CN110059703A - 一种吸热器能流密度自动调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸热器能流密度自动调节装置及方法，装置包括：红外图像采集模块、可见光图像采集模块、图像匹配模块、运算模块、镜场控制模块；红外图像采集模块用于采集吸热器红外温度数据，可见光图像采集模块用于采集吸热器高清彩色图像，图像匹配模块用于匹配红外图像和可见光图像，运算模块用于计算待调节区域及其温度差值和亮度差值，且换算待调节镜子数量，求解及更新换算系数，镜场控制模块用于控制镜场中的定日镜，增加或减少追日的镜子数量。本发明具有延长吸热器寿命、热发电效益最大化、吸热器能流密度实时自动调节的技术特点。

Description

一种吸热器能流密度自动调节装置及方法

技术领域

本发明属于太阳能热发电领域，尤其涉及一种吸热器能流密度自动调节装置及方法。

背景技术

在能源领域，太阳能作为一种清洁的可再生能源得到越来越多的应用，在太阳能发电领域，太阳能发电方式有光伏发电和热发电两种。随着科学技术的发展，特别是计算机控制技术的兴起，太阳能热发电技术是光伏发电技术之后的新兴太阳能利用技术。太阳能热发电是通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳直射光的能量聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，以蒸汽驱动汽轮机发电。

塔式太阳能热发电是采用大量的定日镜将太阳光聚集到一个装在塔顶的吸热器上,通过加热里面的流体推动涡轮转动来发电。其中，通过定日镜将太阳光斑聚集到吸热器进而加热里面的流体过程中，会存在聚光不均匀，能流密度不均衡的情况，使得吸热器部分区域温度未能达到理想发电状态的需求值。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种吸热器能流密度自动调节装置及方法，具有延长吸热器寿命、热发电效益最大化、吸热器能流密度实时自动调节的技术特点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种吸热器能流密度自动调节装置，包括：

红外图像采集模块，用于获取所述吸热器的红外图像；

可见光图像采集模块，用于获取所述吸热器的可见光图像；

图像匹配模块，用于将所述红外图像和所述可见光图像进行局部特征图像匹配，以实现所述红外图像中各点和所述可见光图像中各点一一对应；

运算模块，用于根据所述红外图像，计算得到所述吸热器不同区域的实际温度和理论温度的温度差值，并根据所述温度差值，确定所述吸热器能流密度的待调节区域；所述运算模块还用于根据所述可见光图像，计算得到所述待调节区域对应亮度和理论亮度的亮度差值；所述运算模块还用于根据所述亮度差值和所述温度差值，计算得到所述待调节区域对应的定日镜调整数量；

镜场控制模块，用于根据所述定日镜调整数量，控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量，以调整所述待调节区域的能流密度。

根据本发明一实施例，所述镜场控制模块还用于设定所述定日镜的旋转调整角度，并根据所述旋转调整角度控制所述定日镜的方向，以实现控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量。

一种吸热器能流密度自动调节方法，包括以下步骤：

S1：获取所述吸热器的红外图像和可见光图像；

S2：将所述红外图像和所述可见光图像进行局部特征图像匹配，以实现所述红外图像中各点和所述可见光图像中各点一一对应；

S3：根据所述红外图像，计算得到所述吸热器不同区域的实际温度和理论温度的第一温度差值，并将所述第一温度差值和所述吸热器的阈值比较，确定所述吸热器能流密度的待调节区域；

S4：根据所述可见光图像，计算得到所述待调节区域对应亮度和理论亮度的第一亮度差值，所述理论亮度为所述理论温度对应的所述吸热器亮度；

S5：根据所述第一亮度差值和所述第一温度差值，计算得到所述待调节区域对应的第一定日镜调整数量；

S6：根据所述第一定日镜调整数量，控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量，以调整所述待调节区域的能流密度。

根据本发明一实施例，所述步骤S5包括以下步骤：

S51：增加一面所述定日镜指向所述待调节区域，得到一面所述定日镜对应的亮度变化值Δv；

S52：根据所述第一亮度差值ΔV₁和所述亮度变化值Δv，计算得到第一换算系数m：

m＝ΔV₁/Δv

S53：根据所述第一换算系数m和所述第一温度差值ΔT₁，计算得到所述待调节区域对应的所述第一定日镜调整数量ΔN₁：

式中，α为温度差值换算系数常量，ΔN₁为正则为增加所述待调节区域对应的所述定日镜数量，ΔN₁为负则为减少所述待调节区域对应的所述定日镜数量。

根据本发明一实施例，所述步骤S6包括以下步骤：

S61：根据所述第一定日镜调整数量，确定所述待调节区域所需调整的所述定日镜，并计算得到各个所述定日镜的旋转调整角度；

S62：根据所述旋转调整角度控制各个所述定日镜的方向，以实现控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量。

根据本发明一实施例，所述步骤S6之后还包括步骤S7，所述步骤S7包括以下步骤：

S71：重新执行所述步骤S1至所述步骤S2，以获取所述吸热器的新红外图像和新可见光图像，且所述新红外图像中各点和所述新可见光图像中各点一一对应；

S72：根据所述新红外图像，计算得到所述吸热器不同区域的实际温度和理论温度的第二温度差值ΔT₂，并将所述第二温度差值ΔT₂和所述吸热器的阈值比较，重新确定所述吸热器的各个区域：

若无所述待调节区域，则所述吸热器的能流密度不需调整；

若存在所述待调节区域，则执行以下步骤：

S721：根据所述新可见光图像，计算得到所述待调节区域对应亮度和理论亮度的第二亮度差值ΔV₂，并根据所述第二亮度差值ΔV₂和所述第一换算系数m，更新得到第二换算系数m′：

m′＝m×ΔV₁/|ΔV₁-ΔV₂|

S722：根据所述第二换算系数m′和所述第二温度差值ΔT₂，计算得到所述待调节区域对应的第二定日镜调整数量ΔN₂：

S723：根据所述第二定日镜调整数量ΔN₂，控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量，以调整所述待调节区域的能流密度，并将所述第二换算系数m′赋值给所述第一换算系数m，且重复执行所述步骤S7，直至无所述待调节区域。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明通过获取吸热器的红外图像和可见光图像，通过红外图像获取各区域温度差值，通过可见光图像获取待调节区域的亮度差值，再根据温度差值和亮度差值，调整待调节区域对应的定日镜的追日数量，以实现调节吸热器的能流密度，温度过高的区域减少定日镜数量，温度过低的区域增加定日镜数量，即防止温度过高损害吸热器，也保证了吸热器满负荷发电不浪费光能，达到了延长吸热器寿命、热发电效益最大化的技术效果；

(2)本发明可实时通过图像监控吸热器的红外图像和可见光图像，无需人工干预，节省人力成本，实现对吸热器能流密度的实时监控和自动调节，达到了降低成本、吸热器能流密度调节自动化的技术效果。

附图说明

图1为本发明的一种吸热器能流密度自动调节装置的组成结构示意图；

图2为本发明的一种吸热器能流密度自动调节方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种吸热器能流密度自动调节装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

参看图1，本实施例提供一种吸热器能流密度自动调节装置，包括：

红外图像采集模块，用于获取吸热器的红外图像；

可见光图像采集模块，用于获取吸热器的可见光图像；

图像匹配模块，用于将红外图像和可见光图像进行局部特征图像匹配，以实现红外图像中各点和可见光图像中各点一一对应；

运算模块，用于根据红外图像，计算得到吸热器不同区域的实际温度和理论温度的温度差值，并根据温度差值，确定吸热器能流密度的待调节区域；运算模块还用于根据可见光图像，计算得到待调节区域对应亮度和理论亮度的亮度差值；运算模块还用于根据亮度差值和温度差值，计算得到待调节区域对应的定日镜调整数量；

镜场控制模块，用于根据定日镜调整数量，控制调整与待调节区域对应的定日镜的追日数量，以调整待调节区域的能流密度。

现对本实施例进行具体的说明：

具体地，红外图像采集模块由高清红外测温相机组成，可采集吸热器红外图像，获取图像中各点温度信息。

具体地，可见光图像采集模块由高清工业相机组成，可采集吸热器高清彩色图像。

具体地，图像匹配模块可提取红外图像和可见光图像中吸热器局部特征进行图像匹配，使得红外图像与可见光图像的上的点一一对应。

具体地，运算模块可以是计算机PC、云端处理器、服务器、单片机等具有运算功能的部件；

具体地，运算模块可通过红外图像计算不同区域的实际温度和理论温度的温度差值，并将温度差值和设定的温度差值的阈值比较，确定吸热器能流密度的待调节区域：温度差值小于阈值为不用调节区域，温度差值大于阈值为待调节区域。

具体地，运算模块可通过可见光图像计算待调节区域对应亮度和理论亮度的亮度差值吗，理论亮度为理论温度对应的吸热器亮度，并根据亮度差值获取换算系数，根据换算系数和温度差值，计算待调节区域对应的定日镜调整数量，通过调节后的可见光图像更新换算系数的值。

具体地，镜场控制模块可控制镜场中的定日镜，可增加或减少追日的定日镜数量，镜场中的定日镜可根据下发指向点将太阳光斑反射至特定区域。镜场控制模块还用于设定定日镜的旋转调整角度，并根据旋转调整角度控制定日镜的方向，以实现控制调整与待调节区域对应的定日镜的追日数量。

现从原理上对本实施例进行说明：

本实施例通过红外相机采集吸热器红外图像求得当前吸热器能流密度，通过计算与理想温度的差值进而求得待调节区域及温度差值，同时通过已经与红外图像匹配过的可见光图像求得待调节温度区域与理想温度区域的可见光图像亮度差值，通过数学公式描述其二者与追日镜子数量的关系，引入换算系数，根据公式计算得出待调节的定日镜数量，完成了根据可见光图像、红外图像实现能流密度快速高效的多区域自动调节。

本实施例具有以下技术效果：

(1)本实施例通过获取吸热器的红外图像和可见光图像，通过红外图像获取各区域温度差值，通过可见光图像获取待调节区域的亮度差值，再根据温度差值和亮度差值，调整待调节区域对应的定日镜的追日数量，以实现调节吸热器的能流密度，温度过高的区域减少定日镜数量，温度过低的区域增加定日镜数量，即防止温度过高损害吸热器，也保证了吸热器满负荷发电不浪费光能，达到了延长吸热器寿命、热发电效益最大化的技术效果；

(2)本实施例可实时通过图像监控吸热器的红外图像和可见光图像，无需人工干预，节省人力成本，实现对吸热器能流密度的实时监控和自动调节，达到了降低成本、吸热器多区域能流密度调节自动化的技术效果。

实施例2

参看图2，本实施例提供一种吸热器能流密度自动调节方法，包括以下步骤：

S1：获取吸热器的红外图像和可见光图像；

具体地，红外相机获取吸热器的红外图像，高清工业相机获取吸热器的可见光图像；

S2：将红外图像和可见光图像进行局部特征图像匹配，以实现红外图像中各点和可见光图像中各点一一对应；

具体地，处理器或计算单元将红外图像和可见光图像进行局部特征图像匹配，以实现红外图像中各点和可见光图像中各点一一对应；

S3：根据红外图像，计算得到吸热器不同区域的实际温度和理论温度的第一温度差值，并将第一温度差值和吸热器的阈值比较，确定吸热器能流密度的待调节区域；

具体地，处理器或计算单元根据红外图像，处理器计算得到吸热器不同区域的实际温度和理论温度的第一温度差值，并将第一温度差值和吸热器的阈值比较，确定吸热器能流密度的待调节区域；

S4：根据可见光图像，计算得到待调节区域对应亮度和理论亮度的第一亮度差值，理论亮度为理论温度对应的吸热器亮度；

具体地，处理器或计算单元根据可见光图像，计算得到待调节区域对应亮度和理论亮度的第一亮度差值，理论亮度为理论温度对应的吸热器亮度

S5：根据第一亮度差值和第一温度差值，计算得到待调节区域对应的第一定日镜调整数量；

具体地，处理器或计算单元根据第一亮度差值和第一温度差值，计算得到待调节区域对应的第一定日镜调整数量；

较优地，步骤S5包括以下步骤：

S51：增加一面定日镜指向待调节区域，得到一面定日镜对应的亮度变化值Δv；

S52：根据第一亮度差值ΔV₁和亮度变化值Δv，计算得到第一换算系数m：

m＝ΔV₁/Δv

S53：根据第一换算系数m和第一温度差值ΔT₁，计算得到待调节区域对应的第一定日镜调整数量ΔN₁：

式中，α为温度差值换算系数常量，ΔN₁为正则为增加待调节区域对应的定日镜数量，ΔN₁为负则为减少待调节区域对应的定日镜数量。

S6：根据第一定日镜调整数量，控制调整与待调节区域对应的定日镜的追日数量，以调整待调节区域的能流密度。

具体地，镜场控制模块根据第一定日镜调整数量，控制调整与待调节区域对应的定日镜的追日数量，以调整待调节区域的能流密度。

较优地，步骤S6包括以下步骤：

S61：根据第一定日镜调整数量，确定待调节区域所需调整的定日镜，并计算得到各个定日镜的旋转调整角度；

S62：根据旋转调整角度控制各个定日镜的方向，以实现控制调整与待调节区域对应的定日镜的追日数量。

较优地，步骤S6之后还包括步骤S7，步骤S7包括以下步骤：

S71：重新执行步骤S1至步骤S2，以获取吸热器的新红外图像和新可见光图像，且新红外图像中各点和新可见光图像中各点一一对应；

S72：根据新红外图像，计算得到吸热器不同区域的实际温度和理论温度的第二温度差值ΔT₂，并将第二温度差值ΔT₂和吸热器的阈值比较，重新确定吸热器的各个区域：

若无待调节区域，则吸热器的能流密度不需调整；

若存在待调节区域，则执行以下步骤：

S721：根据新可见光图像，计算得到待调节区域对应亮度和理论亮度的第二亮度差值ΔV₂，并根据第二亮度差值ΔV₂和第一换算系数m，更新得到第二换算系数m′：

m′＝m×ΔV₁/|ΔV₁-ΔV₂|

S722：根据第二换算系数m′和第二温度差值ΔT₂，计算得到待调节区域对应的第二定日镜调整数量ΔN₂：

S723：根据第二定日镜调整数量ΔN₂，控制调整与待调节区域对应的定日镜的追日数量，以调整待调节区域的能流密度，并将第二换算系数m′赋值给第一换算系数m，且重复执行步骤S7，直至无待调节区域，其中，第二换算系数m′赋值给第一换算系数m，以实现换算系数的更新，使换算系数逐渐逼近当前情况的最优值，且不需要每次计算一面定日镜对应的亮度变化值，提高了自动调节过程的效率。

参看图2，现具体地对本方法的使用进行说明：

首先采集吸热器的红外图像和可见光图像，并进行图像匹配，实现红外图像和可见光图像各点一一对应；

根据红外图像，计算吸热器各区域的温度和理论温度的温度差值；

将温度差值和阈值比较：若温度差值小于阈值则不需要进行能流密度调节，结束吸热器的当前能流密度调节；若温度差值大于等于阈值，则进行调节环节；

调节环节：根据可见光图像，可计算待调节区域的亮度差值；根据亮度差值，若吸热器是第一次调节，则根据一面定日镜对应的亮度变化值，计算得到换算系数，若吸热器不是第一次调节，则根据前一次的换算系数、前一次的亮度差值和当前的亮度差值，更新换算系数；根据温度差值、亮度差值、换算系数，计算定日镜调整数量，并执行待调节区域对应的定日镜的追日数量调整；

重新采集调节后的吸热器的红外图像和可见光，得到调节后的各区域的温度差值，并将调节后该温度差值与阈值比较，判断调节后的温度差值是否小于阈值，若是则结束当前吸热器的调整，若否则进行下一次调节环节，直至调节后的温度差值小于阈值。

本实施例的方法具有以下技术效果：

(1)本实施例通过获取吸热器的红外图像和可见光图像，通过红外图像获取各区域温度差值，通过可见光图像获取待调节区域的亮度差值，再根据温度差值和亮度差值，调整待调节区域对应的定日镜的追日数量，以实现调节吸热器的能流密度，温度过高的区域减少定日镜数量，温度过低的区域增加定日镜数量，即防止温度过高损害吸热器，也保证了吸热器满负荷发电不浪费光能，达到了延长吸热器寿命、热发电效益最大化的技术效果；

(2)本实施例可实时通过图像监控吸热器的红外图像和可见光图像，无需人工干预，节省人力成本，实现对吸热器能流密度的实时监控和自动调节，达到了降低成本、吸热器多区域能流密度调节自动化的技术效果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种吸热器能流密度自动调节装置，其特征在于，包括：

红外图像采集模块，用于获取所述吸热器的红外图像；

可见光图像采集模块，用于获取所述吸热器的可见光图像；

图像匹配模块，用于将所述红外图像和所述可见光图像进行局部特征图像匹配，以实现所述红外图像中各点和所述可见光图像中各点一一对应；

运算模块，用于根据所述红外图像，计算得到所述吸热器不同区域的实际温度和理论温度的温度差值，并根据所述温度差值，确定所述吸热器能流密度的待调节区域；所述运算模块还用于根据所述可见光图像，计算得到所述待调节区域对应亮度和理论亮度的亮度差值；所述运算模块还用于根据所述亮度差值和所述温度差值，计算得到所述待调节区域对应的定日镜调整数量；

镜场控制模块，用于根据所述定日镜调整数量，控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量，以调整所述待调节区域的能流密度。

2.根据权利要求1所述的一种吸热器能流密度自动调节装置，其特征在于，所述镜场控制模块还用于设定所述定日镜的旋转调整角度，并根据所述旋转调整角度控制所述定日镜的方向，以实现控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量。

3.一种吸热器能流密度自动调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取所述吸热器的红外图像和可见光图像；

S2：将所述红外图像和所述可见光图像进行局部特征图像匹配，以实现所述红外图像中各点和所述可见光图像中各点一一对应；

S3：根据所述红外图像，计算得到所述吸热器不同区域的实际温度和理论温度的第一温度差值，并将所述第一温度差值和所述吸热器的阈值比较，确定所述吸热器能流密度的待调节区域；

S4：根据所述可见光图像，计算得到所述待调节区域对应亮度和理论亮度的第一亮度差值，所述理论亮度为所述理论温度对应的所述吸热器亮度；

S5：根据所述第一亮度差值和所述第一温度差值，计算得到所述待调节区域对应的第一定日镜调整数量；

S6：根据所述第一定日镜调整数量，控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量，以调整所述待调节区域的能流密度。

4.根据权利要求3所述的吸热器能流密度自动调节方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：

S51：增加一面所述定日镜指向所述待调节区域，得到一面所述定日镜对应的亮度变化值Δv；

S52：根据所述第一亮度差值ΔV₁和所述亮度变化值Δv，计算得到第一换算系数m：

m＝ΔV₁/Δv

S53：根据所述第一换算系数m和所述第一温度差值ΔT₁，计算得到所述待调节区域对应的所述第一定日镜调整数量ΔN₁：

式中，α为温度差值换算系数常量，ΔN₁为正则为增加所述待调节区域对应的所述定日镜数量，ΔN₁为负则为减少所述待调节区域对应的所述定日镜数量。

5.根据权利要求4所述的吸热器能流密度自动调节方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤：

S61：根据所述第一定日镜调整数量，确定所述待调节区域所需调整的所述定日镜，并计算得到各个所述定日镜的旋转调整角度；

S62：根据所述旋转调整角度控制各个所述定日镜的方向，以实现控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量。

6.根据权利要求4或5所述的吸热器能流密度自动调节方法，其特征在于，所述步骤S6之后还包括步骤S7，所述步骤S7包括以下步骤：

S71：重新执行所述步骤S1至所述步骤S2，以获取所述吸热器的新红外图像和新可见光图像，且所述新红外图像中各点和所述新可见光图像中各点一一对应；

S72：根据所述新红外图像，计算得到所述吸热器不同区域的实际温度和理论温度的第二温度差值ΔT₂，并将所述第二温度差值ΔT₂和所述吸热器的阈值比较，重新确定所述吸热器的各个区域：

若无所述待调节区域，则所述吸热器的能流密度不需调整；

若存在所述待调节区域，则执行以下步骤：

S721：根据所述新可见光图像，计算得到所述待调节区域对应亮度和理论亮度的第二亮度差值ΔV₂，并根据所述第二亮度差值ΔV₂和所述第一换算系数m，更新得到第二换算系数m′：

m′＝m×ΔV₁/|ΔV₁-ΔV₂|

S722：根据所述第二换算系数m′和所述第二温度差值ΔT₂，计算得到所述待调节区域对应的第二定日镜调整数量ΔN₂：

S723：根据所述第二定日镜调整数量ΔN₂，控制调整与所述待调节区域对应的所述定日镜的追日数量，以调整所述待调节区域的能流密度，并将所述第二换算系数m′赋值给所述第一换算系数m，且重复执行所述步骤S7，直至无所述待调节区域。