CN105068212B - 太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置及调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置及调整方法。本发明的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，包括图像采集设备A、图像采集设备B、数据处理终端、实时显示设备、光源、棋盘靶A、棋盘靶B和位于聚光器的反射镜曲面焦平面的接收屏；光源位于聚光器的反射镜曲面焦点的上方，图像采集设备A位于聚光器的上方，图像采集设备B位于接收屏的下方，图像采集设备A和图像采集设备B与数据处理终端连接；棋盘靶A的棋盘图案的中心位于反射镜曲面的顶点；棋盘靶B安装在聚光器的外沿，数据处理终端与实时显示设备连接。本发明能实时指示反射镜面位姿和聚光情况，使得反射镜面的安装精度和效率高，还具有操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，更具体的说是涉及一种太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置及调整方法。
背景技术
在太阳能光热发电技术领域，由于太阳光能的辐射资源存在能流密度低，而不能进行直接的采集利用，往往须将大面积的太阳光能聚集到吸热器腔体内，进而达到太阳光热的高品位热利用。太阳光能的大面积聚集是利用聚光器的反射镜曲面实现的，但随着光热发电系统功率级别的增加，聚光器的尺度将进一步增大。然而，大型聚光器受反射镜面成型工艺的限制而难以整体制造，当前一般采用多反射镜面单元进行拼合而成。
聚光器反射镜曲面是实现太阳光热聚集的关键，而大型聚光器是由许多块反射镜面拼合安装构成聚光特性的反射镜曲面，各反射镜面单元的安装精度直接决定聚光器的光学性能。因此，提高反射镜面的安装精度和效率是迫切的。
当前，对于聚光器反射镜面的安装主要是通过相匹配的弧板尺进行调整，这在大型聚光器中是较难实现的，且安装精度难以保证。现有技术1（CN 102620677 A）中公布了一种太阳能集热聚光器的面型检测及调整方法，是通过在反射镜面的调整机构附近布置测试点，并进行多位置的测试点的图像采集，处理得到反射镜面型及位姿状态，进而对反射镜面进行调整来实现的。该调整方法需要在反射镜面布置测试点，且需要从多角度拍摄测试点的图像才能得到当前位姿，其操作效率低，尤其在反射镜面的不断调整过程中更为明显。同时，由于反射镜面安装是工作人员位于调整机构附件，而采集图像过程中工作人员需要进行一定的避让，防止遮挡测试点在相机中的成像，导致整个调整过程实施不具备实时性。更为重要的是，该调整方法并不是面向聚光器聚光性能的调整过程，当反射镜面的调整机构本身制造存在误差时，则反射镜面的调整是达不到聚光要求的，这种调整方法具有调整效率和精度低的缺陷。
聚光器反射镜面的精确安装是在不断的调整过程中实现，安装效率的提高以及面向聚光性能的安装是核心。因此，安装调整过程的反射镜面空间位姿以及焦平面聚光分布的实时显示，对提高安装效率和精度是尤为重要的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够提高聚光器反射镜面安装效率和精度的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置及调整方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，包括图像采集设备A、图像采集设备B、数据处理终端、实时显示设备、光源、棋盘靶A、棋盘靶B和位于聚光器的反射镜曲面焦平面的接收屏；所述光源位于聚光器的反射镜曲面焦点的上方，光源发射的光线与聚光器的反射镜曲面的焦轴平行；所述的图像采集设备A位于聚光器的上方，头部朝向聚光器，图像采集设备A与数据处理终端连接；所述的图像采集设备B位于接收屏的下方，头部朝向接收屏，图像采集设备B与数据处理终端连接；棋盘靶A的棋盘图案表面与聚光器的反射镜曲面的焦轴垂直，棋盘靶A的棋盘图案的中心位于反射镜曲面的顶点；棋盘靶B安装在聚光器的外沿，棋盘靶B和棋盘靶A的棋盘图案的表面平行；所述的数据处理终端与实时显示设备连接。
上述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置中，还包括棋盘靶C，棋盘靶C位于光源的正下方，带棋盘图案的表面朝上。
上述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置中，所述棋盘靶A、棋盘靶B和棋盘靶C均为工业相机标定用的表面带有黑白矩形的棋盘图案的工具。
上述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置中，所述接收屏为工业相机标定用的表面带有黑白矩形的棋盘图案的工具，有棋盘图案的表面是光线接收面，且棋盘图案的中心位于聚光器反射镜曲面的焦点位置，接收屏和棋盘靶A的棋盘图案的黑白矩形边线平行。
上述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置中，所述的聚光器划分成多个相同的扇形区域，所述光源的尺寸及形状与聚光器的扇形区域相匹配，光源对应的扇形区域内的各独立的反射镜面上至少接收到十根光线，且光线投射区域小于独立的反射镜面在反射镜的设计位置时沿光线投射方向的投影区域。
上述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置中，所述的实时显示设备上设有光斑显示屏、反射镜面的安装支撑点的实际位置与反射镜的设计位置的坐标差值显示器及用于调整到位指示的鸣笛器。
一种太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿的调整方法，包括以下步骤：
1）调整图像采集设备A11，使得棋盘靶A和棋盘靶B在其视场内，并采集棋盘靶A和棋盘靶B的图像，将图像传输至数据处理终端进行处理，处理时以棋盘靶A的棋盘图案表面为XY平面，以棋盘图案表面中心为坐标系原点O，以指向焦点方向为Z轴，X轴和Y轴分别与棋盘图案的两条边线平行，建立空间笛卡尔坐标系，得到棋盘靶A和棋盘靶B的空间位姿关系；
2）开启待安装的反射镜面上方相应位置的光源，用棋盘靶C接收光源投射的光线，通过图像采集设备A采集棋盘靶C和棋盘靶A在同一视场的图像，或采集棋盘靶C和棋盘靶B在同一视场的图像，将采集的图像通过数据线传输到数据处理终端，处理得到棋盘靶C接收的各投射光线的空间方程；
3）手持反射镜面至待安装位置并接收光源投射的光线，图像采集设备A采集反射镜面的表面光斑和棋盘靶A或棋盘靶B在同一视场的图像，并通过数据线将图像传输到数据处理终端进行处理，结合步骤2)的光源的光线方程得到反射镜面的光斑空间坐标，而后根据最小二乘法拟合得到反射镜面的实际曲面方程，并将曲面方程进行标准化，得到相对于理想曲面方程的曲面方程的平移矩阵和旋转矩阵，进而得到反射镜面的安装支撑点的实际位置与反射镜的设计位置的坐标差值，并传输给实时显示设备的差值显示器进行显示；同时，图像采集单元B采集接收屏表面的光斑图像，并将图像传输给数据处理终端进行处理，得到焦平面的光斑分布，并通过无线网络传输给实时显示设备的光斑显示屏进行显示；
4）根据步骤3)的指示数据，手持反射镜面进行空间位姿调整，同时实时显示设备的数值也按照步骤3)的方法进行实时更新。
5）按照上述的步骤2)~ 4)进行反射镜扇形区域的下一块反射镜面的安装，当该扇形区域全部安装完成后，将聚光器整体旋转与反射镜扇形区域相等的夹角，进入下一反射镜扇形区域的反射镜面的安装，直至聚光器的反射镜面安装完毕。
上述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿的调整方法中，步骤4）中反射镜面空间位姿调整的具体方法如下：首先依据差值显示器的指示值将反射镜面的第一支撑点移动至反射镜的设计位置，通过球铰螺栓将第一支撑点固定在聚光器网架上；然后依据差值显示器的指示值调整反射镜面的第二支撑点到达反射镜的设计位置，并通过球铰螺栓固定在聚光器网架上，最后通过反射镜面的第一支撑点和第二支撑点组成的轴线，旋转调整反射镜面，使反射镜面的第三支撑点达到反射镜的设计位置，并采用球铰螺栓将反射镜面的第三支撑点和第四支撑点固定在聚光器网架上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在太阳能集热聚光器反射镜面安装调试过程中，本发明的实时显示设备能够实时显示反射镜面的空间位姿以及焦平面聚光分布，有效的指导了工作人员的安装调整过程，显著提高了反射镜面的安装效率；本发明基于焦平面的聚光分布对反射镜面调整，能够有效的保证反射镜面的安装是面向聚光性能的，使得太阳能集热聚光器反射镜面具有较高的安装精度高，同时对于反射镜面无需进行任何外加处理，具有操作方便的优点。
附图说明
图1是本发明的太阳能集热聚光器反射镜面安装的位姿指示装置的原理图。
图2是本发明的实时显示设备的结构示意图。
图3是本发明的反射镜面实际空间位姿与理想位姿的关系示意图。
图4是本发明的太阳能集热聚光器反射镜面安装的位姿指示装置的实施例1的主视图。
图5是本发明的太阳能集热聚光器反射镜面安装的位姿指示装置的实施例1的立体图。
图6是本发明太阳能集热聚光器反射镜面安装的位姿指示装置实施例1的反射镜面安装调整结构图。
图中：1—位姿检测单元；3—数据处理终端；4—实时显示设备；5—数据线；6—聚光器；7—棋盘靶A；8—反射镜面；9—棋盘靶B；10—棋盘靶C；11—图像采集设备A；12—光源；13—接收屏；14—图像采集设备B；15—光斑显示屏；16—鸣笛器；17—坐标差值显示器；18—聚光器背架；19—球铰螺栓；20—螺母；21—球面垫圈组件；22—聚光器网架；23—转动座；24—固定轴；25—立柱；26—横梁；27—支撑座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的太阳能集热聚光器反射镜面安装的位姿指示装置，包括位姿检测单元1、图像采集设备B 14、数据处理终端3、实时显示设备4、光源12和位于聚光器6的反射镜曲面焦平面的接收屏13；所述光源12位于聚光器6的反射镜曲面焦点的上方，光源12发射的光线为点结构光线，且光线与聚光器6的反射镜曲面的焦轴平行。聚光器6划分成多个相同的扇形区域，所述光源12的尺寸及形状与聚光器6的扇形区域相匹配，光源12对应的扇形区域内的各独立的反射镜面上至少接收到十根光线，且光线投射区域小于独立的反射镜面在反射镜的设计位置时沿光线投射方向的投影区域。所述的图像采集设备B 14位于接收屏的下方，头部朝向接收屏，图像采集设备B 14与数据处理终端连接。
所述的位姿检测单元1包括棋盘靶A 7、棋盘靶B 9、棋盘靶C 10和图像采集设备A11；所述棋盘靶A 7、棋盘靶B 9和棋盘靶C 10均为相机标定用的表面带有黑白矩形的棋盘图案的工具；所述棋盘靶A 7的棋盘图案表面与聚光器6的反射镜曲面的焦轴垂直，且棋盘图案的中心位于理想曲面的顶点。所述棋盘靶B 9安装在聚光器6的外沿，且棋盘靶B 9和棋盘靶A 7两者的棋盘图案的表面平行；所述的图像采集设备A 11位于聚光器6的上方，头部朝向聚光器6，图像采集设备A 11与数据处理终端3连接；图像采集设备A 11使棋盘靶A 7和反射镜面8在成像区域内，或使棋盘靶B 9和反射镜面8在成像区域内，解决大尺寸聚光器的反射镜面安装时相机视角不够的问题。所述棋盘靶C 10位于光源12的正下方，带棋盘图案的表面朝上，接收光源12投射的光线，且只有标定光源12投射的光线方程时才放置，其他时候不放置。所述的数据处理终端3与实时显示设备4连接。
所述的接收屏13为工业相机标定用的表面带有黑白矩形的棋盘图案的工具，有棋盘图案的表面是光线接收面，且棋盘图案的中心位于聚光器理想反射镜曲面的焦点位置，接收屏13和棋盘靶A 7两者的棋盘图案的黑白矩形边线平行，便于接收屏表面的光斑坐标求解。
所述光源12的尺寸及形状与聚光器6的反射镜面扇形划分相匹配，各独立的每块反射镜面8的上方至少要求发射10根光线，投射的光线数量越多则反射镜面的空间曲面拟合越精确，且光线投射区域要小于反射镜面8在反射镜的设计位置时沿光线投射方向的投影区域，可满足反射镜面载调整过程中均能接收光源投射的所有光线。
如图2所示，所述的实时显示设备4上设有光斑显示屏15、反射镜面的安装支撑点实际位置与反射镜的设计位置的坐标差值显示器17及用于调整到位指示的鸣笛器16。操作人员随身携带实时显示设备，根据实时显示的反射镜面位姿状态以及光斑情况，方便进行反射镜面的安装调整工作。
本发明的太阳能集热聚光器反射镜面安装调整方法，包括如下步骤：
1）首先调整图像采集设备A 11至合适位置，使得棋盘靶A 7和棋盘靶B 9在其视场内，并采集棋盘靶A 7和棋盘靶B 9的图像，将图像传输至数据处理终端3进行处理，处理时以棋盘靶A 7的棋盘图案表面为XY平面，以棋盘图案表面中心为坐标系原点O，以指向焦点方向为Z轴，X轴和Y轴分别与棋盘图案的两条边线平行，建立空间笛卡尔坐标系，得到棋盘靶A 7和棋盘靶B 9的空间位姿关系。
2）开启待安装的反射镜面8上方相对应位置的光源12，用棋盘靶C 10接收光源12投射的光线，通过图像采集设备A 11采集棋盘靶C 10和棋盘靶A 7在同一视场的图像，或采集棋盘靶C 10和棋盘靶B 9在同一视场的图像，将采集的图像通过数据线5传输到数据处理终端3，处理得到棋盘靶C 10接收的各投射光线的空间方程。
3）手持反射镜面8至待安装位置并接收光源12投射的光线，图像采集设备A 11采集反射镜面8表面的光斑和棋盘靶A 7在同一视场的图像，或采集反射镜面8表面的光斑和棋盘靶B 9在同一视场的图像，并通过数据线5将图像传输到数据处理终端3进行处理，结合投射的光线方程得到反射镜面8表面的光斑空间坐标，根据最小二乘法拟合得到反射镜面8的实际曲面方程，并将曲面方程进行标准化，得到相对于理想曲面方程的平移矩阵和旋转矩阵，进而得到反射镜面8的四个安装支撑点的实际位置与反射镜的设计位置的坐标差值，并传输给实时显示设备4的差值显示器17进行显示。
与此同时，图像采集单元B 14采集接收屏13表面的光斑图像，并将图像传输给数据处理终端3进行处理，得到焦平面的光斑分布，并通过无线网络传输给实时显示设备4的光斑显示屏15进行显示。
4）根据实时显示设备4指示的数据，手持反射镜面8进行空间位姿调整，同时实时显示设备4的指示数值也按照上述的步骤方法进行实时更新。反射镜面位姿调整时，首先依据差值显示器17的指示值将反射镜面的第一支撑点移动至反射镜的设计位置，此时鸣笛器16相应的产生“A到位”的指示声音，通过球铰螺栓19将第一支撑点固定在聚光器网架22上；然后调整反射镜面的第二支撑点到达反射镜的设计位置，并通过球铰螺栓固定在聚光器网架22上，最后通过第一支撑点和第二支撑点组成的轴线，旋转调整反射镜面8，使第三支撑点处于反射镜的设计位置，并采用球铰螺栓将第三支撑点C和第四支撑点固定在聚光器网架22上。在反射镜面8的位姿调整过程中，当光斑显示屏15显示的光斑分布在设计允许区域内时，鸣笛器16发出“光斑到位”的指示声音，优先的将反射镜面8的第一支撑点、第二支撑点、第三支撑点和第四支撑点固定在聚光器网架22上。
5）按照上述的步骤进行反射镜扇形区域的下一块反射镜面8的安装，当该扇形区域全部安装完成后，将聚光器整体随转动座23一起绕OZ轴旋转与反射镜扇形区域相等的夹角，并进入下一反射镜扇形区域的反射镜面8的安装，直至聚光器的反射镜面安装完毕。
本发明克服了现有技术的不足，在反射镜面8安装调整过程中，本发明的实时显示设备4能够实时显示反射镜面的空间位姿以及焦平面聚光分布，有效的指导了工作人员的安装调整过程，显著提高了反射镜面8的安装效率。本发明基于焦平面的聚光分布对反射镜面8调整，能够有效的保证反射镜面的安装是面向聚光性能的，使得反射镜面8具有较高的安装精度，同时对于反射镜面8无需进行任何外加处理，具有操作方便优点。
Claims (8)
1.一种太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，其特征是：包括图像采集设备A、图像采集设备B、数据处理终端、实时显示设备、光源、棋盘靶A、棋盘靶B和位于聚光器的反射镜曲面焦平面的接收屏；所述光源位于聚光器的反射镜曲面焦点的上方，光源发射的光线与聚光器的反射镜曲面的焦轴平行；所述的图像采集设备A位于聚光器的上方，头部朝向聚光器，图像采集设备A与数据处理终端连接；所述的图像采集设备B位于接收屏的下方，头部朝向接收屏，图像采集设备B与数据处理终端连接；棋盘靶A的棋盘图案表面与聚光器的反射镜曲面的焦轴垂直，棋盘靶A的棋盘图案的中心位于反射镜曲面的顶点；棋盘靶B安装在聚光器的外沿，棋盘靶B和棋盘靶A的棋盘图案的表面平行；所述的数据处理终端与实时显示设备连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，其特征是：还包括棋盘靶C，棋盘靶C位于光源的正下方，带棋盘图案的表面朝上。
3.根据权利要求1所述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，其特征是：所述棋盘靶A、棋盘靶B和棋盘靶C均为工业相机标定用的表面带有黑白矩形的棋盘图案的工具。
4.根据权利要求1所述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，其特征是：所述接收屏为工业相机标定用的表面带有黑白矩形的棋盘图案的工具，有棋盘图案的表面是光线接收面，且棋盘图案的中心位于聚光器反射镜曲面的焦点位置，接收屏和棋盘靶A的棋盘图案的黑白矩形边线平行。
5.根据权利要求1所述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，其特征是：所述的聚光器划分成多个相同的扇形区域，所述光源的尺寸及形状与聚光器的扇形区域相匹配，光源对应的扇形区域内的各独立的反射镜面上至少接收到十根光线，且光线投射区域小于独立的反射镜面在反射镜的设计位置时沿光线投射方向的投影区域。
6.根据权利要求1所述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿指示装置，其特征是：所述的实时显示设备上设有光斑显示屏、反射镜面的安装支撑点的实际位置与反射镜的设计位置的坐标差值显示器及用于调整到位指示的鸣笛器。
7.一种太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿的调整方法，包括以下步骤：
1）调整图像采集设备A11，使得棋盘靶A和棋盘靶B在其视场内，并采集棋盘靶A和棋盘靶B的图像，将图像传输至数据处理终端进行处理，处理时以棋盘靶A的棋盘图案表面为XY平面，以棋盘图案表面中心为坐标系原点O，以指向焦点方向为Z轴，X轴和Y轴分别与棋盘图案的两条边线平行，建立空间笛卡尔坐标系，得到棋盘靶A和棋盘靶B的空间位姿关系；
2）开启待安装的反射镜面上方相应位置的光源，用棋盘靶C接收光源投射的光线，通过图像采集设备A采集棋盘靶C和棋盘靶A在同一视场的图像，或采集棋盘靶C和棋盘靶B在同一视场的图像，将采集的图像通过数据线传输到数据处理终端，处理得到棋盘靶C接收的各投射光线的空间方程；
3）手持反射镜面至待安装位置并接收光源投射的光线，图像采集设备A采集反射镜面的表面光斑和棋盘靶A或棋盘靶B在同一视场的图像，并通过数据线将图像传输到数据处理终端进行处理，结合步骤2)的光源的光线方程得到反射镜面的光斑空间坐标，而后根据最小二乘法拟合得到反射镜面的实际曲面方程，并将曲面方程进行标准化，得到相对于理想曲面方程的曲面方程的平移矩阵和旋转矩阵，进而得到反射镜面的安装支撑点的实际位置与反射镜的设计位置的坐标差值，并传输给实时显示设备的差值显示器进行显示；同时，图像采集单元B采集接收屏表面的光斑图像，并将图像传输给数据处理终端进行处理，得到焦平面的光斑分布，并通过无线网络传输给实时显示设备的光斑显示屏进行显示；
4）根据步骤3)的指示数据，手持反射镜面进行空间位姿调整，同时实时显示设备的数值也按照步骤3)的方法进行实时更新；
5）按照上述的步骤2)~ 4)进行反射镜扇形区域的下一块反射镜面的安装，当该扇形区域全部安装完成后，将聚光器整体旋转与反射镜扇形区域相等的夹角，进入下一反射镜扇形区域的反射镜面的安装，直至聚光器的反射镜面安装完毕。
8.根据权利要求7所述的太阳能集热聚光器反射镜面安装位姿的调整方法，步骤4）中反射镜面空间位姿调整的具体方法如下：首先依据差值显示器的指示值将反射镜面的第一支撑点移动至反射镜的设计位置，通过球铰螺栓将第一支撑点固定在聚光器网架上；然后依据差值显示器的指示值调整反射镜面的第二支撑点到达反射镜的设计位置，并通过球铰螺栓固定在聚光器网架上，最后通过反射镜面的第一支撑点和第二支撑点组成的轴线，旋转调整反射镜面，使反射镜面的第三支撑点达到反射镜的设计位置，并采用球铰螺栓将反射镜面的第三支撑点和第四支撑点固定在聚光器网架上。
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2015
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| 《一种槽式太阳能聚光器安装质量的检测方法》;朱小炜等;《新型工业化》;20150630;第5卷(第6期);第1-5页 * |
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