CN107300261A - 通过镜面实测角度评价与优化聚光效果及光斑拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过镜面实测角度评价与优化聚光效果及光斑拟合方法。包括：反射镜面聚光光斑拟合、吸热器上光强分布分析、贡献度分析、系统优化的步骤。通过反射镜面的光学参数，对反射镜面的聚光效果进行拟合，并通过拟合的光斑进行总体聚光光斑的拟合与评价，进而通过对聚光镜片的反向调节对聚光光斑分布的均匀度及热斑进行调整和规避，解决现有技术无法解决的光斑不均及热斑的问题。

Description

通过镜面实测角度评价与优化聚光效果及光斑拟合方法

技术领域

本发明涉及光热技术领域，尤其涉及一种通过镜面实测角度评价与优化聚光效果及光斑拟合方法。

背景技术

目前，光热镜场发电项目越来越受到世界的青睐，以色列、西班牙、摩洛哥等一些国家和地区已经完成了若干的塔式熔盐、塔式布雷顿等大型光热发电项目的建设，国内包括槽式、碟式、菲涅尔式以及塔式在内，也有众多的光热项目已经建成或正在启动，这些项目的能量转换设备无一例外的就是由定日镜所组成的镜场。这种由镜场提供能量进而发电的系统效率很大程度上是受镜场反射的聚焦光斑所影响，光斑大小以及其能流密度是这里最为关键的影响指标，因此，评估这两个指标是否合格才是镜场项目成功的先决条件。

以塔式为例，当前的传统技术方案是：依靠粗略的定日镜调焦后，通过CCD相机加过滤片的装置来获取静态下的调焦光斑图片用来分析出能流密度分辨调焦是否达到要求。实际运行过程中，就不再关注光斑形状大小以及能流密度分布了，系统会通过闭环跟踪传感器来检测定日镜反射的光线角度来给执行电机以动作信号进行调整定日镜，至于整体镜场在吸热器处所形成的实际聚焦光斑质量却无法获知。原理示意如图1所示。

现有技术的缺点：在光热发电的过程中，聚焦在吸热器的光斑质量对发电效率以及吸热器寿命的影响至关重要。如果聚焦光斑不均匀，轻则会降低发电效率，无形中提高了发电成本，而如果光斑的局部因为不均匀的会聚，造成个别点聚光强度大，形成局部热斑，较短的时间就会烧毁设备的加热器，造成设备损坏、工质流失，对人身安全、周围环境都有着较大的威胁。

以塔式为例：目前塔式的定日镜场都采用闭环跟踪控制，实际的定日镜聚焦光斑在不同的时间不同的角度均不同，聚光的效果也无法计算得出，导致对吸热器上实际的光斑形状无法控制和掌握。为了避免热斑造成系统不稳定，需要从设计时就考虑对应，包括设计导热性能更好的结构、增加换热速度、更换更好的材料等，无形中提高了吸热器的成本。

以碟式斯特林发电技术为例，碟盘的聚光能量理论上更为集中，镜片微小的误差都会对光斑分布造成较大的影响。普通的斯特林机通常为4缸结构，如果不能调整到一个比较理想的均匀光斑形状，出现局部过热时，发生个别缸体能量差异大，造成相互之间的拖动影响大幅降低发电效率，增加系统的不稳定性。如果热斑强烈甚至会直接烧毁发动机，造成巨大的安全隐患和直接的经济损失。

导致上述缺点的原因：受技术发展的限制，此前没有比较好的技术检测手段用于镜片光学参数的检测，无法了解镜片的质量参数，也没有适合的技术用于聚焦光斑的分析、优化和拟合控制，导致该领域的技术发展落后。随着条纹相移法检测镜片的技术逐渐成熟，对镜片质量的检测逐渐完善，目前已基本实现了镜片光学参数的检测，但对系统的优化分析方面仍是空白。

发明内容

本申请的目的在于：通过反射镜的光学参数，对发射镜的聚光效果进行拟合，并通过拟合的光斑进行总体聚光光斑的拟合与评价，进而通过对聚光镜片的反向调节对聚光光斑的均匀度及热斑进行调整和规避，解决现有技术无法解决的光斑不均及热斑的问题。

本发明提供了一种通过镜面实测角度评价与优化聚光效果的方法，包括以下步骤：

第一步：反射镜面聚光光斑拟合

首先，使用条纹相移法或其他检测方法对反射镜面进行检测，得出反射镜面表面的法线分布数据，光斑拟合的已知参数包括：太阳的实时角度、吸热器的位置、反射镜面的位置；

其次，光线经反射镜面反射到吸热器，入射光线和反射镜面中心和吸热器中心连线相对比反射镜面法线对称，根据反射定律计算出反射镜面的当前角度；

最后，反射镜面的位置确定后，其法线分布的具体数值也确定，根据光线的角度直接计算对应吸热器上的反射位置，得出理论上该反射镜面的聚光光斑；

第二步：吸热器上光强分布分析

首先，通过第一步计算的每个反射镜面的聚光光斑，通过反射镜面的位置和角度以及太阳方位和吸收器的位置可计算出所有反射镜面在吸收器接收面上的整体光斑；

然后，将吸热器上接收能量的区域划分为若干个连续的、相等的小区域，对反射到每个区域中的光斑所包含的光线条数进行计算，对这些光线所属于哪块反射镜进行区分，得出有多少块反射镜面反射到此区域，每块反射镜面有多少条光线反射进此区域；

第三步：贡献度分析

首先，计算每个反射镜面所反射的光线条数占到此区域总光线条数的占比，得出所有的占比数据，即为实际贡献度；

然后，将实际贡献度与标准贡献度做对比；贡献度超出此标准贡献度越多时，热斑效应越大，出现热斑即为贡献过剩的现象；当贡献度低于此标准贡献度越多时，说明此反射镜面更多的贡献度出现在别的区域，会造成此区域光强分布不均；其中，所述标准贡献度是在假定所有反射镜面能形成均匀分布且无热斑的条件下，每个反射镜面对每个反射区域的贡献度做一个理想化的计算，得到一个标准参考的贡献度；

第四步：系统优化

首先，根据第三步的贡献度对比的实际情况，综合每个反射镜面在所有区域里的贡献度的分布情况计算出每个反射镜面应该调整的俯仰和水平角度数据，将此参数发送到控制器中并调整反射镜面。

优选的，所述第四步，每一次调整反射镜面之后，返回第一步至第四步，重新计算贡献度，根据调整后的贡献度对比情况再次对反射镜面进行调整，整个过程直至吸热器上的光斑分布均匀性达到最优、且无热斑出现而终止。

本发明另外提供一种反射镜面聚光光斑拟合方法，包括以下步骤：

首先，使用条纹相移法或其他检测方法对反射镜面进行检测，得出反射镜面表面的法线分布数据，光斑拟合的已知参数包括：太阳的实时角度、吸热器的位置、反射镜面的位置；

其次，光线经反射镜面反射到吸热器，入射光线和反射镜面中心和吸热器中心连线相对比反射镜面法线对称，根据反射定律计算出反射镜面的当前角度；

最后，反射镜面的位置确定后，其法线分布的具体数值也确定，根据光线的角度直接计算对应吸热器上的反射位置，得出理论上该反射镜面的聚光光斑。

优选的，进一步包括吸热器上光强分布分析的过程：

首先，通过第一步计算的每个反射镜面的聚光光斑，拟合出所有反射镜面在吸收器接收面上的整体光斑；

然后，将吸热器上接收能量的区域划分为若干个连续的、相等的小区域，对反射到每个区域中的光斑进行量化，统计出有多少块反射镜面反射到此区域，每块反射镜面有多少条光线反射进此区域。

优选的，进一步包括贡献度分析的过程：

首先，计算每个反射镜面所反射的光线条数占到此区域总光线条数的占比，得出所有的占比数据，即为实际贡献度；

然后，将实际贡献度与标准贡献度做对比；贡献度超出此标准贡献度越多时，热斑效应越大，出现热斑即为贡献过剩的现象；当贡献度低于此标准贡献度越多时，说明此反射镜面更多的贡献度出现在别的区域，会造成此区域光强分布不均；其中，所述标准贡献度是在假定所有反射镜面能形成均匀分布且无热斑的条件下，每个反射镜面对每个反射区域的贡献度做一个理想化的计算，得到一个标准参考的贡献度。

优选的，所述反射镜面为：定日镜面、碟盘背板镜面或槽式反光镜面。

有益效果：1、精度高。由于第一步的镜面检测精度就已经非常的高，能达到微米级精度，而且镜面上的检测点数能以百万数量级来计算，这样得到的镜面光学测量参数就非常的精准，误差很小。而传统的方法，即使能测量镜面光学参数，其精度不过是毫米或毫弧度的等级，并且测量采样点往往只有几十个点。那么，反射镜面精度高势必能保证所有反射镜形成的光斑的检测计算也是很精确的。

2、速度快，稳定性高。本专利所涉及的镜面检测调整方法主要是通过控制系统全面计算光斑数据并对反射镜的光学特性进行评估最终实现闭环控制，无需工作人员在现场安装光学检测仪器进行实测，排除了人为参与工作的影响，不到3分钟即可完成一次所有反射镜面的调整。

3、安全性高。本专利无需人员参与调整或检测，比起传统的检测方法更为便捷且更安全，降低了人身事故概率。

4、效率高，经济性好。无需额外的光学镜头和传感器或现场操作所需要的工程车或工装工具等设备，也无需人员操作所发生的人工工时费。仅仅靠镜面单元上的编码器、电机再加上本专利所涉及的控制系统(控制方法)即可完成无人值守的光斑检测和调整的工作。

5、适应性高。反射镜面为定日镜面、碟盘背板镜面或槽式反光镜面。

附图说明

图1为现有技术原理示意图。

图2每块背板镜片表面的法线分布数据检测效果图。

图3拟合出的背板在吸热器处形成的光斑效果图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例1塔式镜场

第一步：定日镜的光斑拟合

首先使用条纹相移法或其他检测方法对镜片进行检测，得出镜片表面的法线分布数据。光斑拟合的已知参数包括太阳的实时角度、吸热器的位置、定日镜的位置。

光线需要经定日镜反射到吸热器，入射光线和定日镜中心和吸热器中心连线相对比定日镜法线对称，根据反射定律可计算出定日镜的当前角度。

在塔式系统中为了控制和监测定日镜角度，通常采用安装水平和仰俯编码器的方式，进行角度的读取和控制的反馈。

定日镜的位置确定后，其镜片的法线分布的具体数值也确定，根据光线的角度可直接计算对应吸热器上的反射位置，进行得出理论上该定日镜的聚光光斑。

第二步：吸热器上光强分布的分析

通过计算每个定日镜的聚光光斑，拟合出所有定日镜在吸收器接收面上的整体光斑。

将吸热器上接收能量的区域划分为若干(n个)个连续的、相等的小区域，对反射到每个区域中的光斑进行量化，统计出有多少块定日镜反射到此区域，每块定日镜有多少条光线反射进此区域。

第三步：贡献度分析

计算每个定日镜所反射的光线条数占到此区域总光线条数的占比，得出所有的占比数据。此占比数据也可称为贡献度，即定日镜对此特定区域的实际贡献度。

在假定所有定日镜能形成均匀分布且无热斑的条件下，系统会对每个镜片对每个反射区域的贡献度做一个理想化的计算，也就是得到一个标准参考的贡献度，当贡献度超出此标准贡献度越多时，热斑效应越大，出现热斑即为贡献过剩的现象。当贡献度低于此标准贡献度越多时，说明此定日镜更多的贡献度出现在别的区域，会造成此区域光强分布不均。

第四步：系统优化

根据前面得出的贡献度对比的实际情况，系统会综合每个定日镜在所有区域里的贡献度的分布情况来计算出每个定日镜应该调整的俯仰和水平角度数据，将此参数发送到控制器中并调整定日镜。每一次调整，系统都会重新计算贡献度，根据调整后的贡献度对比情况再次对定日镜进行调整，整个过程直至吸热器上的光斑分布均匀性达到最优、且无热斑出现而终止。

贡献度的分布情况通过以下过程得到：计算吸收器上每个小区域内的光线总条数n0，这个是容易得到的，就是数数。然后通过查找的方式，将这些光线分别与反射镜对应，知道每个反射镜在这些小区域内分别射入了多少光线，数量为n1.那么每个反射镜在每个小区域内的贡献度就是n1/n0，就这样，把所有的反射镜在吸收器上所有的小区域内的贡献度都计算出来，得出贡献度的分布情况。

实施例2碟式跟踪器

第一步：单块背板镜片聚光光斑拟合

通过大连鉴影光学科技有限公司光学面型仪产品---高精度镜面反射角度及斜率误差检测设备对碟盘所有背板进行检测，得到每块背板镜片表面的法线分布数据，检测效果如图2所示。

图中的白色箭头表示的是镜面每个点处的反射角度矢量。

通过光斑拟合的已知参数包括太阳的实时角度、吸热器的位置、背板的位置，可拟合出背板在吸热器处形成的光斑效果，效果图示意如图3所示。

第二步：吸热器上光强分布的分析

通过计算每块背板镜片的聚光光斑，拟合出所有背板在吸收器接收面上的整体光斑。

将吸热器上接收能量的区域划分为若干(n个)个连续的、相等的小区域，对反射到每个区域中的光斑进行量化，统计出有多少块背板反射到此区域，每块背板有多少条光线反射进此区域。

第三步：贡献度分析

计算每个背板反射到此区域的贡献度。在假定所有背板能形成均匀分布且无热斑的光环条件下，系统会对每个背板在每个反射区域的贡献度做一个理想化的计算，得到标准的参考贡献度，当贡献度超出此标准贡献度越多时，热斑效应越大。当贡献度低于此标准贡献度越多时，说明此背板更多的贡献度出现在别的区域，对别的区域有形成热斑的威胁。

第三步：系统优化

根据前面得出的贡献度对比的实际情况，系统会综合每个背板在所有区域里的贡献度的分布情况来计算出每个背板应该调整的支撑点高度数据，控制系统将此参数下发到控制器中通过自动调整系统对背板的几个支撑点进行高度调节。每一次调整完毕之后，系统都会重新计算贡献度，调整之后根据贡献度的对比情况可再次对背板进行调整，整个调整过程直至吸热器上的光斑分布均匀性达到最优、且无热斑现象而终止。

本发明技术的关键点：

1、可通过获得的镜面(无论是定日镜、碟式背板还是槽式镜面)光学参数，计算拟合出聚焦光斑。

2、通过对光斑的分析，可对每个镜面单元进行光学评价以及优化。

3、通过优化之后获取的系统控制参数，对每个镜面单元的俯仰角、方位角度进行反向自动调整。

4、通过对上一次的调整再次进行光学评价以及优化，获取进一步的系统控制参数，对镜面单元再次进行优化调整，形成闭环控制回路，保证了系统的精确性。

本发明的实施领域：

1、通过光热聚焦获取能量的设备，可进行调焦或者光斑实时优化调整的工作。

2、本发明所提及的这种定日镜调整方法以及包含此调整原理的实际系统(含机械和控制系统)。其调整方法简述如下：

1)评价单定日镜的光学参数；2)结合太阳的实时角度、吸热器的位置、定日镜的位置拟合所有定日镜在吸热器处的光斑；3)评价每个定日镜对光斑的贡献度；4)控制系统程序对定日镜的位置参数进行优化；5)控制系统结合优化的参数对定日镜进行调整。

3、本发明所提及的这种碟式背板调整方法以及包含此调整原理的实际系统(含机械和控制系统)。其调整方法简述如下：1)评价单块背板的光学参数；2)结合太阳的实时角度、吸热器的位置、背板的位置拟合所有背板在吸热器处的光斑；3)评价每块背板对光斑的贡献度；4)控制系统程序对背板的位置参数进行优化；5)控制系统结合优化的参数对背板进行调整。

4、本发明所提及的镜面调整方法以及包含此调整原理的实际系统(含机械和控制系统)应用到槽式光热发电系统中。其调整方法简述如下：

1)评价单个槽型抛物面反射镜的光学参数；2)结合太阳的实时角度、吸热器的位置、反射镜的位置拟合所有反射镜在集热器处的光斑；3)评价每块反射镜对光斑的贡献度；4)控制系统程序对吸热器的位置参数进行优化；5)控制系统结合优化的参数对吸热器进行调整。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种通过镜面实测角度评价与优化聚光效果的方法，包括以下步骤：

第一步：反射镜面聚光光斑拟合

首先，使用条纹相移法或其他检测方法对反射镜面进行检测，得出反射镜面表面的法线分布数据，光斑拟合的已知参数包括：太阳的实时角度、吸热器的位置、反射镜面的位置；

其次，光线经反射镜面反射到吸热器，入射光线和反射镜面中心和吸热器中心连线相对比反射镜面法线对称，根据反射定律计算出反射镜面的当前角度；

最后，反射镜面的位置确定后，其法线分布的具体数值也确定，根据光线的角度直接计算对应吸热器上的反射位置，得出理论上该反射镜面的聚光光斑；

第二步：吸热器上光强分布分析

首先，通过第一步计算的每个反射镜面的聚光光斑，通过反射镜面的位置和角度以及太阳方位和吸收器的位置可计算出所有反射镜面在吸收器接收面上的整体光斑；

然后，将吸热器上接收能量的区域划分为若干个连续的、相等的小区域，对反射到每个区域中的光斑所包含的光线条数进行计算，对这些光线所属于哪块反射镜进行区分，得出有多少块反射镜面反射到此区域，每块反射镜面有多少条光线反射进此区域；

第三步：贡献度分析

首先，计算每个反射镜面所反射的光线条数占到此区域总光线条数的占比，得出所有的占比数据，即为实际贡献度；

然后，将实际贡献度与标准贡献度做对比；贡献度超出此标准贡献度越多时，热斑效应越大，出现热斑即为贡献过剩的现象；当贡献度低于此标准贡献度越多时，说明此反射镜面更多的贡献度出现在别的区域，会造成此区域光强分布不均；其中，所述标准贡献度是在假定所有反射镜面能形成均匀分布且无热斑的条件下，每个反射镜面对每个反射区域的贡献度做一个理想化的计算，得到一个标准参考的贡献度；

第四步：系统优化

首先，根据第三步的贡献度对比的实际情况，综合每个反射镜面在所有区域里的贡献度的分布情况计算出每个反射镜面应该调整的俯仰和水平角度数据，将此参数发送到控制器中并调整反射镜面。

2.根据权利要求1所述的一种通过镜面实测角度评价与优化聚光效果的方法，其特征在于，所述第四步，每一次调整反射镜面之后，返回第一步至第四步，重新计算贡献度，根据调整后的贡献度对比情况再次对反射镜面进行调整，整个过程直至吸热器上的光斑分布均匀性达到最优、且无热斑出现而终止。

3.一种反射镜面聚光光斑拟合方法，包括以下步骤：

首先，使用条纹相移法或其他检测方法对反射镜面进行检测，得出反射镜面表面的法线分布数据，光斑拟合的已知参数包括：太阳的实时角度、吸热器的位置、反射镜面的位置；

其次，光线经反射镜面反射到吸热器，入射光线和反射镜面中心和吸热器中心连线相对比反射镜面法线对称，根据反射定律计算出反射镜面的当前角度；

最后，反射镜面的位置确定后，其法线分布的具体数值也确定，根据光线的角度直接计算对应吸热器上的反射位置，得出理论上该反射镜面的聚光光斑。

4.根据权利要求3所述的一种反射镜面聚光光斑拟合方法，其特征在于，进一步包括吸热器上光强分布分析的过程：

首先，通过第一步计算的每个反射镜面的聚光光斑，拟合出所有反射镜面在吸收器接收面上的整体光斑；

然后，将吸热器上接收能量的区域划分为若干个连续的、相等的小区域，对反射到每个区域中的光斑进行量化，统计出有多少块反射镜面反射到此区域，每块反射镜面有多少条光线反射进此区域。

5.根据权利要求4所述的一种反射镜面聚光光斑拟合方法，其特征在于，进一步包括贡献度分析的过程：

首先，计算每个反射镜面所反射的光线条数占到此区域总光线条数的占比，得出所有的占比数据，即为实际贡献度；

然后，将实际贡献度与标准贡献度做对比；贡献度超出此标准贡献度越多时，热斑效应越大，出现热斑即为贡献过剩的现象；当贡献度低于此标准贡献度越多时，说明此反射镜面更多的贡献度出现在别的区域，会造成此区域光强分布不均；其中，所述标准贡献度是在假定所有反射镜面能形成均匀分布且无热斑的条件下，每个反射镜面对每个反射区域的贡献度做一个理想化的计算，得到一个标准参考的贡献度。

6.根据权利要求3-5任一项所述的一种反射镜面聚光光斑拟合方法，其特征在于，所述反射镜面为：定日镜面、碟盘背板镜面或槽式反光镜面。