CN107315885A

CN107315885A - 能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法

Info

Publication number: CN107315885A
Application number: CN201710542644.7A
Authority: CN
Inventors: 李勋武; 王振声; 宋海峰
Original assignee: DALIAN GREAT OCEAN NEW ENERGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: DALIAN GREAT OCEAN NEW ENERGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2037-07-05
Also published as: CN107315885B

Abstract

本发明公开了一种能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，包括以下步骤：S1、利用计算机编程软件按照实际参数对镜片进行建模。S2、在考虑太阳光线存在Ang＝4.65mrad不平行度，镜面反射率为low＝92％，太阳直接辐照强度DNI＝1000W/m²、各方向反射的辐射强度相同的情况下，根据S1中采集的数据在接收面的光线分布，最后利用能流强度公式计算出各光线与目标点平面的交点坐标；并根据能流强度公式，最后统计各区域的能流分布。本发明所述能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，由于本发明通过优化算法优化得出镜片调节量，所以调节出来的光斑比较均匀，避免了光斑不均匀会造成局部热点，局部热点会和其他热量形成对流影响发动机的寿命和效率的缺点。

Description

能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法

技术领域

本发明涉及碟式太阳能热发电领域，一种能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法。

背景技术

目前，碟式太阳能热发电系统主要有碟式镜片、接收器以及光热转换发动机组成。碟式镜片是抛物线形状绕中心线旋转而成的反射镜片，其作用是用于汇聚太阳光并将太阳光汇集至光热转换发动机。

为了收集到更多的太能光需要提高碟式镜片的接收面积，但受加工工艺以及造价成本的限制，很难造成整块镜面。现有工艺是利用多块镜片拼接而成一块整体碟盘。

整体碟式太阳能热发电系统设计时，在整体镜面上会预留一个豁口用于放置固定和电气化等装置。因此，太阳光经过碟盘反射后并不会形成一个封闭的能流环。这个开环能流会严重影响光热发动机的使用寿命以及转换效率。因此进行发明一种能调节出能流分布均匀的调焦方法显得尤为必要。

现有方法主要分以下五种：

第一，手动目测调焦：在焦平面出放置接收屏，当太阳光直射碟盘时每块镜片的光均被反射至接收屏形成一个耀眼的光斑。通过操作人员操作镜片后的固定爪调节镜片角度，从而达到调焦目的。

该方法的主要缺点是调节效率低，不能定量地判断调焦效果；受天气制约性大；对操作人员人身安全有重大隐患。

第二，用平行于碟盘中心线的由多束激光构成的激光器发射激光束经镜片反射得到的光斑进行检测。当光斑处于预设位置时认为调焦完成。(专利公布号：CN 105334022A)

第三，太阳光经过每块镜片反射到焦平面的接收面上，分别在接收面的预设位置标记各种符号(颜色、字母、数字等区分)，然后将相机放置与四倍焦距外观察太阳反射光斑是否与预留符号或形状重合，如果重合则表示此镜片调焦完毕。(专利公布号：CN102981240 A)

上述第二种和第三种方法，主要缺点是太过于偏离实际。当整体镜片全部安装完毕后，前者需要在整个碟盘上方制作一个精度非常之高，面积等同于或略小于整个碟盘的的激光器固定装置，以便完成整个碟盘的调焦，同时不能够对光斑的能流密度分布进行调节；后者未能考虑到当太阳光反射至接收面时，反射光斑的亮度与预留符号亮度的差别。通过相机观察反射光斑时预留符号不易观察到，更不易判断反射光斑是否与预留符号是否重合。

第四，通过外部成像设备探知抛物线实际焦点与目标位置点的偏移，然后通过光学成像原理计算其偏移量，通过伺服电机进行镜片的位置调节。(专利公布号：CN 10348792A)

该方法的主要缺点在意其调焦精度低。当太阳光斑反射至接收面时，光斑是一个具有一定大小的不规则面，而在确定镜片的实际焦点位置时误差较大。特别是在镜片本身质量较差时，光斑形状千奇百样，更不易判断实际焦点位置。

第五，在碟盘前方架设图像显示设备、采集和处理设备。显示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案，最后通过观察反射镜的图像颜色来判定镜片倾斜角度。(专利公布号：CN 104062743 A)

该方法的主要缺点是不能够对光斑的能流密度分布进行调节，忽略了相机采集过程中噪声和外界环境对颜色的干扰。

因此，现有的调焦方法，非自动化、低精度、不可调节能流分布。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，用以解决现有的调焦方法，具有非自动化、低精度、不可调节能流分布的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，包括以下步骤：

S1、利用计算机编程软件按照实际参数对镜片进行建模。

S2、在考虑太阳光线存在Ang＝4.65mrad不平行度，镜面反射率为low＝92％，太阳直接辐照强度DNI＝1000W/m²、各方向反射的辐射强度相同的情况下，根据S1中采集的数据在接收面的光线分布，最后利用能流强度公式计算出各光线与目标点平面的交点坐标；并根据能流强度公式，最后统计各区域的能流分布；

E_j＝(Ang×N_j×DNI×low×R²×N²)/(N_j×S²×(2×j-1))

公式中Ang为太阳形状函数，这里用4.65mrad代替；整个碟盘的半径为R，接收面为正方形，边长为S；将接受面划分为N个环形；Nj为第j个环中的光线数量；low为镜片反射率；DNI为太阳直接辐照强度。

S3、通过遗传算法对能流分布图的数据优化，得出镜片调节角度，从而得到最佳的能流分布。

作为优选步骤S1中，建模过程中需要对镜片进行数据采集，采集方法为利用光的反射原理计算镜片上每个点的实际法向量na，以及太阳光经该镜片反射到目标点时的理论法向量nb；同时也采集得到镜片每一点的实际位置坐标，根据镜片的实际坐标以及法向量对镜片建模。

作为优选所述数学建模中采集数据部分包括：导光板、LED灯、相机、碟盘和焦平面；所述的导光板上设置有LED灯和相机，所述的LED灯设置于相机四周；所述LED灯的光线出射方向设置有碟盘，所述的碟盘由多块镜片拼接而成，镜片通过三个镜片爪调节，所述的镜片爪和镜片组件在碟盘上设置有多个；所述的碟盘具有的碟盘顶点同相机的中心点在同一水平面上，所述的相机和碟盘顶点之间设置在两倍焦距处；调节镜片爪，使镜片反射的太阳光能够发射至焦平面预设的目标点。

作为优选所述的镜片爪为能前后移动的调节支撑架，设定遗传算法的目标函数为min(∑(na-nb))，计算出每个镜片的调节支撑架的调节量进行调节。

与现有技术相比较，本发明所述能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，具有以下优点：

1、在确定镜片调节角度时，本发明能定量地计算角度，而传统方法是定性的。

2、由于本发明通过优化算法优化得出镜片调节量，所以调节出来的光斑比较均匀，而传统方法只是保证了光斑在目标点的范围内即可，不能保证光斑的均匀性，避免了光斑不均匀会造成局部热点，局部热点会和其他热量形成对流影响发动机的寿命和效率的缺点。

3、该调焦方法不仅不需要在太阳下直接调焦，保证了操作工的人身安全和难度，而且调节精度高，精度可达0.1mrad，装置体积小。

本发明所述的能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，应用于太阳能蝶式光热发电和大型望远镜调焦，是一种能自动化、高精度、能够调节光斑能流分布的实用型调焦技术，对蝶式太阳能光热发电的调焦具有重大推进作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明调焦装置示意图。

图2是本发明调焦装置应用示意图(图中T箭头为太阳光入射方向)。

图3是本发明初始能流分布示意图。

图4是本发明经目标点调节后的能流分布示意图。

图5是本发明单镜片建模图。

图6是本发明单镜片的能流分布图(未优化)。

图7是本发明算法优化方向箭头示意图。

图8是本发明单镜片能流分布图(已优化)。

图9是本发明镜片和镜片爪的结构示意图。

图10是本发明镜片示意图。

图11是本发明相机平面处的像点示意图。

图12是本发明最终的导光板设置示意图。

图13是本发明算法优化方向视图。

图14是本发明镜片检测的实际投影数据图(图中横坐标单位为m，纵坐标单位为kw/cm^2)。

图15是本发明镜片检测的理论投影数据图(图中横坐标单位为m，纵坐标单位为kw/cm^2)。

图16是本发明镜片优化过程视图。

其中：1、导光板，2、LED灯，3、相机，4、碟盘，5、焦平面，6、目标点，7、碟盘顶点。

具体实施方式

如图所示，一种能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，包括以下步骤：

S1、利用计算机编程软件按照实际参数对镜片进行建模，建模时过程中需要对镜片进行数据采集，采集装置示意图如图1所示。采集方法为利用光的反射原理计算镜片上每个点的法向量na，以及太阳光经该镜片反射到目标点时的法向量nb；同时也采集得到镜片每一点的实际位置坐标。根据镜片的实际坐标以及法向量对镜片建模，结果如图5所示。

如图1所示，所述的调焦装置包括：导光板1、LED灯2、相机3、碟盘4和焦平面5；所述的导光板1上设置有LED灯2和相机3，所述的LED灯2设置于相机3四周；所述LED灯2的光线出射方向设置有碟盘4，所述的碟盘4由多块镜片拼接而成，镜片通过三个镜片爪调节，所述的镜片爪和镜片组件在碟盘4上设置有多个；如图9所示，所述的镜片爪为能前后移动的调节支撑架，每个镜片上安装三个镜片爪，这样通过三个镜片爪的前后移动，即可实现镜片的任意角度摆放。

所述的碟盘4具有的碟盘顶点7同相机3的中心点在同一水平面上，所述的相机3和碟盘顶点7之间设置在两倍焦距处；调节镜片爪，使镜片反射的太阳光能够发射至焦平面5预设的目标点6。

LED灯2发射一束光线经镜片反射进入相机3，形成一个像素点或一团像素。以碟盘顶点7为原点，以顶点到相机3中心点的位移为z轴建立坐标系。

当系统设定目标点时，红色光线示意图，如图2所示。

首先，在接收面上设定碟盘4上每个镜片的目标点，将镜片绕镜片固定爪x和y方向倾斜一定的角度，使得每个镜片经本发明调焦完毕后，镜片所聚焦的光斑正好处于镜片本身的目标点处。

其次，利用光的反射原理计算镜片上每个点的实际法向量na，以及太阳光经该镜片反射到目标点时的理论法向量nb。

在实际使用过程中，碟盘顶点7和LED灯2到相机中心点的距离都是已知的，LED灯2在镜片上的反射点的实际坐标能够根据反射点在相机中的像素点坐标以及相机校正参数求解出来。根据这三个距离利用反射定律即可求出镜片反射点出的法向量na。

根据太阳光矢量以及反射点和目标点构成的矢量，根据反射定律即可求出法向量nb。利用相机标定可获得反射点的实际坐标位置。

S2、在考虑太阳光线存在Ang＝4.65mrad不平行度，镜面反射率为low＝92％，太阳直接辐照强度DNI＝1000W/m²、各方向反射的辐射强度相同的情况下，根据S1中采集的数据在接收面的光线分布。最后利用能流强度公式统计各区域的能流分布，如图6所示；

E_j＝(Ang×N_j×DNI×low×R²×N²)/(N_j×S²×(2×j-1))

S3、通过遗传算法对能流分布图的数据优化，得出镜片调节角度，调节镜片从而得到最佳的能流分布。

进一步的，通过遗传算法对能流分布图的数据，按照图7所示的八个方向构建评价函数，以镜片的x和y方向旋转角度为变量进行最优化处理。将优化得到的两个角度通过步骤S2绘图得最终的能流分布图，如图8所示。

利用相同的方法能够得到所有镜片相对与理想位置应该调节的角度。

当碟盘考虑能流分布时镜片的目标点默认为碟盘的焦点(0，0，f)时，太阳光经碟盘反射后的光斑能流图如图3所示。由于聚集热量不均匀对后端的吸热器的寿命大幅缩短以及光热转化发动机转化效率急剧下降。因此我们需要将各镜片反射太阳的光斑进行重新排列使之能形成一个封闭的均匀的圆环，如图4所示。

步骤S3中，得出调节角度，利用光的反射原理计算镜片上每个点的法向量na，以及太阳光经该镜片反射到目标点时的法向量nb，设定遗传算法的目标函数为min(∑(na-nb))。这个式子的意义是将4个投影方向的实际和理论误差求和，使得误差之和最小。应用调焦装置进行调节。

这样不仅完成了整个碟盘的调焦，而且保证了接收面上的能流分布均匀和闭环。

所述的导光板1上设置有LED灯，这些LED灯的布局设计方案如下：

为了确保相机能获得整个碟盘每个镜片上足够的数据点，需要对LED灯的布局进行设计。设计时需要考虑两点，第一保证数据点的数据冗余最小；第二保证每个镜片上的数据点均匀且足够多。因此设计方案如下：

1、每个子镜片上取8个点，这八个点需保证其均匀、覆盖整个镜片，如图10所示。

2、以相机中心点为物点，子镜片上8个点为反射点，则物点经过N个镜片发射后会在相机平面处得到N*8个像点。

当子镜片数目为45时，那么在相机平面处的像点总数为360个，如图11所示。

3、从图11中，能够发现360个像点有很多像点都聚集在一起，因此很多这样的点能够省略。例如中心处有30个像点，选取2-3个点即可。

4、此时360个像点即可减少至140-180个像点左右。

5、在确定的像点坐标处安装一个适宜大小、适宜强度的LED灯，即可实现数据冗余量最小、覆盖面积全的导光板。

6、此时确定的像点坐标均为碟盘的目标点为碟盘焦点时的坐标。

由于经过遗传算法优化调整后，镜片的聚焦点不再是碟盘的焦点，因此需要额外在外侧添加一圈LED灯。

7、最终的导光板设置，如图12所示，最中心圆圈部分为相机，其他圆圈为LED灯。

实验流程如下：

1、利用调焦系统对每块镜片进行检测，检测完后得出镜片上任何一点的三维坐标以及该点的法向量(以下简称为数据)。

2、对整个镜片的数据分别在4个投影方向上进行投影。

3、实际镜片检测后得到的投影数据，如图14所示(以1个方向的数据为例)。

4、当光斑能流分布均匀时投影结果，如图15所示。

5、在这个方向上以min(∑(na-nb))最小为目标值，以M*2调节方向为变量，进行最优化计算。其中M为碟盘上镜片的数量，调节角度为关于子镜片的X轴旋转、关于子镜片的Y轴旋转。

优化过程如图16所示。这是一个子镜片最后优化最来的调节量，X轴需要调节0.6mrad，Y轴需要调节0.8mrad。

6、以此完成整个碟盘的调焦。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、利用计算机编程软件按照实际参数对镜片进行建模；

S2、在考虑太阳光线存在Ang＝4.65mrad不平行度，镜面反射率为low＝92％，太阳直接辐照强度DNI＝1000W/m²、各方向反射的辐射强度相同的情况下，根据S1中采集的数据在接收面的光线分布，最后利用能流强度公式计算出各光线与目标点平面的交点坐标；

并根据能流强度公式，最后统计各区域的能流分布；

E_j＝(Ang×N_j×DNI×low×R²×N²)/(N_j×S²×(2×j-1))

公式中Ang为太阳形状函数，这里用4.65mrad代替；整个碟盘的半径为R，接收面为正方形，边长为S；将接受面划分为N个环形；Nj为第j个环中的光线数量；low为镜片反射率；DNI为太阳直接辐照强度；

2.根据权利要求1所述的能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，其特征在于：

步骤S1中，建模过程中需要对镜片进行数据采集，采集方法为利用光的反射原理计算镜片上每个点的实际法向量na，以及太阳光经该镜片反射到目标点时的理论法向量nb；同时也采集得到镜片每一点的实际位置坐标，根据镜片的实际坐标以及法向量对镜片建模。

3.根据权利要求2所述的能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，其特征在于：

所述数学建模中采集数据部分包括：导光板(1)、LED灯(2)、相机(3)、碟盘(4)和焦平面(5)；

所述的导光板(1)上设置有LED灯(2)和相机(3)，所述的LED灯(2)设置于相机(3)四周；

所述LED灯(2)的光线出射方向设置有碟盘(4)，所述的碟盘(4)由多块镜片拼接而成，镜片通过三个镜片爪调节，所述的镜片爪和镜片组件在碟盘(4)上设置有多个；

所述的碟盘(4)具有的碟盘顶点(7)同相机(3)的中心点在同一水平面上，所述的相机(3)和碟盘顶点(7)之间设置在两倍焦距处；

调节镜片爪，使镜片反射的太阳光能够发射至焦平面(5)预设的目标点(6)。

4.根据权利要求3所述的能流分布均匀的碟式太阳能系统调焦方法，其特征在于：

所述的镜片爪为能前后移动的调节支撑架，设定遗传算法的目标函数为min(∑(na-nb))，计算出每个镜片的调节支撑架的调节量进行调节。