把光源影像调移到子镜中心。由于不同的支撑机构对应的调整方式有所差别，故这里不涉及具体的角度调整细节，只作原理性描述。这里的子镜是方形或矩形或圆形或正六边形或其他形状，面形是平面或球面或圆柱面或其他面形。若镜面的平整度好，在定日镜整体球面的球心处观察到，在子镜的镜面上的光源影像是明亮的区域，即亮斑；若镜面的平整度差，子镜的镜面上的光源影像是零星的亮点。定日镜面形校准完毕后，通过望远镜可见整个定日镜镜面在光源的对面闪闪发亮。定日镜的面形校准不改变子镜的反射面形。

本发明具有如下特点：

第一，适于在夜间操作校准定日镜的面形。

第二，针对面形是球面或接近球面的定日镜。子镜是方形、矩形、圆形、正六边形或其他形状，面形是平面、球面、圆柱面或其他面形。

第三，主要用到人工光源、望远镜和测距测角仪。光源放置在定日镜的整体球面的球心处，其发出的同心光束覆盖定日镜采光口。光源的位置和出射光的方向保持不变，方便定日镜的面形校准。

第四，本发明方法对子镜变形误差没有严格要求，对子镜的平整度没有严格要求，也可以用来调整镜面中心有缺陷的子镜。

第五，本发明方法只要求在初始安装定日镜时，尽量使各子镜的中心点在整体球面上。在定日镜面形校准时，无需计算各子镜中心点处的法向。而只通过观察光源在定日镜反射镜面上的影像位置，即可校准定日镜的面形。

第六，本发明是一种简单、高效的球面定日镜面形校准方法。

附图说明

图1是定日镜结构的主视图，图中：1子镜、2支撑框架、3传动系统、4立柱；

图2是球面镜几何光学原理图，图中：11球面镜、12从球面镜球心发出的同心光束；

图3是当定日镜的子镜相对基准面的倾角正好时，在镜面中心的光源影像示意图。图3a示意镜面平整度好的情形，镜面上的光源影像是明亮的区域，即亮斑；图3b示意镜面平整度差的情形，镜面上的光源影像是零星的亮点，图中：16定日镜子镜、17镜面平整度好时的光源影像、18镜面平整度差时的光源影像；

图4是子镜的单点和多点(3～4点)点支撑机构示意图，图4a是点支撑机构示意图，图4b是3点支撑机构示意图，图4c是4点支撑机构示意图，图中，1子镜、21子镜支撑机构的支撑杆、22支撑框架的一部分；

图5是球面定日镜面形校准方法示意图，图中，1子镜，31定日镜旋转中心，32定日镜反射面的基准面，33子镜的中心，34人工光源，35光源发散光束，36观察定日镜反射镜面上光源影像的望远镜，37定日镜整体球面中心(即顶点)，38定日镜整体球面，39定日镜子镜中心到基准面的高度，40定日镜整体球面的半径R，41定日镜整体球面中心到旋转中心的距离d，42定日镜整体球面中心到基准面的高度z₀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明实施例是64m²的球面定日镜，球面半径R是600m，人工光源是光出射口径为150mm氙灯。

定日镜结构如图1所示，定日镜包括反射镜、支撑框架2、传动系统3和跟踪控制系统，传动系统3连接支撑框架2与立柱4。传动系统3通过水平-俯仰双轴旋转跟踪方式，实现定日跟踪。定日镜整体反射面是球面，实际反射面形由16个2m×2m的球面子镜1复合而成，每个子镜1与整体球面具有相同的面形。各子镜通过在镜面中心的单点支撑机构，如图4a，安装在支撑框架上，形成定日镜的反射镜。

如图2所示，从球心发出的同心发散光束12经球面镜11反射后原路返回，汇聚于球心。对实际的球面定日镜，从球心发出的同心光束经定日镜反射后，汇聚于一个包含球心的空间区域，因而可以考虑在球面定日镜球心处光源34的正下方且靠近光源的位置架安装望远镜36，观察定日镜反射镜面16上的光源影像17或18，以此来校准球面定日镜的面形。

对球面定日镜的面形校准，要求各子镜的中心33在整体球面38上，而后通过子镜1的支撑机构，调整各子镜1相对定日镜基准面32的倾角，使子镜中心33的法向指向球心。也就是说，对倾角正好的子镜1，可通过在球心附近的望远镜36，观察到子镜镜面中心区域的光源影像17或18。

定日镜子镜的支撑机构的支撑杆21连接子镜1与支撑框架22，如图4a、图4b、图4c所示。对如图4a的单点支撑方式，直接通过调整支撑机构改变子镜1相对基准面32的倾角。对如图4b、图4c所示的多点支撑方式，通过调整支撑机构的支撑杆21的长度，实现对子镜1相对基准面32的角度调整。不过本例中定日镜子镜采用单点支撑方式。

1.为了快速完成球面定日镜的面形校准，需要子镜的几何中心33在整体球面38上。

把基准面32作为XY平面，根据各子镜1的布置方式，可以求得子镜中心33的坐标(x_i，y_i)，由定日镱的整体球面方程(1)

$z=z_0+R-\sqrt{R^2-(x^2+y^2)}---\left(1\right)$

计算得到各子镜中心点33相对基准面32的高度39。这里，z₀是定日镜整体球面中心到基准面32的高度42，R是定日镜整体球面38的半径40，d是定日镜整体球面中心(即顶点)37到旋转中心31的距离41。由此把子镜中心点33的高度39调整到位。

2.如图5所示，选定定日镜的一个朝向，使得在整体球面的球心处放人工光源34后，人工光源34发出的发散光束35能覆盖整个定日镜镜面。定日镜的控制跟踪系统把定日镜运转到要求朝向，并从中读出定日镜当前的朝向，即定日镜基准面的法向。根据定日镜的当前朝向、球面中心37到旋转中心31的距离41和定日镜整体球面的半径40，使用测距仪确定整体球面球心的空间位置。球心处安装光源34。取光源正下方且靠近光源的位置为观察点，观察定日镜反射镜面上的光源影像位置。如果人眼直接观察不够清楚，则在观察点位置安装望远镜36。

3.在夜间校准定日镜的面形。观察子镜镜面16上的光源影像17或18。17对应镜面平整度好的光源影像，是连续的亮斑，18对应镜面平整度差的光源影像，是一些零星的亮点。通过子镜1的支撑机构调整其角度，直到把子镜镜面16上的光源影像调移到子镜的中心区域，如图3a和图3b。

按顺序调整过每个子镜的相对基准面的倾角后，定日镜面形校准完毕，此时可观察到整个定日镜中每个子镜镜面均闪闪发亮。

Claims (5)

1、一种球面太阳定日镜的面形校准方法。其特征在于，选定定日镜的一个朝向，在定日镜球心位置放置发散光源(34)，通过肉眼直接观察，或安装在靠近光源的望远镜(36)，观察定日镜子镜面上的光源影像，来确定各子镜相对基准面的倾斜角度和位置；当子镜中心区域出现光源影像时，即表明该子镜已处于正确位置，否则通过动作支撑机构来调节子镜相对定日镜基准面的角度，使得子镜中心均有光源影像出现；定日镜所有子镜的倾斜角度调整后，即完成定日镜的面形校准。

2、按照权利要求1所述的球面太阳定日镜的面形校准方法，其特征在于发散光源(34)发出的发散光束近似同心光束，光束覆盖定日镜的采光口；在定日镜的面形校准过程中，在光束的发射方向保持不变。

3、按照权利要求1所述的球面太阳定日镜的面形校准方法，其特征在于，对面形是球面或接近球面的定日镜，其中子镜外形可以是方形、矩形、圆形、正六边形或其他形状，子镜曲面可以是平面、球面、圆柱面、抛物面或其他面形。

4、按照权利要求1所述的球面太阳定日镜的面形校准方法，其特征在于定日镜中所有子镜相对基准面的倾斜角度和离基准面的高度均可调节。

5按照权利要求1所述的球面太阳定日镜的面形校准方法，其特征在于：在光源的近旁的观察点，或者人眼直接观察或者通过望远镜观察或者用带显示屏的有调焦功能的摄像头代替望远镜，来观察镜面上的光源影像。

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