CN106017347B - 一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测检测装置，属于光伏技术领域。包括反射聚光镜固定单元、双导杆扫描单元、中心定位轴单元、上位机和主控单元，所述中心定位轴单元设置在反射聚光镜固定单元中心上，所述双导杆扫描单元与中心定位轴单元垂直固定连接，所述上位机对采集到的样本光斑进行分析和三维还原。通过本装置自动确定碟式反射聚光镜实际焦点，从而显著提高太阳能的利用效率和太阳能电池的转化效率。

Description

一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测装置

技术领域

本发明涉及一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测检测装置，属于光伏技术领域。

背景技术

在全球经济发展进程中，能源依然作为很重要的必需品。传统的能源如煤，石油，天然气等虽然还是占大部分，但是毕竟有限。为此，我们努力开发新能源。太阳能作为可再生能源备受瞩目。

在太阳能的利用中，光伏电池能够对直接照射在其表面上的太阳光发生作用而转化成电能。不过，由于光伏电池相对昂贵，因此更明智之举是采用聚光器将太阳光聚集，然后将聚光器对准光伏电池。以若干单独的光伏电池阵列式地构成光伏接收器将太阳能转换成电能。

由于阳光的能量密度较低，平均投射在地球上每平方米地面上的光能不到一千瓦，我们需要通过聚光器将太阳光聚焦到一个焦平面上。但是通常情况下，由于制作工艺等各种方面的影响，无法将聚光器的抛物面做到严格符合要求，会有某处因为不光滑而使反射光无法打到太阳能电池处；其次，由于抛物面聚光器的立体形状，常人用眼无法确定其焦点，接受光的电池如果没有置于焦点处，严重有损光的利用率。

针对在实际生产过程中，由于太阳能碟式反射聚光镜生产工艺的不同，以及制作碟式反射聚光镜的技术问题，常会造成聚光镜各处的曲率不一致，因此会导致平行太阳光通过碟式反射聚光镜时不能完全汇聚于抛物面理想的几何焦点，而实际生活中常常将太阳能电池直接安装在其理想几何焦点，故而导致太阳能的利用率和太阳能电池的效率较低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测装置。通过引入本发明的自动检测装置，便捷高效快速地确定碟式反射聚光镜聚焦光斑形状及位置，同时显著提高太阳能的利用效率和太阳能电池的转化效率。

为解决上述技术问题，本发明通过引入碟式反射聚光镜抛物面激光光学检测、自动化机械扫描采集聚焦光斑样本、分析还原聚焦光斑三维图形等技术，快捷高效寻找碟式反射聚光镜聚焦光斑形状及位置，显著提高聚光太阳能光伏发电系统效率。

具体地，本发明采用的技术方案如下：

一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测装置，包括反射聚光镜固定单元、双导杆扫描单元、中心定位轴单元、上位机和主控单元，所述中心定位轴单元设置在反射聚光镜固定单元中心上，所述双导杆扫描单元与中心定位轴单元垂直固定连接，所述双导杆扫描单元每隔固定周期对光斑数据进行采集，并将数据传递至所述主控单元，所述上位机从所述主控单元读取数据，对双导杆扫描单元采集到的样本光斑进行分析和三维还原。

所述双导杆扫描单元由左到右依次包括CCD跟踪摄影仪、激光辐射仪单元、激光辐射仪支撑牵引单元；所述激光辐射仪单元由上到下依次包括激光辐射仪和直线轴承装置，激光辐射仪搭载在直线轴承装置上；所述激光辐射仪支撑牵引单元由外到内依次包括双导杆和细钢丝绳，激光辐射仪单元通过细钢丝绳的牵引在双导杆上往返移动。

所述中心定位轴单元由上到下依次包括光学挡板、导杆安装座单元、定心座子、中心定位轴、轴向回转步进电机，激光辐射仪支撑牵引单元穿插在导杆安装座单元内，光学挡板固定在穿过导杆安装座单元的定心座子的长杆上，CCD跟踪摄影仪固定周期对光学挡板上的光斑进行拍摄取样；所述导杆安装座单元包括径向平移步进电机和导杆安装座，径向平移步进电机穿插在导杆安装座上。

所述反射聚光镜固定单元由上到下依次包括大面积碟式反射聚光镜、八边形构架、支承构架，中心定位轴通过轴向回转步进电机连接到八边形构架上。

所述CCD跟踪摄影仪，激光辐射仪，径向平移步进电机和轴向回转步进电机均由主控单元进行控制。

所述大面积碟式反射聚光镜由相比于光伏材料非常廉价的薄铝或铁皮制成，并通过多个扇形抛物面结构拼装而成一个完整的碟式抛物面结构，反射面通过镀银实现高反射率。

所述上位机对CCD跟踪摄影仪采集到的样本光斑数据进行分析整理，通过算法计算和图像处理，还原聚焦光斑的三维图形，从而得到碟式反射聚光镜聚焦光斑形状及位置。

本发明装置通过挡板采集光斑还原聚焦光斑的三维云图形，考虑到一定的精度要求，我们将以云图中点为中心的80%范围内确定为焦平面范围，并将此范围确定为放置太阳能电池阵列的区域。

本发明装置中，所述激光辐射仪单元在电机控制下，经双导杆由细钢丝绳以径向平移步进电机驱动向中心定位轴支撑单元牵引，同时中心定位轴支撑单元在轴向回转步进电机驱动下以固定角速度旋转，伴随发射扫描激光束，经碟式聚光镜反射，反射激光束打在光学挡板上形成光斑，CCD跟踪摄影仪每隔固定周期对光斑数据进行采集，并将数据传递至主控单元。上位机从主控单元读取数据，通过算法计算和图像处理，还原聚焦光斑的三维图形，从而得到碟式反射聚光镜聚焦光斑形状及位置，实现自动化快捷寻找碟式反射聚光镜实际焦点，显著提高聚光太阳能光伏发电系统效率。

本发明装置中，利用激光辐射仪垂直入射激光束到碟式反射聚光镜，实现平行太阳光照射到大面积碟式反射聚光镜的模拟过程，使检测结果符合实际情况。

本发明装置中，所述激光辐射仪通过扫描的形式对大面积碟式反射聚光镜进行检测，提高对聚焦光斑形状及位置检测的精度。

本发明装置中，所述激光辐射仪发射激光束，经碟式聚光镜反射，反射激光束打在光学挡板上形成光斑，CCD跟踪摄影仪每隔固定周期对光斑数据进行采集，实现对检测结果的数字化输出。

本发明装置中，所述激光辐射仪搭载在直线轴承装置上构成激光辐射仪单元，经双导杆由细钢丝绳以径向平移步进电机驱动向中心定位轴支撑单元牵引，实现激光辐射仪的可往返移动功能。

本发明装置中，所述中心定位轴单元经中心定位轴以轴向回转步进电机为驱动，实现中心定位轴单元以固定角速度旋转。

本发明装置中，所述径向平移步进电机和轴向回转步进电机经主控单元控制，实现激光辐射仪自动对大面积碟式反射聚光镜全局扫描。所述主控单元通过与电机驱动模块和编码器模块实现两个步进电机的闭环控制。所述主控单元还控制激光器的开关和CCD跟踪摄影仪的启停与拍照频率，并将CCD跟踪摄影仪拍摄的相片存入主控单元SD卡内。

使用本发明装置时，上位机通过USB口与主控单元交互，读取CCD跟踪摄影仪拍摄的图像信息并进行处理和分析。磁编码器向主控单元实时反馈径向平移步进电机和轴向回转步进电机的位置信息。所述主控单元采用单片机，实现现场人机交互。

所述CCD跟踪摄影仪每隔固定周期对光斑数据进行采集，对采集到的光斑以时间为量度，实现对光斑数据的坐标化。对光斑算法计算和图像处理，实现对单个光斑的坐标表示。对每个光斑对应的坐标与以时间为量度的坐标构建三维坐标系，实现对聚焦光斑形状的三维还原。

确定聚焦光斑的位置，即寻找碟式反射聚光镜实际焦点，通过构建的三维聚焦光斑形状，找到聚焦光斑重合频率最高点或者所构建还原聚焦光斑三维云图像横截面积最大的纵高，实现聚焦光斑的位置的确定。

本发明与现有技术相比，其有益的效果：一是无须通过手工调试测量碟式反射聚光镜进行对聚焦光斑的形状及位置的检测，本装置通过自动化设计，实现便捷高效快速地完成上述检测过程；二是通过本装置实现对大面积碟式反射聚光光伏系统聚焦光斑的形状及位置检测，确定碟式反射聚光镜实际焦点，从而显著提高太阳能的利用效率和太阳能电池的转化效率，适应面广。

附图说明

图1是本发明的正面结构图。

图2是本发明的侧面结构图。

图3是本发明中CCD跟踪摄影仪、激光辐射仪单元和细钢丝绳的局部结构图。

图4是本发明中激光辐射仪单元的局部结构图。

图5是本发明中CCD跟踪摄影仪采集光学挡板上的样本光斑光路示意图。

图6是本发明中光学挡板端的部分光路示意图。

图7是本发明中导杆安装座单元和定心座子的局部结构图。

图8是本发明的自动控制原理图。

图9是本发明的碟面反射激光束和激光束汇聚的效果图。

图10是本发明的聚焦光斑三维云效果图。

其中：

1—反射聚光镜固定单元；

11—大面积碟式反射聚光镜；

12—八边形构架；

13—支承构架；

2—双导杆扫描单元；

21—CCD跟踪摄影仪；

22—激光辐射仪单元；

221—激光辐射仪；

222—直线轴承装置；

23—激光辐射仪支撑牵引单元；

231—双导杆；

232—细钢丝绳；

3—中心定位轴单元；

31—光学挡板；

311—光斑；

32—导杆安装座单元；

321—径向平移步进电机;

322—导杆安装座;

33—定心座子；

34—中心定位轴；

35—轴向回转步进电机；

4—上位机；

5—激光束；

6—反射激光束。

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、2所示，一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测装置，包括反射聚光镜固定单元1、双导杆扫描单元2、中心定位轴单元3、上位机4，所述中心定位轴单元3设置在反射聚光镜固定单元1中心上，所述双导杆扫描单元2与中心定位轴单元3垂直固定连接，所述双导杆扫描单元2每隔固定周期对光斑数据进行采集，并将数据传递至所述主控单元，所述上位机4从所述主控单元读取数据，对双导杆扫描单元采集到的样本光斑进行分析和三维还原。

所述双导杆扫描单元2由左到右依次包括CCD跟踪摄影仪21、激光辐射仪单元22、激光辐射仪支撑牵引单元23；所述激光辐射仪单元22由上到下依次包括激光辐射仪221和直线轴承装置222，激光辐射仪221搭载在直线轴承装置222上；所述激光辐射仪支撑牵引单元23由外到内依次包括双导231和细钢丝绳232，激光辐射仪单元22通过细钢丝绳232的牵引在双导杆231上往返移动。

所述中心定位轴单元3由上到下依次包括光学挡板31、导杆安装座单元32、定心座子33、中心定位轴34、轴向回转步进电机35，激光辐射仪支撑牵引单元23穿插在导杆安装座单元32内，光学挡板31固定在穿过导杆安装座单元32的定心座子33的长杆上，CCD跟踪摄影仪21固定周期对光学挡板31上的光斑311进行拍摄取样；所述导杆安装座单元32包括径向平移步进电机321和导杆安装座322，径向平移步进电机321穿插在导杆安装座322上。

所述反射聚光镜固定单元1由上到下依次包括大面积碟式反射聚光镜11、八边形构架12、支承构架13，中心定位轴34通过轴向回转步进电机35连接到八边形构架12上。

本发明装置底部是一个反射聚光镜固定单元1，该固定单元长1100mm，宽1100mm，高340mm。固定单元上方放置八边形构架12的底座，底座上方的支架支撑着整个大面积反射聚光镜，其中，反射聚光镜的理论焦距为1800mm。底座中心装有一根垂直于底座的中心杆，在中心杆上端依次装有光学挡板31、导杆安装座单元32、导杆安装座322、径向平移步进电机321、定心座子33、中心定位轴34、轴向回转步进电机35，其中，导杆安装座上装有双导杆231，双导杆与中心轴垂直。双导杆上装有细丝钢绳232、双导杆支撑单元2、激光辐射仪支撑牵引单元23、CCD跟踪摄影仪21、激光辐射仪221和直线轴承装置222，其中，激光辐射仪221可沿双导杆231移动，CCD跟踪摄影仪21安装在双导杆231顶端，对光学挡板31进行拍摄，记录光斑311。

本发明装置中，反射聚光镜固定单元1对大面积碟式反射聚光镜11进行固定，大面积碟式反射聚光镜11对激光辐射仪21发射的激光进行反射会聚到光学挡板31上形成光斑。双导杆扫描单元2支撑着CCD跟踪摄影仪21、激光辐射仪单元22和激光辐射仪221，CCD跟踪摄影仪21记录在光学挡板31上形成的光斑311，双导杆231在轴向回转步进电机35的驱动下绕中心轴34旋转，每记录一圈的光斑311，对光斑311进行还原，判断该区域是否合格。在径向平移步进电机322的驱动下，细钢丝绳牵232引激光辐射仪221沿双导杆231向中心轴34方向移动一段距离，再次旋转一周，并通过还原的光斑311判断此区域是否合格。激光辐射仪221继续沿双导杆231向中心轴34方向移动。如此循环，直到检测完整个抛物面。

综上所述，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (2)

1.一种大面积碟式反射聚光镜聚焦光斑的自动检测装置，包括反射聚光镜固定单元（1）、双导杆扫描单元（2）、中心定位轴单元（3）、上位机（4）和主控单元，所述中心定位轴单元（3）设置在反射聚光镜固定单元（1）中心上，所述双导杆扫描单元（2）与中心定位轴单元（3）垂直固定连接，所述双导杆扫描单元（2）每隔固定周期对光斑数据进行采集，并将数据传递至所述主控单元，所述上位机（4）从所述主控单元读取数据，对双导杆扫描单元采集到的样本光斑进行分析和三维还原。

2.根据权利要求1所述的自动检测装置，其特征在于，所述反射聚光镜固定单元（1）由上到下依次包括大面积碟式反射聚光镜（11）、八边形构架（12）、支承构架（13），中心定位轴（34）通过轴向回转步进电机（35）连接到八边形构架（12）上；

所述双导杆扫描单元（2）由左到右依次包括CCD跟踪摄影仪（21）、激光辐射仪单元（22）、激光辐射仪支撑牵引单元（23）；所述激光辐射仪单元（22）由上到下依次包括激光辐射仪（221）和直线轴承装置（222），激光辐射仪（221）搭载在直线轴承装置（222）上；所述激光辐射仪支撑牵引单元（23）由外到内依次包括双导杆（231）和细钢丝绳（232），激光辐射仪单元（22）通过细钢丝绳（232）的牵引在双导杆（231）上往返移动；

所述中心定位轴单元（3）由上到下依次包括光学挡板（31）、导杆安装座单元（32）、定心座子（33）、中心定位轴（34）、轴向回转步进电机（35），激光辐射仪支撑牵引单元（23）穿插在导杆安装座单元（32）内，光学挡板（31）固定在穿过导杆安装座单元（32）的定心座子（33）的长杆上，CCD跟踪摄影仪（21）固定周期对光学挡板（31）上的光斑（311）进行拍摄取样；所述导杆安装座单元（32）包括径向平移步进电机（321）和导杆安装座（322），径向平移步进电机（321）穿插在导杆安装座（322）上。