CN101793597A - 一种室内光路测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内光路测试系统，包括：激光发生器，用于射出激光束；聚光镜支架，用于安装固定待测试的聚光镜，聚光镜支架位于激光发生器的对面，下端为两个同心圆盘，上盘比下盘略小，两盘可进行相对转动，上盘设有准线，下盘边缘有角度划分刻度，下盘的支脚为调节机构，用于调节盘的水平，盘上有一个支撑机构，用于支撑待测试的聚光镜；接收器，用作聚光镜反射光形成的焦斑屏幕。本发明还公开了测试光路的方法、测试焦斑能流密度的方法及测试镜组的聚光效果的方法。

Description

一种室内光路测试系统

技术领域

本发明涉及一种室内光路测试系统，尤其是一种太阳能反射式聚光镜的光路测试系统，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础，随着经济的持续高速增长，化石能源的资源有限性和开发利用带来的环境问题越来越成为经济和社会的可持续发展的制约因素。加快可再生能源的开发利用是解决能源和环境问题的重要途径和措施。太阳能是清洁无污染且永不枯竭的能源，光伏发电是发展最快的可再生能源之一，也是各国竞相发展的重点。

对于太阳能聚光系统的传统检测方法有两种，一种是星点观测方法，另一种是分辨率板观察方法。这两种方法比较简单，主要适合目视观测，经验性要求很强，对焦斑大小、相差象质等很难进行精确测量。用于检测焦斑的装置可以采用传统的平行光管目视测量装置，但是使用不方便，人眼容易疲劳，测量结果也有可能因人而异。

但是，由于太阳能聚光系统研制过程中需要高度依赖天气状况，如果晴天少，直射光出现的时间不长，就会造成测试聚光镜光路的时间很有限，从而大大延长太阳能聚光系统的研发周期。再者，室外调光存在诸多不便之处，需要复杂的跟踪太阳的平台，且空中作业条件下对光路进行修正也较为困难。

因此本发明提出了一种室内调光系统，可以在地面方便地测试和调整太阳能聚光系统的光路，并且不依赖室外阳光条件，全天24小时均可进行测试和调整，由此可大大缩短研发周期。

本发明还可用于规模化生产聚光镜的产品检测。

可用于将聚光镜组在室内基本安装调整好，然后上到室外支架上只需微调即可满足。这可使大规模太阳能聚光工程的施工过程即使在阴雨天和夜间也可以进行，显著缩短施工工期。

可用于聚光焦斑内部的能流密度测试和调整。焦斑能流密度的均匀性是聚光光伏系统一个极其重要的考核指标，国内由于尚无有效的能流密度测试方法，因此该系统填补国内空白，可极大促进聚光光伏系统的研制和规模化。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有的聚光镜光路测试中存在的工艺复杂、受日照因素限制等不足之处，提出一种适于室内的光路测试系统，从而提高测试系统的气候适应性，缩短研发周期。

根据本发明，提供一种室内光路测试系统，包括：

激光发生器，用于射出激光束；

聚光镜支架，用于安装固定待测试的聚光镜，聚光镜支架位于激光发生器的对面，下端为两个同心圆盘，上盘比下盘略小，两盘可进行相对转动，上盘设有准线，下盘边缘有角度划分刻度，下盘的支脚为调节机构，用于调节盘的水平，盘上有一个支撑机构，用于支撑待测试的聚光镜；

接收器，用作聚光镜反射光形成的焦斑屏幕。

室内光路测试系统的激光发生器包括若干个激光头，这些激光头间隔一字排开，各激光头的间距值可为5mm至20厘米，激光头的头部采用可调焦距的透镜，并可配有一字光栅或十字光栅，使射出的激光为一条直线或两条垂直的交叉线，而非一个点。各激光头射出的光线可以被调整，使各光线平行。

激光发生器的对面为一个聚光镜支架，例如曲面聚光镜支架，其下端为两个同心圆盘，两个同心圆盘之间夹装有相对转动机构，例如滚珠。下盘的支脚为调节机构，例如为三个可调螺栓，用于调节盘的水平。盘上有一个用于支撑聚光镜的支撑机构，例如框形结构，使被测聚光镜可以靠在上面。框形结构的中间为两根方管焊接在一起形成的槽，槽内有若干个卡接件，可以上下滑动，卡接件端部设有夹具，以便在不同高度处夹紧聚光镜。框形结构的下部设置有橡胶垫及顶杆螺栓，既用于固定聚光镜，又可以保护聚光镜免受剧烈振动。

根据本发明，提供一种室内光路测试方法，其步骤如下：

a).将聚光镜固定好之后，转动上盘，使上盘的准线对准下盘的“0”度刻度，然后调整整个聚光镜支架或激光发生器，使入射到聚光镜上的激光与上盘的准线平行，此时聚光镜开口正对入射激光光线，即一组平行的激光光束以0度入射角垂直射入聚光镜的采光口平面。

b).观察地面上出现的一组汇聚光线，在汇聚光线最集中的地方即确定为焦斑所在位置；

c).测量该处与聚光镜镜面定位点的距离，即为焦斑相对于聚光镜定位点的位置，在焦斑处设置一接收器，例如树立一靶面板，观察聚光镜整个焦斑的全貌；

d).观察从聚光镜反射回来的光线是否平直，获得聚光镜表面的屈曲变化情况和聚光效果，如果光线出现蚯蚓状弯曲，则表明聚光镜表面不够平整，聚光效果不好；如果每条反射光线都较为平滑，但焦斑上的反射光线出现交叉、失去平行或局部弯曲，导致整个焦斑不是一个平整的矩形，则表明聚光镜的表面面型发生扭曲，聚光效果也不好。

e).测试斜射情况下的焦斑，将上盘转动相应角度，上下两盘产生相对转动，上盘的准线对应的下盘角度划分刻度即是入射光相对于聚光镜采光口平面的入射角，确定焦斑的位置与观察焦斑是否平整判断聚光效果的测试过程同步骤b)-d)。

f).测量记录各聚光镜在不同入射角情况下焦斑的宽度和位置的数据，可用于镜组的整体光路设计。

根据本发明，还提供一种测试焦斑能流密度的方法，其测试方法如下：

由于在阳光照射的实际工况下，聚光镜上任何一点的反射光线的光谱都相同，因此焦斑上能流密度只与各反射光的位置有关。

确定要测试的能流密度的焦平面的地面位置，在该位置上设置一个接收器。在接收器表面出现的焦斑上，以2-4mm的间距将焦斑分为若干个等份的框格并进行编号。激光发生器的每个激光头都设有独立的通断开关，首先关闭所有的激光头，依次一个个开关所有的激光头，观察单个激光头产生的反射光线分布在焦斑内已经划分好的某个框格内，做好记录。所有的激光头均开关测试完毕之后，每一根反射光线留在焦斑某一框格内的次数和每一根反射光线在水平面内的投影与接收器法平面的夹角的余弦值即可被统计出来，每一根反射光线的次数与其对应的余弦值相乘，得到该光线在接收器某框格上的加权次数，将得到的加权次数作归一化处理，即测试得到了焦斑的相对能流密度值，即得到了接收器平面上能流分布的不均匀程度。

根据本发明，还提供一种测试镜组的聚光效果的方法，其测试过程如下：

将转盘上的方框取下，将已经安装在支架上的镜组侧放在转盘上，并调整光路测试系统，使镜组的总采光口平面与入射激光束垂直。此时镜组就相当于一面大的聚光镜，其焦斑测试过程与单面聚光镜的测试过程相同。类似地，可通过接收器观察到镜组的整个焦斑的全貌。通过观察焦斑是否平整来判断聚光效果。具体步骤为：

a).观察地面上出现的一组汇聚光线，在汇聚光线最集中的地方即确定为焦斑所在位置；

b).测量该处与镜组定位点的距离，在焦斑处设置一接收器，观察镜组整个焦斑的全貌；

c).观察从镜组反射回来的光线是否平直，获得镜组表面的屈曲变化情况和聚光效果，如果光线出现蚯蚓状弯曲，则表明镜组表面不够平整，聚光效果不好；如果每条反射光线都较为平滑，但焦斑上的反射光线出现交叉、失去平行或局部弯曲，导致整个焦斑不是一个平整的矩形，则表明镜组的表面面型发生扭曲，聚光效果也不好。

d).测试斜射情况下的焦斑，将上盘转动相应角度，上下两盘产生相对转动，上盘的准线对应的下盘角度划分刻度即是入射光相对于镜组采光口平面的入射角，确定焦斑的位置与观察焦斑是否平整判断聚光效果的测试过程同步骤a)-c)。

e).测量记录镜组在不同入射角情况下焦斑的宽度和位置的数据。

本发明还可做出进一步的改进，通过在接收器上安装电子传感器件，通过计算机来收集统计接收器上的光强度数值，进而自动判断聚光效果，增强判断的客观性。

本发明还可做出进一步的改进，将激光发生器置于聚光镜的上方，使激光束从聚光镜的上方入射，对处于工作姿态的聚光镜能够形成更为客观的判断。

本发明的光路测试系统与现有的光路测试系统相比，具有如下有益效果：

(1)可用于规模化生产聚光镜的产品检测。

(2)可用于将聚光镜组在室外安装施工。

(3)可用于聚光焦斑内部的能流密度测试和调整。焦斑能流密度的均匀性是聚光光伏系统一个极其重要的考核指标，国内由于尚无有效的能流密度测试方法，因此该系统填补国内空白，可极大促进聚光光伏系统的研制和规模化。

附图说明

图1为本发明的室内光路测试系统的激光发生器；

图2为本发明的室内光路测试系统的聚光镜支架侧视图；

图3为本发明的室内光路测试系统的聚光镜支架俯视图；

图4为本发明的室内光路测试系统的聚光镜支架的卡接件示意图；

图5为本发明的室内光路测试系统的聚光镜支架的卡接件安装在结构上的示意图；

图6为本发明的室内光路测试系统的直射光路图；

图7为本发明的室内光路测试系统的斜射光路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种室内光路测试系统，包括激光发生器，用于射出激光束；聚光镜支架，用于安装固定待测试的聚光镜，聚光镜支架位于激光发生器的对面，下端为两个同心圆盘，上盘比下盘略小，两盘可进行相对转动，上盘设有准线，下盘边缘有角度划分刻度，下盘的支脚为调节机构，用于调节盘的水平，盘上有一个支撑机构，用于支撑待测试的聚光镜；接收器，用作聚光镜反射光形成的焦斑屏幕。

其中，如图1所示，激光发生器包括若干个激光头2，这些激光头2间隔一字排开，各激光头2的间距值可为5mm至20厘米，例如10厘米的间距，激光头2的头部采用可调焦距的透镜，并可配有一字光栅或十字光栅，使射出的激光为一条直线或两条垂直的交叉线，而非一个点。各激光头2射出的光线可以被调整，使各光线平行。

如图2和3所示，激光发生器的对面为一个聚光镜支架，例如曲面聚光镜支架，其下端为两个同心圆盘21和22，上盘21比下盘22略小，上盘设有准线，下盘边缘有角度划分刻度，两盘可进行相对转动，两个同心圆盘之间夹装有相对转动机构，例如滚珠。下盘的支脚23为调节机构，例如为三个可调螺栓，通过调节盘上的校平气泡33来调节盘的水平。盘上有一个用于支撑聚光镜的支撑机构24，例如框形结构，使被测聚光镜可以紧固地靠在上面，并且随着上盘的转动，支撑机构也发生转动。框形结构的中间为两根方管焊接在一起形成的槽，槽内有两个卡接件25，如图4和5所示，可以上下滑动，卡接件25端部设有夹具，以便在不同高度处夹紧聚光镜。如图3所示，框形结构的下部设置有橡胶垫31及顶杆螺栓，既用于固定聚光镜，又可以保护聚光镜免受剧烈振动。

室内光路的测试步骤如下：

a).通过卡接件21将聚光镜固定在框形结构上之后，转动上盘，使上盘的准线对准下盘的“0”度刻度，然后调整整个聚光镜支架，也可以调整激光发生器，使入射到聚光镜上的激光与上盘的准线平行，此时如图6所示，聚光镜开口正对入射激光光线，即一组平行的激光光束以0度入射角垂直射入聚光镜的采光口平面。

b).观察地面上出现的一组汇聚光线，在汇聚光线最集中的地方即是焦斑所在位置；

c).测量该处与聚光镜镜面定位点的距离，即为焦斑相对于聚光镜定位点的位置，然后在焦斑处树立一靶面板，观察聚光镜整个焦斑的全貌；

d).观察从聚光镜反射回来的光线是否平直，获得聚光镜表面的屈曲变化情况和聚光效果，如果光线出现蚯蚓状弯曲，则表明聚光镜表面不够平整，聚光效果不好；如果每条反射光线都较为平滑，但焦斑上的反射光线出现交叉、失去平行或局部弯曲，导致整个焦斑不是一个平整的矩形，则表明聚光镜的表面面型发生扭曲，聚光效果也不好。

e).测试斜射情况下的焦斑，将上盘转动相应角度，上下两盘产生相对转动，如图7所示，上盘的准线对应的下盘角度划分刻度即是入射光相对于聚光镜采光口平面的入射角，确定焦斑的位置与观察焦斑是否平整判断聚光效果的测试过程同步骤b)-d)。

f).测量记录各聚光镜在不同入射角情况下焦斑的宽度和位置的数据，可用于镜组的整体光路设计，调整优化聚光镜组的设计方案。

由于在阳光照射的实际工况下，聚光镜上任何一点的反射光线的光谱都相同，因此焦斑上能流密度只与各反射光的位置有关。于是，进一步地，可以测试焦斑能流密度，其测试方法如下：

确定要测试的能流密度的焦平面的地面位置，在该位置上设置一个接收器。在接收器表面出现的焦斑上，以3mm的间距将焦斑分为若干个等份的框格并进行编号。激光发生器的每个激光头2都设有独立的通断开关1，首先关闭所有的激光头2，依次一个个开关所有的激光头2，观察单个激光头2产生的反射光线分布在焦斑内已经划分好的某个框格内，做好记录。所有的激光头2均开关测试完毕之后，每一根反射光线留在焦斑某一框格内的次数和每一根反射光线在水平面内的投影与接收器法平面的夹角的余弦值即可被统计出来，每一根反射光线的次数与其对应的余弦值相乘，得到该光线在接收器某框格上的加权次数，将得到的加权次数作归一化处理，即测试得到了焦斑的相对能流密度值，即得到了接收器平面上能流分布的不均匀程度。

焦斑能流密度的均匀性是聚光光伏系统一个极其重要的考核指标，本发明的室内光路测试系统能用于能流密度的测试，填补了国内空白，可极大促进聚光光伏系统的研制和规模化。

进一步地，还可以测试镜组的聚光效果，其测试过程如下：

将转盘上的方框取下，将已经安装在支架上的镜组侧放在转盘上，并调整光路测试系统，使镜组的总采光口平面与入射激光束垂直。此时镜组就相当于一面大的聚光镜，其焦斑测试过程与单面聚光镜的测试过程相同。类似地，可通过接收器观察到镜组的整个焦斑的全貌。通过观察焦斑是否平整来判断聚光效果。

以上结合附图和实施例对本发明进行了示意性描述，该描述没有限制性，附图所示的也只是一种实施例而已。本领域的技术人员应该理解，在本发明方案的技术启示下，他人也可能作出与本发明相似的或等效的设计。需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变和相似或等效设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内光路测试系统，包括：

激光发生器，用于射出激光束；

聚光镜支架，用于安装固定待测试的聚光镜，聚光镜支架位于激光发生器的对面，下端为两个同心圆盘，上盘比下盘略小，两盘可进行相对转动，上盘设有准线，下盘边缘有角度划分刻度，下盘的支脚为调节机构，用于调节盘的水平，盘上有一个支撑机构，用于支撑待测试的聚光镜；

接收器，用作聚光镜反射光形成的焦斑屏幕。

2.根据权利要求1所述的室内光路测试系统，其特征在于，所述的激光发生器包括若干个激光头，所述激光头间隔一字排开，激光头的头部采用可调焦距的透镜，并配有一字光栅或十字光栅，各激光头射出的光线可被调整成各光线平行。

3.根据权利要求2所述的室内光路测试系统，其特征在于，所述的激光头的间距值为5毫米至20厘米。

4.根据权利要求1所述的室内光路测试系统，其特征在于，所述的支撑机构为框形结构，框形结构的中间为两根方管焊接在一起形成的槽，槽内有若干个卡接件，可以上下滑动，所述的卡接件的端部设有夹具。

5.根据权利要求1所述的室内光路测试系统，其特征在于，所述的同心圆盘之间通过转动机构进行相对转动。

6.根据权利要求1所述的室内光路测试系统，其特征在于，所述的调节机构为若干个可调螺栓。

7.根据权利要求4所述的室内光路测试系统，其特征在于，所述的框形结构的下部设置有橡胶垫及顶杆螺栓。

8.一种采用权利要求1的室内光路测试系统的测试方法，其步骤如下：

a).将聚光镜固定好之后，转动上盘，使上盘的准线对准下盘的“0”度刻度，然后调整整个聚光镜支架或激光发生器，使入射到聚光镜上的激光与上盘的准线平行，此时聚光镜开口正对入射激光光线。

b).观察地面上出现的一组汇聚光线，在汇聚光线最集中的地方即确定为焦斑所在位置；

c).测量该处与聚光镜镜面定位点的距离，即为焦斑相对丁聚光镜定位点的位置，在焦斑处设置一接收器，观察聚光镜整个焦斑的全貌；

d).观察从聚光镜反射回来的光线是否平直，获得聚光镜表面的屈曲变化情况和聚光效果，如果光线出现蚯蚓状弯曲，则表明聚光镜表面不够平整，聚光效果不好；如果每条反射光线都较为平滑，但焦斑上的反射光线出现交叉、失去平行或局部弯曲，导致整个焦斑不是一个平整的矩形，则表明聚光镜的表面面型发生扭曲，聚光效果也不好。

e).测试斜射情况下的焦斑，将上盘转动相应角度，上下两盘产生相对转动，上盘的准线对应的下盘角度划分刻度即是入射光相对于聚光镜采光口平面的入射角，确定焦斑的位置与观察焦斑是否平整判断聚光效果的测试过程同步骤b)-d)。

f).测量记录各聚光镜在不同入射角情况下焦斑的宽度和位置的数据。

9.一种采用权利要求1的室内光路测试系统的测试焦斑能流密度的方法，其步骤如下：确定要测试的能流密度的焦平面的地面位置，在该位置上设置一个接收器；在接收器表面出现的焦斑上，以2-4mm的间距，优选为3mm，将焦斑分为若干个等份的框格并进行编号；激光发生器的每个激光头都设有独立的通断开关，首先关闭所有的激光头，依次一个个开关所有的激光头，观察单个激光头产生的反射光线分布在焦斑内已经划分好的某个框格内，做好记录；所有的激光头均开关测试完毕之后，每一根反射光线留在焦斑某一框格内的次数和每一根反射光线在水平面内的投影与接收器法平面的夹角的余弦值即可被统计出来，每一根反射光线的次数与其对应的余弦值相乘，得到该光线在接收器某框格上的加权次数，将得到的加权次数作归一化处理，即测试得到了焦斑的相对能流密度值。

10.一种采用权利要求1的室内光路测试系统的测试镜组的聚光效果的方法，其步骤如下：将转盘上的方框取下，将已经安装在支架上的镜组侧放在转盘上，并调整光路测试系统，使镜组的总采光口平面与入射激光束垂直。此时镜组就相当于一面大的聚光镜，类似权利要求8所述的步骤，具体步骤为：

a).观察地面上出现的一组汇聚光线，在汇聚光线最集中的地方即确定为焦斑所在位置；

b).测量该处与镜组定位点的距离，在焦斑处设置一接收器，观察镜组整个焦斑的全貌；

c).观察从镜组反射回来的光线是否平直，获得镜组表面的屈曲变化情况和聚光效果，如果光线出现蚯蚓状弯曲，则表明镜组表面不够平整，聚光效果不好；如果每条反射光线都较为平滑，但焦斑上的反射光线出现交叉、失去平行或局部弯曲，导致整个焦斑不是一个平整的矩形，则表明镜组的表面面型发生扭曲，聚光效果也不好。

d).测试斜射情况下的焦斑，将上盘转动相应角度，上下两盘产生相对转动，上盘的准线对应的下盘角度划分刻度即是入射光相对于镜组采光口平面的入射角，确定焦斑的位置与观察焦斑是否平整判断聚光效果的测试过程同步骤a)-c)。

e).测量记录镜组在不同入射角情况下焦斑的宽度和位置的数据。

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