CN107883893B - 一种太阳能聚光器曲面自动检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光伏技术领域，公开了一种太阳能聚光器曲面自动检测系统及方法，系统：发射单元、接收单元、导轨和计算机；发射单元与导轨连接，导轨的一端固定在接收单元上；计算机控制接收单元绕被测聚光镜的中心轴线旋转、发射单元沿导轨移动。方法：计算机控制发射单元、导轨随接收单元绕被测聚光镜的中心轴线旋转，通过发射单元得到第一、第二无衍射光束，并入射至接收单元形成无衍射光莫尔条纹；得到被测点处曲面平整度；控制发射单元沿导轨移动，重复以上步骤，直至得到整个太阳能聚光器曲面平整度。本发明解决了现有技术中太阳能聚光器曲面检测效率及精度较低的问题，达到了高效高精度实现太阳能聚光器曲面自动检测的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，尤其涉及一种太阳能聚光器曲面自动检测系统及方法。
背景技术
随着石油、煤、天然气等不可再生能源的消耗及资源的衰竭，新能源的开发迫在眉睫。利用太阳能发电为人类生产生活提供清洁能源，已经成为人类普遍关注的热点。太阳能发电主要包括两种发电方式，太阳能热发电和光伏发电。其中，光伏发电技术是通过太阳能电池芯片接收太阳光，通过电子空穴对的分离实现光电转换，具有较高的发电效率。
光伏发电技术经历了第一代的晶体硅电池、第二代的薄膜电池，目前已发展到第三代的聚光太阳能发电。聚光太阳能发电即通过采用廉价的聚光系统将太阳光汇聚到面积较小的高性能太阳能电池上，大幅度的降低系统的成本及昂贵的太阳能电池材料用量。其中，太阳能聚光器是聚光技术中的关键器件，其成本占电站总成本的40％以上。太阳能聚光器一般为大型的玻璃反射镜，各反光镜的光学性能，特别是他们的几何精度将在很大程度上影响太阳能聚光器的聚光效率，进而影响到整个光伏系统的效率。而现有技术通常是通过手工调试来检测太阳能聚光器曲面，检测效率及精度较低。
发明内容
本发明实施例通过提供一种太阳能聚光器曲面自动检测系统及方法，解决了现有技术中太阳能聚光器曲面检测效率及精度较低的问题。
本发明实施例提供一种太阳能聚光器曲面自动检测系统，包括：
发射单元、接收单元、导轨和计算机；
所述发射单元与所述导轨连接；所述发射单元在所述计算机的控制下，沿所述导轨移动第一距离；
所述导轨的一端固定在所述接收单元上，所述接收单元位于被测聚光镜的中心轴线上；所述接收单元在所述计算机的控制下，以第一角速度绕所述被测聚光镜的中心轴线旋转。
优选的，所述发射单元包括激光器、扩束镜、准直镜、轴锥镜、分光棱镜；
所述接收单元包括角度调制器、合束镜、CCD探测器；
所述分光棱镜与所述合束镜位于同一高度；所述计算机控制所述角度调制器内的光楔角度。
优选的，所述角度调制器由一对角度可调整的光楔组成。
优选的，所述第一角速度大于5mrad/s。
一种太阳能聚光器曲面自动检测方法，包括以下步骤：
通过计算机控制接收单元，使发射单元、导轨随所述接收单元以第一角速度绕被测聚光镜的中心轴线旋转；
通过所述发射单元得到第一无衍射光束和第二无衍射光束；所述第一无衍射光束、经所述被测聚光镜反射的所述第二无衍射光束均入射至所述接收单元，并形成无衍射光莫尔条纹；
根据所述无衍射光莫尔条纹，得到莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置；根据所述莫尔条纹数和所述两束无衍射光的中心点位置，得到被测点处法线误差；根据所述被测点处法线误差，得到被测点处曲面平整度；
通过所述计算机控制所述发射单元沿所述导轨移动第一距离，重复以上步骤，直至得到整个太阳能聚光器曲面平整度。
优选的，所述发射单元通过激光器发射激光束，并依次经过扩束镜、准直镜、轴锥镜、分光棱镜后，得到所述第一无衍射光束和所述第二无衍射光束；
所述第一无衍射光束入射至所述接收单元中的合束镜；所述第二无衍射光束入射至所述被测聚光镜，经所述被测聚光镜反射后入射至所述接收单元中的角度调制器，所述第二衍射光束经所述角度调制器后入射至所述合束镜；
所述第一无衍射光束和所述第二无衍射光束经所述述合束镜后，在所述接收单元的CCD探测器处形成无衍射光莫尔条纹。
优选的，所述第二无衍射光束垂直入射到所述被测聚光镜上。
优选的，所述第一角速度大于5mrad/s。
优选的，所述角度调制器由一对角度可调整的光楔组成，所述计算机根据所述发射单元的位置调整所述角度调制器内的光楔角度。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本发明实施例中，发射单元与导轨连接，导轨的一端固定在接收单元上，计算机控制接收单元绕被测聚光镜的中心轴线旋转，发射单元和导轨随着接收单元也以同样的速度绕聚光镜的中心轴线旋转。在旋转的同时，通过发射单元得到第一无衍射光束和第二无衍射光束；第一无衍射光束、经被测聚光镜反射的第二无衍射光束均入射至接收单元，并形成无衍射光莫尔条纹；根据所述无衍射光莫尔条纹，得到莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置；根据莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置，得到被测点处法线误差；根据被测点处法线误差，得到被测点处曲面平整度；然后通过计算机控制发射单元沿导轨移动，重复以上步骤，直至得到整个太阳能聚光器曲面平整度。综上，本发明无须通过手工调试检测太阳能聚光器曲面聚光镜，而是通过自动化设计，能够便捷高效快速地完成检测，适应面广。本发明通过扫描的形式对太阳能聚光器曲面聚光镜进行检测，能够有效提高对聚光镜检测的精度。本发明通过建立无衍射光莫尔条纹与太阳能聚光面镜曲面之间的误差模型；利用无衍射光莫尔条纹具有的放大的特性，结合计算机控制算法和图像处理算法，通过莫尔条纹的变化对太阳能聚光器的面形进行高精度误差测量和定性分析，能高效高精度地实现太阳能聚光器曲面自动检测。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种太阳能聚光器曲面自动检测系统的结构示意图；
图2-1、图2-2、图2-3为无衍射光莫尔条纹与法线误差的关系图。
其中，1-激光器；2-扩束镜；3-准直镜；4-轴锥镜；5-分光棱镜；6-导轨；7-CCD探测器；8-合束镜；9-角度调制器；10-被测聚光镜；11-分光棱镜透射激光束；12-分光棱镜反射激光束；13-被测聚光镜反射激光束；14-干涉激光束；15-计算机；100-发射单元；200-接收单元。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种太阳能聚光器曲面自动检测系统，解决了现有技术中太阳能聚光器曲面检测效率及精度较低的问题。
本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种太阳能聚光器曲面自动检测系统，包括：
发射单元、接收单元、导轨和计算机；
所述发射单元与所述导轨连接；所述发射单元在所述计算机的控制下，沿所述导轨移动第一距离；
所述导轨的一端固定在所述接收单元上，所述接收单元位于被测聚光镜的中心轴线上；所述接收单元在所述计算机的控制下，以第一角速度绕所述被测聚光镜的中心轴线旋转。
一种太阳能聚光器曲面自动检测方法，包括以下步骤：
通过计算机控制接收单元，使发射单元、导轨随所述接收单元以第一角速度绕被测聚光镜的中心轴线旋转；
通过所述发射单元得到第一无衍射光束和第二无衍射光束；所述第一无衍射光束、经所述被测聚光镜反射的所述第二无衍射光束均入射至所述接收单元，并形成无衍射光莫尔条纹；
根据所述无衍射光莫尔条纹，得到莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置；根据所述莫尔条纹数和所述两束无衍射光的中心点位置，得到被测点处法线误差；根据所述被测点处法线误差，得到被测点处曲面平整度；
通过所述计算机控制所述发射单元沿所述导轨移动第一距离，重复以上步骤，直至得到整个太阳能聚光器曲面平整度。
本发明中发射单元与导轨连接，导轨的一端固定在接收单元上，计算机控制接收单元绕被测聚光镜的中心轴线旋转，发射单元和导轨随着接收单元也以同样的速度绕聚光镜的中心轴线旋转。在旋转的同时，通过发射单元得到第一无衍射光束和第二无衍射光束；第一无衍射光束、经被测聚光镜反射的第二无衍射光束均入射至接收单元，并形成无衍射光莫尔条纹；根据所述无衍射光莫尔条纹，得到莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置；根据莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置，得到被测点处法线误差；根据被测点处法线误差，得到被测点处曲面平整度；然后通过计算机控制发射单元沿导轨移动，重复以上步骤，直至得到整个太阳能聚光器曲面平整度。综上，本发明无须通过手工调试检测太阳能聚光器曲面聚光镜，而是通过自动化设计，能够便捷高效快速地完成检测，适应面广。本发明通过扫描的形式对太阳能聚光器曲面聚光镜进行检测，能够有效提高对聚光镜检测的精度。本发明通过建立无衍射光莫尔条纹与太阳能聚光面镜曲面之间的误差模型；利用无衍射光莫尔条纹具有的放大的特性，结合计算机控制算法和图像处理算法，通过莫尔条纹的变化对太阳能聚光器的面形进行高精度误差测量和定性分析，能高效高精度地实现太阳能聚光器曲面自动检测。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种太阳能聚光器曲面自动检测系统及方法，其中，系统如图1所示，包括：激光器1、扩束镜2、准直镜3、轴锥镜4、分光棱镜5、导轨6、CCD探测器7、合束镜8、角度调制器9。
由所述激光器1、所述扩束镜2、所述准直镜3、所述轴锥镜4、所述分光棱镜5封装组成所述发射单元100；由所述角度调制器9、所述合束镜8、所述CCD探测器组7封装组成所述接收单元200；所述分光棱镜5与所述合束镜8位于同一高度。
所述接收单元200位于被测聚光镜10的中心轴线上，所述发射单元100与所述导轨6连接，所述导轨6的一端固定在所述接收单元200上。
所述接收单元200在所述计算机15的控制下，以第一角速度绕所述被测聚光镜10的中心轴线旋转，由于所述发射单元100与所述导轨6连接，所述导轨6的一端固定在所述接收单元200上，因此所述发射单元100和所述导轨6随着所述接收单元200以第一角速度绕所述被测聚光镜10的中心轴线旋转。其中，所述第一角速度大于5mrad/s。
所述计算机15不仅控制所述接收单元200的旋转，还控制所述发射单元100在所述导轨6上的移动、所述角度调制器9内的光楔角度。其中，通过控制所述发射单元100在所述导轨6上的移动实现以扫描的形式对太阳能聚光器曲面聚光镜进行检测。
所述分光棱镜5镀有半透半反膜，激光经过所述分光棱镜5后，其中一半激光发生反射，形成分光棱镜反射激光束12；另一半激光发生透射，形成分光棱镜透射激光束11。所述分光棱镜反射激光束12即为第一无衍射光束，所述分光棱镜透射激光束11即为第二无衍射光束。
其中，根据轴锥镜能产生无衍射光的特性，扩束准直后的平行激光通过所述轴锥镜4后产生无衍射光(零阶贝塞尔形状的同心圆环)。
所述分光棱镜透射激光束11入射至所述被测聚光镜10，经所述被测聚光镜10反射后，得到被测聚光镜反射激光束13。
所述合束镜8镀有半透半反膜，所述分光棱镜反射激光束12在所述合束镜8发生反射，并与所述被测聚光镜反射激光束13形成干涉激光束14。
所述角度调制器9是是由一对角度可调的光楔组成的光学器件，由所述计算机15控制，以被测点没有法线误差为条件调整光楔角度,使得从角度调制器中的光线沿聚光镜的中心轴线方向出射。
所述CCD探测器7与所述合束镜8垂直放置，使得所述干涉光束14垂直入射至所述CCD探测器7，所述干涉光束14在所述CCD探测器7处产生无衍射光莫尔条纹，所述CCD探测器7实时采集所述干涉激光束14的干涉条纹信息，实现对检测结果的数字化输出，通过算法计算和图像处理，得到被测点处曲面平整度。
通过使所述分光棱镜透射激光束11垂直入射到所述被测聚光镜10上，实现平行太阳光照射到太阳能聚光器曲面聚光镜的模拟过程，使检测结果更加符合实际情况。
本发明通过扫描的形式对太阳能聚光器曲面聚光镜进行检测，能够有效提高对聚光镜检测的精度。
本发明无须通过手工调试检测太阳能聚光器曲面聚光镜，而是通过自动化设计，能够便捷高效快速地完成检测，适应面广。
图2-1、图2-2、图2-3给出了不同法线误差的仿真结果。图2-1、图2-2、图2-3中靠下边的无衍射光斑点(第一无衍射中心点)由图1中的所述分光棱镜反射激光束12形成，其位置固定不动；图2-1、图2-2、图2-3中靠上边的无衍射光斑点(即第二无衍射光点)为从聚光镜被测点返回的无衍射光束产生。图2-1为被测点没有法线误差时CCD中形成的无衍射光莫尔条纹图，图2-2和图2-3为不同法线误差时形成不同形状的莫尔条纹。当有法线误差时，第二无衍射光中心点位置会发生变化，且莫尔条纹数会发生改变，被测点法线误差越大，第二无衍射光中心位置偏移越大，且莫尔条纹数越多。因此，可以根据莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置，反推出被测点处法线误差的大小，从而判断被测聚光镜曲面平整度。
本发明通过建立无衍射光莫尔条纹与太阳能聚光面镜曲面之间的误差模型；利用无衍射光莫尔条纹具有的放大的特性，结合计算机控制算法和图像处理算法，通过莫尔条纹的变化对太阳能聚光器的面形进行高精度误差测量和定性分析。
本发明实施例提供的一种太阳能聚光器曲面自动检测系统至少包括如下技术效果：
在本发明实施例中，发射单元与导轨连接，导轨的一端固定在接收单元上，计算机控制接收单元绕被测聚光镜的中心轴线旋转，发射单元和导轨随着接收单元也以同样的速度绕聚光镜的中心轴线旋转。在旋转的同时，通过发射单元得到第一无衍射光束和第二无衍射光束；第一无衍射光束、经被测聚光镜反射的第二无衍射光束均入射至接收单元，并形成无衍射光莫尔条纹；根据所述无衍射光莫尔条纹，得到莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置；根据莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置，得到被测点处法线误差；根据被测点处法线误差，得到被测点处曲面平整度；然后通过计算机控制发射单元沿导轨移动，重复以上步骤，直至得到整个太阳能聚光器曲面平整度。综上，本发明无须通过手工调试检测太阳能聚光器曲面聚光镜，而是通过自动化设计，能够便捷高效快速地完成检测，适应面广。本发明通过扫描的形式对太阳能聚光器曲面聚光镜进行检测，能够有效提高对聚光镜检测的精度。本发明通过建立无衍射光莫尔条纹与太阳能聚光面镜曲面之间的误差模型；利用无衍射光莫尔条纹具有的放大的特性，结合计算机控制算法和图像处理算法，通过莫尔条纹的变化对太阳能聚光器的面形进行高精度误差测量和定性分析，能高效高精度地实现太阳能聚光器曲面自动检测。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种太阳能聚光器曲面自动检测系统，其特征在于，包括：
发射单元、接收单元、导轨和计算机；
所述发射单元与所述导轨连接；所述发射单元在所述计算机的控制下，沿所述导轨移动第一距离；
所述导轨的一端固定在所述接收单元上，所述接收单元位于被测聚光镜的中心轴线上；所述接收单元在所述计算机的控制下，以第一角速度绕所述被测聚光镜的中心轴线旋转；
其中，所述发射单元包括激光器、扩束镜、准直镜、轴锥镜、分光棱镜；
所述接收单元包括角度调制器、合束镜、CCD探测器；
所述分光棱镜与所述合束镜位于同一高度；所述计算机控制所述角度调制器内的光楔角度。
2.根据权利要求1所述的太阳能聚光器曲面自动检测系统，其特征在于，所述角度调制器由一对角度可调整的光楔组成。
3.根据权利要求1所述的太阳能聚光器曲面自动检测系统，其特征在于，所述第一角速度大于5mrad/s。
4.一种太阳能聚光器曲面自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过计算机控制接收单元，使发射单元、导轨随所述接收单元以第一角速度绕被测聚光镜的中心轴线旋转；
通过所述发射单元得到第一无衍射光束和第二无衍射光束；所述第一无衍射光束、经所述被测聚光镜反射的所述第二无衍射光束均入射至所述接收单元，并形成无衍射光莫尔条纹；
根据所述无衍射光莫尔条纹，得到莫尔条纹数和两束无衍射光的中心点位置；根据所述莫尔条纹数和所述两束无衍射光的中心点位置，得到被测点处法线误差；根据所述被测点处法线误差，得到被测点处曲面平整度；
通过所述计算机控制所述发射单元沿所述导轨移动第一距离，重复以上步骤，直至得到整个太阳能聚光器曲面平整度。
5.根据权利要求4所述的太阳能聚光器曲面自动检测方法，其特征在于，所述发射单元通过激光器发射激光束，并依次经过扩束镜、准直镜、轴锥镜、分光棱镜后，得到所述第一无衍射光束和所述第二无衍射光束；
所述第一无衍射光束入射至所述接收单元中的合束镜；所述第二无衍射光束入射至所述被测聚光镜，经所述被测聚光镜反射后入射至所述接收单元中的角度调制器，所述第二无衍射光束经所述角度调制器后入射至所述合束镜；
所述第一无衍射光束和所述第二无衍射光束经所述述合束镜后，在所述接收单元的CCD探测器处形成无衍射光莫尔条纹。
6.根据权利要求4所述的太阳能聚光器曲面自动检测方法，其特征在于，所述第二无衍射光束垂直入射到所述被测聚光镜上。
7.根据权利要求4所述的太阳能聚光器曲面自动检测方法，其特征在于，所述第一角速度大于5mrad/s。
8.根据权利要求5所述的太阳能聚光器曲面自动检测方法，其特征在于，所述角度调制器由一对角度可调整的光楔组成，所述计算机根据所述发射单元的位置调整所述角度调制器内的光楔角度。
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