CN107356413B - 菲涅尔镜检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种菲涅尔镜检测装置，包括光线模拟装置、支腿、透镜支架、接收屏、CCD相机、与CCD相机连接的图像处理装置及用于测量菲涅尔镜与接收屏之间距离的测距装置，CCD相机的镜头与接收屏的光线照射面对准，透镜支架位于光线模拟装置和接收屏之间，透镜支架安装在支腿上，且接收屏与安装在透镜支架上的菲涅尔镜之间的间距可调节，本申请提供的菲涅尔镜检测装置有效地提高了菲涅尔镜的利用效率。

Description

菲涅尔镜检测装置

技术领域

本发明涉及太阳能热利用技术领域，特别涉及一种菲涅尔镜检测装置。

背景技术

太阳能作为无污染能源，越来越广泛使用。具体的，菲涅尔聚光器由于加工成本低、质量轻及精度等优点，被广泛使用。

在使用时，工作人员直接将菲涅尔镜安装在太阳能热利用系统中，菲涅尔镜的安装位置根据菲涅尔镜原本设计的焦距进行安装。

然而，由于菲涅尔镜加工误差的存在，实际使用中所对应的菲涅尔镜的焦距与原本设计理论对应的焦距有所不同，如果按照菲涅尔镜原本设计的焦距进行安装，菲涅尔镜焦距的出现偏差时，使得接收器的安装位置也存在偏差，导致菲涅尔镜的利用效率降低。

因此，如何提高菲涅尔镜的利用效率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种菲涅尔镜检测装置，以提高菲涅尔镜的利用效率。

为实现上述目的，本发明提供一种菲涅尔镜检测装置，包括光线模拟装置、支腿、透镜支架、接收屏、CCD相机、与所述CCD相机连接的图像处理装置及用于测量菲涅尔镜与所述接收屏之间距离的测距装置，所述CCD相机的镜头与所述接收屏的光线照射面对准，所述透镜支架位于所述光线模拟装置和所述接收屏之间，所述透镜支架安装在所述支腿上，且所述接收屏与安装在所述透镜支架上的菲涅尔镜之间的间距可调节。

优选地，还包括用于对接收屏降温的冷却装置，所述光线模拟装置与所述支腿的顶端固定连接，所述冷却装置与所述支腿底端固定连接。

优选地，所述冷却装置包括水箱、水泵、水冷容纳槽及用于带动所述水冷容纳槽升降的伸缩空心柱，所述伸缩空心柱的两端分别与所述水箱和所述水冷容纳槽连通，所述水泵位于所述水箱内，且用于向所述伸缩空心柱内抽水，所述水冷容纳槽的上表面为开口端，且所述水冷容纳槽内的冷却水与所述接收屏抵接，所述接收屏位于所述水冷容纳槽正上方。

优选地，所述水冷容纳槽为圆柱形槽体，所述水冷容纳槽的侧壁设有出水口，所述出水口为多个，多个所述出水口沿所述水冷容纳槽的侧壁周向均匀分布，所述接收屏的下表面贴合有与冷却水接触的金属面。

优选地，所述光线模拟装置为人工太阳模拟器，所述光线模拟装置包括多组独立设置的线光源结构，多组所述线光源结构呈矩阵式排列。

优选地，所述光线模拟装置为至少可发射两种波段光波的激光装置。

优选地，还包括用于调节所述光线模拟装置倾斜角度的高度控制伸缩装置，所述高度控制伸缩装置安装在所述支腿上，所述光线模拟装置安装在所述高度控制伸缩装置上。

优选地，还包括太阳辐射测量仪、漏电保护装置及用于检测所述光线模拟装置内光管温度的测温报警装置。

优选地，还包括安装支架，所述安装支架包括第一支撑杆、第一悬挂杆及带动所述第一悬挂杆沿所述第一支撑杆长度方向滑动的第一悬挂滑块，所述第一支撑杆和所述第一悬挂杆均为两个，两个所述第一支撑杆相对设置，两个所述第一支撑杆通过所述第一悬挂滑块与所述第一悬挂杆的两端连接，所述第一支撑杆的两端上下可调节地设置在所述支腿上，所述第一支撑杆上开设有滑槽，所述第一悬挂滑块顶端与所述第一悬挂杆连接，底端位于所述滑槽内，两个所述第一悬挂杆上，一者上设有所述CCD相机，另一者上设有所述测距装置，所述CCD相机的摄像头和所述测距装置的摄像头均与菲涅尔镜位于同一水平面上。

优选地，所述透镜支架包括第二支撑杆、第二悬挂杆及带动所述第二悬挂杆沿所述第二支撑杆长度方向滑动的第二悬挂滑块，所述第二支撑杆和所述第二悬挂杆均为两个，两个所述第二支撑杆相对设置，且与所述第一支撑杆垂直设置，两个所述第二支撑杆通过所述第二悬挂滑块与所述第二悬挂杆的两端连接，所述第二支撑杆的两端上下可调节地设置在所述支腿上，所述第二支撑杆上开设有滑槽，所述第二悬挂滑块顶端与所述第二悬挂杆连接，底端位于所述滑槽内，菲涅尔镜安装在所述第二悬挂杆上。

优选地，还包括用于屏蔽外界光源的暗房，所述光线模拟装置、所述接收屏、所述CCD相机、所述透镜支架均位于所述暗房内。

在上述技术方案中，本发明提供的菲涅尔镜检测装置包括光线模拟装置、支腿、透镜支架、接收屏、CCD相机、与CCD相机连接的图像处理装置及用于测量菲涅尔镜与接收屏之间距离的测距装置，CCD相机的镜头与接收屏的光线照射面对准，透镜支架位于光线模拟装置和接收屏之间，透镜支架安装在支腿，且接收屏与安装在透镜支架上的菲涅尔镜之间的间距可调节。在检测菲涅尔镜的焦距时，光线模拟装置发出的光线照射在菲涅尔镜上，通过菲涅尔镜的折射作用，在接收屏上形成一定面积的光斑，通过CCD相机拍照进行图像收集，并传送给与之相连接的图像处理装置，通过调节接收屏和菲涅尔镜之间的间距，通过CCD相机持续拍摄，直至图像处理装置显示光斑面积最小、能流密度最大，此时通过测距装置测量菲涅尔镜与接收屏之间距离，得出菲涅尔镜实际焦距。

通过上述描述可知，在本申请提供的菲涅尔镜检测装置中，通过光线模拟装置模拟太阳光线，调节菲涅尔镜与接收屏之间距离，通过CCD相机拍照进行图像收集，得出光斑面积最小、能流密度最大时菲涅尔镜与接收屏之间间距，再通过测距装置测量菲涅尔镜与接收屏之间距离，进而得出菲涅尔镜实际焦距，在实际安装时，根据实际测得的菲涅尔镜焦距进行安装，有效地提高了菲涅尔镜的利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的菲涅尔镜检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供另一种工作状态的菲涅尔镜检测装置的的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的菲涅尔镜检测装置的三维结构图；

图4为本发明实施例所提供的安装支架和透镜支架的局部放大图；

图5为本发明实施例所提供的冷却装置的结构示意图；

图6为本发明实施例所提供的光线模拟装置的结构示意图；

图7为本发明实施例所提供的透镜支架的局部放大图。

其中图1-7中：1-光线模拟装置、2-支腿、3-菲涅尔镜；

4-安装支架、41-第一悬挂滑块、42-第一悬挂环、43-第一悬挂杆、44-第一支撑杆；

5-透镜支架、51-第二悬挂杆、52-第二悬挂环、53-第二悬挂滑块、54-第二支撑杆、55-透镜支撑座；

6-接收屏、7-水冷容纳槽、71-出水口、8-伸缩空心柱、9-水箱、10-测距装置、11-CCD相机。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种菲涅尔镜检测装置，以提高菲涅尔镜的利用效率。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图7，在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的菲涅尔镜检测装置包括光线模拟装置1、支腿2、透镜支架5、接收屏6、CCD相机11、与CCD相机11连接的图像处理装置及用于测量菲涅尔镜3与接收屏6之间距离的测距装置10，优选，接收屏6为朗伯靶，具体的，支腿2为四个，四个支腿2成矩形排布，菲涅尔镜3安装在透镜支架5上。CCD相机11的镜头与接收屏6的光线照射面对准，当CCD相机11位于菲涅尔镜3正上方时，CCD相机11的摄像头和测距装置10的摄像头均与菲涅尔镜3位于同一水平面上，透镜支架5位于光线模拟装置1和接收屏6之间，透镜支架5安装在支腿2上，且接收屏6与安装在透镜支架5上的菲涅尔镜3之间的间距可调节，具体的，可以通过透镜支架5可以沿支腿2往复运动，以调节接收屏6与菲涅尔镜3之间的间距。具体的，为了提高测量准确性，且降低测量人员的劳动强度，优选，测距装置10优选为红外线测距装置。具体的，支腿2上设有用于安装CCD相机11和测距装置10的安装杆。

具体的，光线模拟装置1为人工太阳模拟器，光线模拟装置1包括多组独立设置的线光源结构，多组线光源结构呈矩阵式排列，即线光源结构呈多排和多列平行布置。优选，线光源结构的个数、位置、光强都可灵活可调，以保证有效辐射面积内的光均匀性和稳定性，提高试验结果的准确性，进而提高菲涅尔镜3的利用效率。

在检测菲涅尔镜3的焦距时，光线模拟装置1发出的光线平行照射在菲涅尔镜3上，通过菲涅尔镜3的折射作用，在接收屏6上形成一定面积的光斑，通过CCD相机11拍照进行图像收集，并传送给与之相连接的图像处理装置，通过调节接收屏6和菲涅尔镜3之间的间距，通过CCD相机11持续拍摄，直至图像处理装置显示光斑面积最小、能流密度最大，此时通过测距装置10测量菲涅尔镜3与接收屏6之间距离，得出菲涅尔镜3实际焦距。

通过上述描述可知，在本申请具体实施例所提供的菲涅尔镜检测装置中，通过光线模拟装置1模拟太阳光线，调节菲涅尔镜3与接收屏6之间距离，通过CCD相机11拍照进行图像收集，得出光斑面积最小、能流密度最大时菲涅尔镜3与接收屏6之间间距，再通过测距装置10测量菲涅尔镜3与接收屏6之间距离，进而得出菲涅尔镜3实际焦距，即调整光斑成像装置的高度，直至达到最小光斑面积时，即可确定此时所对应的焦距即为所检测菲涅尔镜3的实际焦距的大小，同时，通过检测在实际聚光过程中的光斑弥散和能量分布情况，还可以进一步确定聚光比、光学效率和能流密度分布等参数的实际应用准确值，在实际安装时，根据实际测得的菲涅尔镜3焦距进行安装，有效地提高了菲涅尔镜3的利用效率。

进一步，为避免接收屏6由于经过多次高温实验后，产生较为严重的变形，优选，该菲涅尔镜检测装置还包括用于对接收屏6降温的冷却装置，光线模拟装置1与支腿2的顶端固定连接，冷却装置与支腿2底端固定。具体的，该冷却装置可以为风冷装置，通过设置冷却装置，有效地延长了接收屏6的使用寿命。

优选的，冷却装置包括水箱9、水泵、水冷容纳槽7及用于带动水冷容纳槽7升降的伸缩空心柱8，伸缩空心柱8的两端分别与水箱9和水冷容纳槽7连通，水泵位于水箱9内，且用于向伸缩空心柱8内抽水。水冷容纳槽7的上表面为开口端，且水冷容纳槽7内的冷却水与接收屏6抵接，接收屏6位于水冷容纳槽7正上方。优选，伸缩空心柱8与图像处理装置连接，图像处理装置的计算机通过调节升降装置的高度，进而实现调节菲涅尔镜3与所述接收屏6之间距，直至在图像处理装置的计算机图像系统中所形成的光斑面积最小、能流密度最大。为了提高换热效率，减少空气热阻，可将接收屏6紧密镶嵌在水冷容纳槽7正上方中。

优选的，水冷容纳槽7为圆柱形槽体，水冷容纳槽7的侧壁设有出水口71，出水口71为多个，多个出水口71沿水冷容纳槽7的侧壁周向均匀分布，保证对接收屏6的均匀冷却，且使冷却水水流平稳，减小对接收屏6的影响。

优选的，为了便于稳定排放冷却水，优选，出水口71设有软管，这样可保证对接收屏6的均匀冷却。

为了保护接收屏6，接收屏6的下表面贴合有与冷却水接触的金属面，该金属面具体可以为薄铁皮，即水流经水泵压送至水冷容纳槽7后是隔着薄铁皮对接收屏6进行降温冷却的。冷却水在与接收屏6均匀换热后，从出水口71漫出，并通过软管流回水箱9再次利用。当然，也可以将换热后的水直接排放到外界或其他专用收集装置，而水箱9内的水从其它水源处补充。

在一种实施方案中，光线模拟装置1为至少可发射两种波段光波的激光装置。采用不同波段的入射光线以及不同材质的菲涅尔镜3，通过检测所对应的光学效率的大小，可确定同一菲涅尔镜3材质下光学效率最高的波段值，以及同一波段值下光学效率最高的菲涅尔镜3材质，从而可以依据实验的具体需要而做出最优选择。通过对同一材质菲涅尔镜3更换不同波段的激光装置，测得所对应的光学效率、聚光比等光学性能参数，以确定适合所开展实验的最佳波段值。

对同一波段值的入射光线更换不同材质的菲涅尔镜3，测得所对应的光学效率、聚光比等光学性能参数，以确定适合所开展实验的最佳菲涅尔镜3材质。

进一步，该菲涅尔镜检测装置还包括用于调节光线模拟装置1倾斜角度的高度控制伸缩装置，高度控制伸缩装置安装在支腿2上，光线模拟装置1安装在高度控制伸缩装置上，具体的，该伸缩装置可以为伸缩杆。改变菲涅尔镜3与光线模拟装置1入射平行光线的倾斜角度，检测其所对应的光斑偏移量的大小以及光学效率的实际值，从而给与一定的容差评价，对与聚光装置相匹配的能量利用装置起到理论指导作用。例如，吸热器端面面积的大小，太阳能电池组件的分布方式等。调整光线模拟装置1的倾斜角度具体也可以通过在两侧支腿2顶端各放置不同高度的垫块，使其形成一定角度，然后人工扶持或者外加机械夹紧装置进行固定，使其与菲涅尔透镜保持一定的接收角，然后通过CCD相机11获取接收屏6的能流密度分布图，对每幅图的光斑特性进行分析，判断菲涅尔镜3真实焦点位置，并计算出焦点偏移量，同时计算出实际的准确的光学效率、聚光比等光学性能参数。

优选的，应在同一条件下连续改变人工太阳模拟器的倾斜角度，得到多组数据。并对上述数据进行分析，以获得所检测菲涅尔镜3的误差容忍度，并给予容差评价。

需要强调的是，在对每幅图的光斑特性进行分析之前，需要先建立图像中像点位置和接收屏6表面物点位置的相互对应关系，而这种相互对应关系由摄像系统成像模型来决定。

进一步，该菲涅尔镜检测装置还包括太阳辐射测量仪、漏电保护装置及用于检测光线模拟装置1内光管温度的测温报警装置。太阳辐射仪实时监测光源的辐射及亮度，以保证系统的安全。当光线模拟装置1温度过高时，通过测温报警装置报警，进而提高整体安全性及光线模拟装置1的使用寿命。

优选的，菲涅尔镜检测装置还包括安装支架4，安装支架4包括第一支撑杆44、第一悬挂杆43及带动第一悬挂杆43沿所述第一支撑杆44长度方向滑动的第一悬挂滑块41，优选的，第一悬挂滑块41通过套设在第一悬挂杆43上的第一悬挂环42与第一悬挂杆43连接。第一支撑杆44和第一悬挂杆43均为两个，两个第一支撑杆44相对设置，两个第一支撑杆44通过第一悬挂滑块41与第一悬挂杆43的两端连接，第一支撑杆44的两端上下可调节地设置在支腿2上，第一支撑杆44上开设有滑槽，第一悬挂滑块41顶端与第一悬挂杆43连接，底端位于滑槽内，两个第一悬挂杆43上，一者上设有CCD相机11，另一者上设有测距装置10。当测距装置10为红外线测距装置时，测距装置10的镜头垂直指向水箱9；在水箱9对应处处放置有红外线接收器。且红外测距装置与图像处理装置的计算机系统直接相连，实时反馈菲涅尔镜3与接收屏6的距离。整体的刚度和强度问题，CCD相机11和测距装置10安装在不同第一悬挂杆43上，有效地提高了测量准确性。

需要强调的是，CCD相机11悬挂安装在第一悬挂杆43上，镜头指向接收屏6。为了防止接收屏6上反射的强光使CCD阵列达到饱和，CCD相机11的镜头前方放置一套中性密度滤光片。

优选的，透镜支架5包括第二支撑杆54、第二悬挂杆51及带动第二悬挂杆51沿第二支撑杆54长度方向滑动的第二悬挂滑块53，具体的，第二悬挂滑块53通过套设在第二悬挂杆51上的第二悬挂环52与第二悬挂杆51连接。第二支撑杆54和第二悬挂杆51均为两个，两个第二支撑杆54相对设置，且与第一支撑杆44垂直设置，两个第二支撑杆54通过第二悬挂滑块53与第二悬挂杆51的两端连接，第二支撑杆54的两端上下可调节地设置在支腿2上，第二支撑杆54上开设有滑槽，第二悬挂滑块53顶端与第二悬挂杆51连接，底端位于滑槽内菲涅尔镜3安装在第二悬挂杆51上。第二悬挂滑块53可在第二支撑杆54滑槽内自由移动，优选，第二悬挂杆51上设有透镜支撑座55，实现在透镜支撑座55上放置不同尺寸和形状的菲涅尔透镜的有益效果，菲涅尔镜3直接放置在透镜支撑座55上，优选的，透镜支撑座55的大小、数量以及在第二悬挂杆51上的位置可根据需要灵活调节，以保证菲涅尔镜3的稳固安放。

在上述各方案的基础上，该菲涅尔镜检测装置还包括用于屏蔽外界光源的暗房，光线模拟装置1、接收屏6、CCD相机11、透镜支架5均位于暗房内。通过设置暗房，避免外界光线干扰，即接收屏6的光斑仅为光线模拟装置1发射光线经菲涅尔透镜折射所形成，不受周围环境光线的影响。

在具体使用时，可以通过CCD相机11获取接收屏的能流密度分布图，对每幅图的光斑特性进行分析，并与理论计算方法的计算结果进行比较，进一步得到实际的准确的光学效率、聚光比等光学性能参数。优选的，上述理论计算方法包括：Monte Carlo方法、锥体光学法、光线跟踪法、微角锥法等常规方法进行计算。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种菲涅尔镜检测装置，其特征在于，包括光线模拟装置(1)、支腿(2)、透镜支架(5)、接收屏(6)、CCD相机(11)、与所述CCD相机(11)连接的图像处理装置及用于测量菲涅尔镜(3)与所述接收屏(6)之间距离的测距装置(10)，所述CCD相机(11)的镜头与所述接收屏(6)的光线照射面对准，所述透镜支架(5)位于所述光线模拟装置(1)和所述接收屏(6)之间，所述透镜支架(5)安装在所述支腿(2)上，且所述接收屏(6)与安装在所述透镜支架(5)上的菲涅尔镜(3)之间的间距可调节；

还包括用于对接收屏(6)降温的冷却装置，所述光线模拟装置(1)与所述支腿(2)的顶端固定连接，所述冷却装置与所述支腿(2)底端固定连接；

所述冷却装置包括水箱(9)、水泵、水冷容纳槽(7)及用于带动所述水冷容纳槽(7)升降的伸缩空心柱(8)，所述伸缩空心柱(8)的两端分别与所述水箱(9)和所述水冷容纳槽(7)连通，所述水泵位于所述水箱(9)内，且用于向所述伸缩空心柱(8)内抽水，所述水冷容纳槽(7)的上表面为开口端，且所述水冷容纳槽(7)内的冷却水与所述接收屏(6)抵接，所述接收屏(6)位于所述水冷容纳槽(7)正上方，所述水冷容纳槽(7)为圆柱形槽体，所述水冷容纳槽(7)的侧壁设有出水口(71)，所述出水口(71)为多个，多个所述出水口(71)沿所述水冷容纳槽(7)的侧壁周向均匀分布，所述接收屏(6)的下表面贴合有与冷却水接触的金属面；

还包括安装支架(4)，所述安装支架(4)包括第一支撑杆(44)、第一悬挂杆(43)及带动所述第一悬挂杆(43)沿所述第一支撑杆(44)长度方向滑动的第一悬挂滑块(41)，所述第一支撑杆(44)和所述第一悬挂杆(43)均为两个，两个所述第一支撑杆(44)相对设置，两个所述第一支撑杆(44)通过所述第一悬挂滑块(41)与所述第一悬挂杆(43)的两端连接，所述第一支撑杆(44)的两端上下可调节地设置在所述支腿(2)上，所述第一支撑杆(44)上开设有滑槽，所述第一悬挂滑块(41)顶端与所述第一悬挂杆(43)连接，底端位于所述滑槽内，两个所述第一悬挂杆(43)上，一者上设有所述CCD相机(11)，另一者上设有所述测距装置(10)，所述CCD相机(11)的摄像头和所述测距装置(10)的摄像头均与菲涅尔镜(3)位于同一水平面上；

还包括用于调节所述光线模拟装置(1)倾斜角度的高度控制伸缩装置，所述高度控制伸缩装置安装在所述支腿(2)上，所述光线模拟装置(1)安装在所述高度控制伸缩装置上。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔镜检测装置，其特征在于，所述光线模拟装置(1)为人工太阳模拟器，所述光线模拟装置(1)包括多组独立设置的线光源结构，多组所述线光源结构呈矩阵式排列。

3.根据权利要求1所述的菲涅尔镜检测装置，其特征在于，所述光线模拟装置(1)为至少可发射两种波段光波的激光装置。

4.根据权利要求1所述的菲涅尔镜检测装置，其特征在于，还包括太阳辐射测量仪、漏电保护装置及用于检测所述光线模拟装置(1)内光管温度的测温报警装置。

5.根据权利要求1所述的菲涅尔镜检测装置，其特征在于，所述透镜支架(5)包括第二支撑杆(54)、第二悬挂杆(51)及带动所述第二悬挂杆(51)沿所述第二支撑杆(54)长度方向滑动的第二悬挂滑块(53)，所述第二支撑杆(54)和所述第二悬挂杆(51)均为两个，两个所述第二支撑杆(54)相对设置，且与所述第一支撑杆(44)垂直设置，两个所述第二支撑杆(54)通过所述第二悬挂滑块(53)与所述第二悬挂杆(51)的两端连接，所述第二支撑杆(54)的两端上下可调节地设置在所述支腿(2)上，所述第二支撑杆(54)上开设有滑槽，所述第二悬挂滑块(53)顶端与所述第二悬挂杆(51)连接，底端位于所述滑槽内，菲涅尔镜(3)安装在所述第二悬挂杆(51)上。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的菲涅尔镜检测装置，其特征在于，还包括用于屏蔽外界光源的暗房，所述光线模拟装置(1)、所述接收屏(6)、所述CCD相机(11)、所述透镜支架(5)均位于所述暗房内。