CN105485940B - 一种太阳能聚光器反射镜面调焦系统及调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能聚光器反射镜面调焦方法，步骤如下：光源对准聚光器；提取待调反射镜面的理想光斑图像A；将待调反射镜面聚集光线偏离到接收靶外，采集接收靶的光斑图像Ⅰ；调整反射镜面的聚集光线到接收靶内，采集接收靶的光斑图像Ⅱ，将图像Ⅰ和图像Ⅱ的灰度值进行相减运算得到图像Ⅲ；计算出反射镜面各连接螺栓的调整量；根据调整量对反射镜面的螺栓进行调整，并实时或间断地采集接收靶的光斑图像Ⅱ，再次进行灰度值相减运算，直至得到的新光斑图像Ⅲ符合要求。本发明的调焦方法能够自动识别待调焦的反射镜面聚集的光斑形状，无需对其他反射镜面进行遮挡处理，有效提高了镜面安装效率。本发明还提供一种太阳能聚光器反射镜面调焦系统。

Description

一种太阳能聚光器反射镜面调焦系统及调焦方法

技术领域

本发明涉及太阳能光热发电领域，特别涉及一种太阳能聚光器反射镜面调焦系统及调焦方法。

背景技术

在太阳能光热发电技术领域中，太阳光能的辐射资源能流密度低，不能进行直接的采集利用，往往需将大面积的太阳光能进行聚集，达到太阳光热的高品位热利用。聚光器反射镜面是实现太阳光热聚集的关键装置，但大型聚光器一般是由许多块反射镜面拼合安装构成，各反射镜面单元的安装位置精度直接决定了聚光器的光学性能。此外，聚光器工作在高日照的室外环境，常年经受风沙、雨淋、高温差等恶劣气候，在太阳能光热电站服役期间(一般额度为20~25年)反射镜面的破损或聚光效率降低是必然的，而此时局部的若干反射镜面的高效、高精度的更换也将变得尤为重要。因此，提供一种聚光器反射镜面安装或破损更换的高效、精确的调焦方法及调焦装置是迫切的。

目前使用的聚光器反射镜面调焦方法有：

(1)聚光器工作在视日跟踪状态，操作人员1在聚光器的背面调整连接螺栓，在焦平面位置放置有接收靶，且另外有操作人员2观看接收靶接收的光斑偏移情况，并告知操作人员1进行相应的调整。很明显，此反射镜面的安装方法至少需要两个人进行协同工作，且任意时候只能是待安装的反射镜面处于采光状态，其他的反射镜面均需要遮挡处理，否则光斑将会有重叠，操作人员2无法分辨待安装反射镜面的聚光光斑情况。此种调焦方法虽能实现面向聚光性能的聚焦安装，但存在效率低，尤其是需要将其他反射镜面进行遮挡处理等缺点。

(2)现有技术1(CN 104062743 A)中公开了一种用于太阳能聚光镜片调整的自动调焦系统及其调焦方法，包括图像显示设备、图像采集设备以及图像数据处理设备,图像采集设备用于采集反射镜反射的图像数据；图像显示设备用于显示由图像数据处理设备控制输出的显示图像；图像数据处理设备用于控制图像显示设备输出与聚光系统的各个反射镜的区域面积一一对应的显示图像,且使得任一反射镜的区域面积以及该反射镜周围的各个反射镜区域面积的显示图像均为不相同的颜色图像,并控制图像采集设备采集相应的图像后进行分析处理,输出相应的调焦数据。该方法主要是通过观测反射镜的图像颜色来判断倾斜角度,并计算碟片上各颜色比例同时对比预存的经验数据库,来告知操作人员进行相应的调整动作。然而，当聚光器工作在室外时，由于太阳光照的影响，采用此方法将存在一定的误差。进一步的，此方法是基于反射镜面的投影几何形状与预设颜色区域匹配来进行调整的，是基于反射镜面投影尺寸准确的前提进行的，并不是直接面向反射镜面聚光性能最优的聚焦调整方法。其实反射镜面的微小几何偏角将会引起聚光光斑的显著变化，然而这种微小偏角对反射镜面的投影几何尺寸的影响是甚微的，有效检测是存在困难的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种只需一个操作人员就能够完成反射镜面的聚焦调整、操作方便的太阳能聚光器反射镜面调焦系统，并提供一种无需对其他反射镜面进行遮挡、效率高的太阳能聚光器反射镜面调焦方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种太阳能聚光器反射镜面调焦系统，包括用于承受载荷的网架、安装在网架上的反射镜面、接收反射镜面聚焦光斑的接收靶、采集接收靶表面光斑图像的图像采集设备、用于聚光器对准照射光源的双轴跟踪机构、数据处理终端、移动终端和光源，所述图像采集设备与数据处理终端通过数据线电连接，数据处理终端与移动终端进行无线通讯，图像采集设备采集接收靶表面的聚焦光斑图像并传输给数据处理终端进行存储和处理，数据处理终端对图像进行处理得出反射镜面固定的螺栓调整量，然后将处理后的图像及螺栓调整量送入移动终端进行显示。

上述太阳能聚光器反射镜面调焦系统中，所述移动终端包括用于显示反射镜面螺栓调整量的指示器、设置和显示待调焦的反射镜面编号的设置器、显示待调焦的反射镜面聚集光线偏离至接收靶外时的聚光光斑的显示屏Ⅰ、显示待调反射镜面实际聚光光斑的显示屏Ⅱ、显示待调反射镜面理想聚光光斑的显示屏Ⅲ、以及控制图像采集设备进行光斑图像采集的控制键，所述的指示器设有鸣笛器，所述数据处理终端存储有聚光器各编号反射镜面的理想聚光光斑图像和安装误差影响的光斑图像数据。

上述太阳能聚光器反射镜面调焦系统中，所述移动终端上设有背带，所述的显示屏Ⅰ、显示屏Ⅱ、显示屏Ⅲ上均设有十字中心线和圆周刻度，且十字中心线的中心为聚光器反射镜面曲面的焦点。

上述太阳能聚光器反射镜面调焦系统还包括控制系统和冷却系统，数据处理终端与控制系统电连接，控制系统与冷却系统电连接，冷却系统通过水管与接收靶的内腔连通，水管内设有流体换热工质。

上述太阳能聚光器反射镜面调焦系统中，所述双轴跟踪机构包括可伸缩推杆、方位机构和支撑架，聚光器的中心体的一端铰接在支撑架一端，中心体的另一端与可伸缩推杆的一端铰接，可伸缩推杆的另一端铰接在支撑架的另一端，所述方位机构一端与支撑架底部固定连接，方位机构的另一端与固定在地基上的立柱的顶部固定连接或与地基固定连接。

上述太阳能聚光器反射镜面调焦系统中，所述图像采集设备为CCD相机，图像采集设备的镜头面向接收靶的光斑显示表面，且镜头前方设置有防止感光元件饱和的中性密度滤光片，所述的接收靶的接收光斑的表面具有朗伯效应。

上述太阳能聚光器反射镜面调焦系统中，所述的光源为太阳光源或远场照射的近似平行光源或其他太阳光源模拟器得到的光源。

一种太阳能聚光器反射镜面调焦方法，包括以下步骤：

(1) 调整聚光器使其对准太阳，或调整人造的光源使其平行于聚光器反射镜面的焦轴；

(2) 在移动终端设置待调焦的反射镜面的编号，数据处理终端提取已存储的对应编号的反射镜面的理想聚焦光斑图像A，并通过无线传输给移动终端的显示屏Ⅲ进行显示；

(3) 将待调焦的反射镜面的聚集光线偏离到接收靶外，图像采集设备采集接收靶的光斑图像Ⅰ，并传输至数据处理终端保存、处理后无线传输给移动终端的显示屏Ⅰ进行显示；

(4) 调整反射镜面的聚集光线到接收靶内，图像采集设备采集接收靶的光斑图像Ⅱ，传输至数据处理终端保存，数据处理终端将图像Ⅰ和图像Ⅱ的灰度值进行相减运算得到图像Ⅲ，并将图像Ⅲ无线传输给移动终端的显示屏Ⅱ进行显示；

(5) 数据处理终端根据图像Ⅲ、图像A和存储的安装误差情况的光斑形状进行对比或反求分析，计算出反射镜面各连接螺栓的调整量，并传输给移动终端的指示器进行显示；操作人员或安装仪器根据指示器显示的调整量、显示屏Ⅱ和显示屏Ⅲ的光斑图像对反射镜面的螺栓进行调整；

(6) 图像采集设备间断地采集接收靶的光斑图像Ⅱ，并在数据处理终端将图像Ⅰ和此次采集的图像Ⅱ进行灰度值相减运算，得到新的图像Ⅲ，并将新的图像Ⅲ无线传输给移动终端的显示屏Ⅱ进行显示，同时数据处理终端判断新的光斑图像Ⅲ是否符合要求，当符合聚焦要求时，转入步骤(7)，否则，转入步骤(4)；

(7) 移动终端指示器的鸣笛器发出“到位”指示，固定反射镜面的连接螺栓，完成该反射镜面的调焦，若还有其他反射镜面需要调焦，则转入步骤(2)进行下一块反射镜面的调焦。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的太阳能聚光器反射镜面调焦系统，提供了一种手持式移动终端，能够用于待调反射镜面光斑图像显示和螺栓调整量数据指示，并且只需要一个操作人员就能够完成反射镜面的聚焦调整，具有高效性，能有效的节省安装与维护成本。

2、本发明的太阳能聚光器反射镜面调焦方法，能够通过图像采集设备间断或实时地采集待调焦的反射镜面在接收靶上聚集光斑的形状，并依据光斑形状与已存储的数据对比反求螺栓调整量，且在移动终端实时显示待调焦的反射镜面的聚焦光斑和理想聚焦光斑，对反射镜面的安装调节进行有效的指导。

3、本发明的太阳能聚光器反射镜面调焦方法，能够自动地识别出待调焦的反射镜面聚集的光斑形状，无需对其他的已调焦或待调焦的反射镜面进行遮挡处理，有效地提高了镜面安装的效率。

附图说明

图1为本发明反射镜面调焦装置的结构示意图。

图2为图1中双轴跟踪机构的结构示意图。

图3为图2中双轴跟踪机构进行高度调节的示意图。

图4为图1中移动终端的示意图。

图5为本发明反射镜面调焦方法的流程图。

图中：1—双轴跟踪机构；2—反射镜面；3—网架；4—移动终端；5—中性密度滤光片；6—图像采集设备；7—数据处理终端；8—数据线；9—固定架；10—控制系统；11—冷却系统；12—水管；13—接收靶；14—可伸缩推杆；15—方位机构；16—指示器；17—设置器；18—显示屏Ⅰ；19—显示屏Ⅱ；20—显示屏Ⅲ；21—背带；22—支架；23—中心体；24—光源；25—控制键。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-图4所示，本发明的反射镜面调焦装置包括用于承受载荷的网架3、安装在网架3上的待调焦的反射镜面2、接收反射镜面2聚焦光斑的具有朗伯效应的接收靶13、采集接收靶13表面光斑图像的图像采集设备6、用于聚光器对准照射光源24的双轴跟踪机构1、对采集的光斑图像进行处理和对反射镜面2的螺栓调整量进行计算的数据处理终端7、用于指示操作人员或安装仪器进行反射镜面调焦的移动终端4、光源24，光源24为太阳光源、远场照射的近似平行光源或其他太阳光源模拟器等人造光源。

图像采集设备6为CCD相机，图像采集设备6的镜头指向接收靶13的光斑显示表面，图像采集设备6的镜头前方设置有防止感光元件饱和的中性密度滤光片5，图像采集设备6通过数据线8将采集的图像传输给数据处理终端7进行存储和处理。

如图4所示，所述移动终端4包括用于接收并显示反射镜面2螺栓调整量的指示器16、设置和显示待调焦的反射镜面2编号的设置器17、显示待调焦的反射镜面2聚集光线偏离至接收靶13外时的聚光光斑的显示屏Ⅰ18、显示待调反射镜面2实际聚光光斑的显示屏Ⅱ19、显示待调反射镜面2理想聚光光斑的显示屏Ⅲ20以及控制图像采集设备6进行图像采集的控制键25，所述的指示器16设有鸣笛器，所述数据处理终端7存储有聚光器各编号反射镜面2的理想聚光光斑图像和安装误差影响的光斑图像数据。所述移动终端4上设有背带21，所述的显示屏Ⅰ18、显示屏Ⅱ19、显示屏Ⅲ20上均设有十字中心线和圆周刻度，且十字中心线的中心为聚光器反射镜面2曲面的焦点。

反射镜面调焦系统还包括控制系统10和用于调节接收靶13表面温度的冷却系统11，数据处理终端7与控制系统10电连接，控制系统10与冷却系统11电连接，冷却系统11通过水管12与接收靶13连接，水管12内设有流体换热工质。

如图2-图3所示，为了克服电站建立时聚光器反射镜面2的高空作业的困难与安全隐患等问题，所述双轴跟踪机构1包括可伸缩推杆14、方位机构15和支撑架，聚光器的中心体23的一端铰接在支撑架一端，中心体23的另一端与可伸缩推杆14的一端铰接，可伸缩推杆14的另一端铰接在支撑架的另一端，从而构成了高度角方向的驱动结构，同时所述方位机构15的一端与支撑架底部固定连接，方位机构的另一端与地基固定连接，实现了整个聚光器结构的高度和方位的双向跟踪运动。

如图5所示，一种太阳能聚光器反射镜面调焦方法，包括以下步骤：

(1) 所述的光源24为太阳光源时，调整聚光器使其工作在视日跟踪的状态，即聚光器反射镜曲面的焦轴正对太阳。所述的光源24为人造光源时，调整人造光源使其平行于聚光器反射镜面的焦轴；

(2) 操作人员携带移动终端4在聚光器网架3的待调焦的反射镜面2位置，并在移动终端4或事先在数据处理终端7设置待调焦的反射镜面2的编号，数据处理终端7提取已存储的对应编号的反射镜面2的理想聚焦光斑图像A，并通过无线传输给移动终端4的显示屏Ⅲ20进行显示；

(3) 操作人员将待调焦的反射镜面2的聚集光线偏离到接收靶13外，按下移动终端4的控制键25来控制图像采集设备6采集接收靶13的光斑图像Ⅰ，并传输至数据处理终端7保存、处理后无线传输给移动终端4的显示屏Ⅰ18进行显示；

(4) 操作人员调整反射镜面2的聚集光线到接收靶13内，按下移动终端4的控制键25来控制图像采集设备6采集接收靶13的光斑图像Ⅱ，传输至数据处理终端7保存，数据处理终端7将图像Ⅰ和图像Ⅱ的灰度值进行相减运算得到图像Ⅲ，并将图像Ⅲ无线传输给移动终端4的显示屏Ⅱ19进行显示；

(5) 数据处理终端7根据图像Ⅲ、图像A和存储的安装误差情况的光斑形状进行对比或反求分析，计算出反射镜面2各连接螺栓的调整量，并传输给移动终端4的指示器16进行显示；操作人员或安装仪器根据指示器16显示的调整量、显示屏Ⅱ19和显示屏Ⅲ20的光斑图像对反射镜面2的螺栓进行调整；

(6) 图像采集设备6进入自动采集状态，开始间断地采集接收靶13的光斑图像Ⅱ，并在数据处理终端7将图像Ⅰ和此次采集的图像Ⅱ进行灰度值相减运算，得到新的图像Ⅲ，并将新的图像Ⅲ无线传输给移动终端4的显示屏Ⅱ19进行显示，同时数据处理终端7判断新的光斑图像Ⅲ是否符合要求，当符合聚焦要求时，转入步骤(7)，否则，转入步骤(4)；

(7) 移动终端4指示器16的鸣笛器发出“到位”指示，操作人员或安装仪器固定反射镜面2的连接螺栓，完成该反射镜面的调焦，若还有其他反射镜面需要调焦，则转入步骤(2)进行下一块反射镜面的调焦。

本发明提供的太阳能聚光器反射镜面调焦系统的手持式移动终端4，能够用于待调反射镜面2光斑图像显示和螺栓调整量数据指示，并且只需要一个操作人员就能够完成反射镜面2的聚焦调整，具有高效性，能有效的节省安装与维护成本；本发明的太阳能聚光器反射镜面调焦方法，能够通过图像采集设备6间断或实时地采集待调焦的反射镜面2在接收靶13上聚集光斑的形状，并依据光斑形状与已存储的数据对比反求螺栓调整量，且在移动终端4实时显示待调焦的反射镜面2的聚焦光斑和理想聚焦光斑，对反射镜面2的安装调节进行有效的指导，并且能够自动地识别出待调焦的反射镜面2聚集的光斑形状，无需对其他的已调焦或待调焦的反射镜面2进行遮挡处理，有效地提高了镜面安装的效率，能够有效地适应室外环境反射镜面的面向聚光性能的安装，尤其是电站中聚光器反射镜面的破损更换时的局部若干反射镜面的在线聚焦调整。

Claims (1)

1.一种太阳能聚光器反射镜面调焦方法，包括以下步骤：

(1) 调整聚光器使其对准太阳，或调整人造的光源使其平行于聚光器反射镜面的焦轴；

(2) 在移动终端设置待调焦的反射镜面的编号，数据处理终端提取已存储的对应编号的反射镜面的理想聚焦光斑图像A，并通过无线传输给移动终端的显示屏Ⅲ进行显示；

(3) 将待调焦的反射镜面的聚集光线偏离到接收靶外，图像采集设备采集接收靶的光斑图像Ⅰ，并传输至数据处理终端保存、处理后无线传输给移动终端的显示屏Ⅰ进行显示；

(4) 调整反射镜面的聚集光线到接收靶内，图像采集设备采集接收靶的光斑图像Ⅱ，传输至数据处理终端保存，数据处理终端将图像Ⅰ和图像Ⅱ的灰度值进行相减运算得到图像Ⅲ，并将图像Ⅲ无线传输给移动终端的显示屏Ⅱ进行显示；

(5) 数据处理终端根据图像Ⅲ、图像A和存储的安装误差情况的光斑形状进行对比或反求分析，计算出反射镜面各连接螺栓的调整量，并传输给移动终端的指示器进行显示；操作人员或安装仪器根据指示器显示的调整量、显示屏Ⅱ和显示屏Ⅲ的光斑图像对反射镜面的螺栓进行调整；

(6) 图像采集设备间断地采集接收靶的光斑图像Ⅱ，并在数据处理终端将图像Ⅰ和此次采集的图像Ⅱ进行灰度值相减运算，得到新的图像Ⅲ，并将新的图像Ⅲ无线传输给移动终端的显示屏Ⅱ进行显示，同时数据处理终端判断新的光斑图像Ⅲ是否符合要求，当符合聚焦要求时，转入步骤(7)，否则，转入步骤(4)；

(7) 移动终端指示器的鸣笛器发出“到位”指示，固定反射镜面的连接螺栓，完成该反射镜面的调焦，若还有其他反射镜面需要调焦，则转入步骤(2)进行下一块反射镜面的调焦。