CN110118642A - 基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法及系统 - Google Patents

基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法及系统，包括步骤：图像采集装置采集包括所述定日镜对应的所述标靶区域的背景图像为第一图像，采集包括经所述定日镜反射至所述标靶区域形成的光斑的图像为第二图像；将所述第二图像和第一图像相减，获得所述光斑的图像为第三图像；建立一个虚拟标靶平面，并将所述第三图像投影至所述虚拟标靶平面；对所述投影进行二值化处理，确定所述投影的光斑轮廓，并计算所述光斑轮廓的几何中心；根据所述光斑轮廓的几何中心和所述标靶区域的中心，计算所述定日镜的精度。本发明基于现有设备，通过引入虚拟标靶平面进行定日镜精度检测，节省成本并缩短检测工期。

Description

基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法及系统
技术领域
本申请涉及太阳能热发电领域，特别涉及基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法及系统。
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向反射镜(定日镜)将太阳光聚集到一个装在圆柱形吸热塔塔顶的中央热交换器(吸热器)上,通过加热里面的流体推动涡轮转动来发电。其中，定日镜的镜面的聚光精度直接关系到光热转换的效率，通常使用平面标靶光斑精度检测系统进行定日镜精度检测。但在圆柱形吸热塔上配置平面标靶光斑精度检测系统需要额外安装独立的标靶装置，增加建设成本。
发明内容
本发明的目的在于如何利用现有设备进行定日镜精度检测。
为了解决上述问题，本发明提供了基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，将圆柱形吸热塔标靶划分为若干标靶区域，每个定日镜对应至一个所述标靶区域，则检测一个所述定日镜精度的方法包括如下步骤：图像采集装置采集包括所述定日镜对应的所述标靶区域的背景图像，记录为第一图像；图像采集装置采集包括经所述定日镜反射至所述标靶区域形成的光斑的图像，记录为第二图像；将所述第二图像和第一图像相减，获得所述光斑的图像，记录为第三图像；建立一个虚拟标靶平面，并将所述第三图像投影至所述虚拟标靶平面；对所述投影进行二值化处理，确定所述投影的光斑轮廓，并计算所述光斑轮廓的几何中心；根据所述光斑轮廓的几何中心和所述标靶区域的中心，计算所述定日镜的精度。
优选地，所述计算所述定日镜的精度具体为：将所述光斑轮廓的几何中心与所述定日镜反射面的几何中心的连线记为第一直线，所述标靶区域的中心与所述定日镜反射面的几何中心的连线记为第二直线，所述定日镜的精度为所述第一直线和第二直线的最小夹角。
优选地，所述将所述第二图像和第一图像相减，获得所述光斑的图像，具体为将所述第二图像每个像素点的图像灰度和第一图像相应像素点的图像灰度相减，获得所述光斑的每个像素点的图像灰度。
优选地，所述对所述投影进行二值化处理具体为：设置一个图像灰度阈值，针对所述投影中的每个像素点，将图像灰度小于所述图像灰度阈值的像素点的图像灰度置为0，将图像灰度大于等于所述图像灰度阈值的像素点的图像灰度置为255。
优选地，所述虚拟标靶平面过所述标靶区域的中心，朝向所述图像采集装置，且与所述圆柱形吸热塔标靶的旋转轴平行。
优选地，所述圆柱形吸热塔标靶为圆柱形吸热塔塔身上一定高度的曲面侧面。
优选地，所述一定高度为所述圆柱形吸热塔标靶的底面直径的1-2倍。
优选地，在所述圆柱形吸热塔标靶上每隔一定角度标记一组标记组，连续的若干组标记组及其所包围的区域形成一个所述标靶区域。
优选地，所述一定角度为45度。
优选地，所述标靶区域为连续的3组标记组及其所包围的区域，其中，一组所述标记组包括上标记位、中间标记位和下标记位。
优选地，所述标靶区域的中心为所述标靶区域内中间一组标记组的中间标记位的中心。
优选地，所述标靶区域使用漫反射漆涂刷形成。
本发明还提供了基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测系统，包括圆柱形吸热塔标靶、定日镜镜场、若干图像采集装置和计算机，其中，所述圆柱形吸热塔标靶为圆柱形吸热塔塔身上一定高度的曲面侧面，所述圆柱形吸热塔标靶划分为若干标靶区域；所述定日镜镜场的每个定日镜均与所述计算机通信连接，所述计算机控制所述定日镜反射光斑至一所述标靶区域；每个所述图像采集装置均与所述计算机通信连接，所述图像采集装置采集所述标靶区域的背景图像及在所述标靶区域的所述光斑的图像，并发送给所述计算机；所述计算机根据获取的所述背景图像和光斑，计算所述定日镜的精度。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，通过构建虚拟平面标靶将光斑图像进行还原，依此计算出光斑中心，进而计算出定日镜的光斑投射精度；
2、本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测系统，通过背景差分解决圆柱形标靶因光照不均匀引起的明暗变化；
3、本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测系统，不需要搭建独立的平面标靶，节省成本并缩短检测工期。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。附图中：
图1为本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法流程图；
图2为本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测系统结构示意图；
图3本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法中标记组设置方位俯视图；
图4为本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法中标记组的设置示意图；
图5为本发明实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法中第三图像在虚拟平面标靶投影还原示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法及系统进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
实施例1
基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，将圆柱形吸热塔标靶划分若干标靶区域，具体地，对于标靶区域的划分，请参考图2-图4，首先，以圆柱形吸热塔1塔身上端一定高度的360度曲面侧面作为圆柱形吸热塔标靶2，该一定高度为所述圆柱形吸热塔标靶2的底面直径的1-2倍；然后，沿圆柱形吸热塔标靶2周向每隔45度标记一组标记组，取连续的3组标记组及其所包围的区域形成一个所述标靶区域，将圆柱形吸热塔标靶划分为4个标靶区域，本实施例中，取0度、45度和90度方向上对应的3组标记组所围成的区域记为第一标靶区域9，取90度、135度和180度方向上对应的3组标记组所围成的区域记为第二标靶区域10，取180度、225度和270度方向上对应的3组标记组所围成的区域记为第三标靶区域11，取270度、315度和0度方向上对应的3组标记组所围成的区域记为第四标靶区域12；最后，使用漫反射漆涂刷圆柱形吸热塔标靶和标记组。当然，标靶区域的划分实施过程并没有步骤的限制，只要最终达到标靶区域划分的效果均可。其中，每组所述标记组包括上标记位、中间标记位和下标记位，上标记位位于圆柱形吸热塔标靶的上沿，为T字型，下标记位位于圆柱形吸热塔标靶的下沿，为倒T字型，中间标记位为十字型，且中间标记位的线宽小于上标记位和下标记位的线宽，标靶区域的中心为标靶区域内连续的3组标记组的中间一组标记组的中间标记位的十字中心。
可以理解地，根据实际应用的需要，在划分标靶区域时，间隔其他角度绕圆柱形吸热塔塔身标记标记组，取连续的其他组数的标记组形成标靶区域，以将圆柱形吸热塔标靶划分为其他个数的标靶区域，都属于本实施例的发明构思，都在本实施例的保护范围内。需要注意的是，需要保证每个标靶区域中至少包括4个标记位，且测量每个标记位的世界坐标，以便对图像采集装置和图像进行标定。
同时，将4个图像采集装置安装于定日镜镜场的指定区域，使每个图像采集装置正对一个标靶区域的中心，通过支架安装于一定高度，并具有一定仰角，从而实现对整个圆柱形吸热塔标靶的全覆盖拍摄，同时，测量每个图像采集装置的世界坐标；
进一步地，定日镜镜场的每个定日镜对应至一个所述标靶区域。一个定日镜对应的标靶区域的选取，可以根据定日镜在哪个标靶区域向镜场方向延升覆盖的范围内进行确定，定日镜在哪个标靶区域向镜场方向延升覆盖的范围内，则该标靶区域为定日镜对应的标靶区域。
请参考图1，检测一个定日镜精度的方法包括如下步骤：
S100：图像采集装置采集包括所述定日镜对应的所述标靶区域的背景图像，记录为第一图像；
本实施例中，图像采集器采用网络相机，每个网络相机基于其所正对的标靶区域中的标记位已完成标定，建立了相应的网络相机图像坐标系与世界坐标系之间的转换关系，采集的背景图像时，网络相机视野内包括其所正对的标靶区域。
S101：图像采集装置采集包括经所述定日镜反射至所述标靶区域形成的光斑的图像，记录为第二图像；
本实施例中，定日镜进行反射前已经经过校正，可将太阳光反射至对应的标靶区域，并在对应的标靶区域形成一个光斑，如果定日镜不能将太阳光反射至对应的标靶区域，则该面定日镜存在故障或精度不合格，需进行维修或重新校正。最终获取的第二图像包括标靶区域的背景图像及经定日镜反射太阳光在标靶区域形成的光斑，网络相机采集包括该光斑的图像。
S102：将所述第二图像和第一图像相减，获得所述光斑的图像，记录为第三图像；
具体地，由于标靶区域为圆柱形曲面侧面，存在由于太阳光照不均匀引起的明暗变化，通过背景差分可有效降低明暗变化对光斑分析的影响。
本实施例中，将所述第二图像每个像素点的图像灰度和第一图像相应像素点的图像灰度相减，由于第二图像和第一图像中的背景图像完全相同，相同背景区域部分像素点的像素灰度相同，因此，相减后均为0；而光斑区域的像素灰度存在差异，假设光斑区域内的一像素点的像素坐标为P(u,v)，第一图像中像素点P(u,v)的图像灰度为B(u,v)，第二图像中像素点P(u,v)的图像灰度为F(u,v)，第三图像中像素点P(u,v)的图像灰度为G(u,v)，则G(u,v)＝F(u,v)-B(u,v)。基于该方法，计算获得第三图像中光斑区域内的所有像素点的图像灰度。
S103：建立一个虚拟标靶平面，并将所述第三图像投影至所述虚拟标靶平面；
本实施例中，虚拟标靶平面过所述标靶区域的中心，朝向所述图像采集装置，且与所述圆柱形吸热塔标靶的旋转轴平行。请参考图5，为第三图像在虚拟平面标靶投影还原示意图。
S104：对所述投影进行二值化处理，确定所述投影的光斑轮廓，并计算所述光斑轮廓的几何中心；
基于步骤S102中计算获得的第三图像中光斑区域内的所有像素点的图像灰度，获得投影中相应所有像素点的图像灰度，然后设置一个图像灰度阈值，针对所述投影中的每个像素点，将图像灰度小于所述图像灰度阈值的像素点的图像灰度置为0，将图像灰度大于等于所述图像灰度阈值的像素点的图像灰度置为255，最终，图像灰度为255的像素点构成图形即为光斑的图形，根据该光斑图形进而确定光斑轮廓及计算光斑轮廓的几何中心。
S105：根据所述光斑轮廓的几何中心和所述标靶区域的中心，计算所述定日镜的精度。
本实施例中，计算所述定日镜的精度具体为：将光斑轮廓的几何中心与定日镜反射面的几何中心的连线记为第一直线，标靶区域的中心与定日镜反射面的几何中心的连线记为第二直线，定日镜的精度为第一直线和第二直线的最小夹角。
实施例2
基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测系统，请参考图2，包括圆柱形吸热塔标靶2、定日镜镜场、若干图像采集装置4和计算机5，其中，
所述圆柱形吸热塔标靶2为圆柱形吸热塔1塔身上端一定高度的曲面侧面，所述圆柱形吸热塔标靶2划分为若干标靶区域；所述定日镜镜场的每个定日镜3均与所述计算机5通信连接，所述计算机5控制所述定日镜反射光斑至一所述标靶区域；每个所述图像采集装置4均与所述计算机5通信连接，所述图像采集装置4采集所述标靶区域的背景图像及在所述标靶区域的所述光斑的图像，并发送给所述计算机5；所述计算机5根据获取的所述背景图像和光斑，计算所述定日镜的精度。
本实施例基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测系统按照实施例1的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法计算定日镜的精度。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (13)

1.基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，将圆柱形吸热塔标靶划分为若干标靶区域，每个定日镜对应至一个所述标靶区域，则检测一个所述定日镜精度的方法包括如下步骤：
图像采集装置采集包括所述定日镜对应的所述标靶区域的背景图像，记录为第一图像；
图像采集装置采集包括经所述定日镜反射至所述标靶区域形成的光斑的图像，记录为第二图像；
将所述第二图像和第一图像相减，获得所述光斑的图像，记录为第三图像；
建立一个虚拟标靶平面，并将所述第三图像投影至所述虚拟标靶平面；
对所述投影进行二值化处理，确定所述投影的光斑轮廓，并计算所述光斑轮廓的几何中心；
根据所述光斑轮廓的几何中心和所述标靶区域的中心，计算所述定日镜的精度。
2.根据权利要求1所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述计算所述定日镜的精度具体为：将所述光斑轮廓的几何中心与所述定日镜反射面的几何中心的连线记为第一直线，所述标靶区域的中心与所述定日镜反射面的几何中心的连线记为第二直线，所述定日镜的精度为所述第一直线和第二直线的最小夹角。
3.根据权利要求1所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述将所述第二图像和第一图像相减，获得所述光斑的图像，具体为将所述第二图像每个像素点的图像灰度和第一图像相应像素点的图像灰度相减，获得所述光斑的每个像素点的图像灰度。
4.根据权利要求3所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述对所述投影进行二值化处理具体为：设置一个图像灰度阈值，针对所述投影中的每个像素点，将图像灰度小于所述图像灰度阈值的像素点的图像灰度置为0，将图像灰度大于等于所述图像灰度阈值的像素点的图像灰度置为255。
5.根据权利要求1所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述虚拟标靶平面过所述标靶区域的中心，朝向所述图像采集装置，且与所述圆柱形吸热塔标靶的旋转轴平行。
6.根据权利要求1所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述圆柱形吸热塔标靶为圆柱形吸热塔塔身上一定高度的曲面侧面。
7.根据权利要求6所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述一定高度为所述圆柱形吸热塔标靶的底面直径的1-2倍。
8.根据权利要求6所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，在所述圆柱形吸热塔标靶上每隔一定角度标记一组标记组，连续的若干组标记组及其所包围的区域形成一个所述标靶区域。
9.根据权利要求8所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述一定角度为45度。
10.根据权利要求8所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述标靶区域为连续的3组标记组及其所包围的区域，其中，一组所述标记组包括上标记位、中间标记位和下标记位。
11.根据权利要求10所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述标靶区域的中心为所述标靶区域内中间一组标记组的中间标记位的中心。
12.根据权利要求1所述的基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测方法，其特征在于，所述标靶区域使用漫反射漆涂刷形成。
13.基于圆柱形吸热塔标靶的定日镜精度检测系统，其特征在于，包括圆柱形吸热塔标靶、定日镜镜场、若干图像采集装置和计算机，其中，
所述圆柱形吸热塔标靶为圆柱形吸热塔塔身上一定高度的曲面侧面，所述圆柱形吸热塔标靶划分为若干标靶区域；
所述定日镜镜场的每个定日镜均与所述计算机通信连接，所述计算机控制所述定日镜反射光斑至一所述标靶区域；
每个所述图像采集装置均与所述计算机通信连接，所述图像采集装置采集所述标靶区域的背景图像及在所述标靶区域的所述光斑的图像，并发送给所述计算机；
所述计算机根据获取的所述背景图像和光斑，计算所述定日镜的精度。
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