CN110647172B - 一种定日镜焦距检测及优化系统 - Google Patents

一种定日镜焦距检测及优化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定日镜焦距检测及优化系统，采用无人机在待测定日镜的反射光线的光路上由远及近，采集镜面反射的光斑图像，将光斑图像发送给图像处理模块处理，经处理后得到的数据发送给数据处理模块计算待测定日镜在有效焦距范围内的最优焦距，定日镜控制模块根据该最优焦距调控姿态，将定日镜反射聚焦点(指向点)均匀分布在吸热器上，使定日镜发挥最优的聚光效果，从而使吸热器上的能量分布均匀，提高发电效率。

Description

一种定日镜焦距检测及优化系统
技术领域
本发明属于太阳能热发电的设计领域，尤其涉及一种定日镜焦距检测及优化系统。
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，所用定日镜镜面成凹面镜，可将太阳光反射并聚焦到吸热器上的一点，形成光斑，镜场的众多定日镜将光斑均匀反射到吸热器上才可以最大效率的进行发电。但由于定日镜装配后的实际焦距与设计值有所出入，吸热器上能量分布不均匀，导致发电不稳定，效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种定日镜焦距检测及优化系统，可检测和优化定日镜的焦距，使定日镜发挥最优的聚光效果，从而使吸热器上的能量分布均匀，提高发电效率。
本发明的技术方案为：
一种定日镜焦距检测及优化系统，包括：无人机、图像采集模块、GPS定位模块、图像处理模块、数据处理模块、无线通讯模块、定日镜控制模块；
所述图像采集模块，设于所述无人机上，用于采集待测定日镜反射的光斑图像；
所述GPS定位模块，设于所述无人机上，用于检测所述无人机的方位和姿态；
所述无人机获取所述GPS定位模块检测的所述无人机当前方位及姿态，通过所述无线通讯模块发送给所述数据处理模块；
所述数据处理模块，用于获取所述待测定日镜列表及待测定日镜姿态，计算所述待测定日镜当前时刻的反射光线的光路及有效焦距范围，并将所述反射光线的光路及有效焦距范围发送给所述无人机；
所述无人机还用于接收所述数据处理模块发送的待测定日镜的反射光线的光路及有效焦距范围，沿所述光路由远及近，控制所述图像采集模块采集所述待测定日镜反射的光斑图像，并将所述光斑图像发送给所述图像处理模块；
所述图像处理模块，接收并处理所述图像采集模块采集的光斑图像，并将处理数据发送给所述数据处理模块；
所述数据处理模块根据所述图像处理模块发送的数据计算所述待测定日镜的焦距检测结果，并将所述焦距检测结果发送给所述定日镜控制模块；
所述定日镜控制模块，接收所述数据处理模块发送的焦距检测结果，根据所述焦距检测结果调控所述待测定日镜的姿态。
根据本发明一实施例，所述待测定日镜的焦距检测结果为所述待测定日镜的最优焦距。
根据本发明一实施例，所述定日镜控制模块根据所述待测定日镜的焦距检测结果，将所述待测定日镜的反射聚焦点分布在外部吸热器的预设区域，使所述待测定日镜发挥最优聚光效果。
根据本发明一实施例，所述数据处理模块根据当前时刻太阳方位及所述待测定日镜当前姿态，计算所述待测定日镜反射光线的光路。
根据本发明一实施例，所述数据处理模块根据外部吸热器的坐标及所述待测定日镜的坐标计算所述待测定日镜的有效焦距范围。
根据本发明一实施例，所述定日镜控制模块还用于获取所述待测定日镜的姿态，并将所述待测定日镜的姿态发送给所述数据处理模块。
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)本发明一实施例中的定日镜焦距检测及优化系统，由于采用无人机在待测定日镜的反射光线的光路上由远及近，采集镜面反射的光斑图像，将光斑图像发送给图像处理模块处理，经处理后得到的数据发送给数据处理模块计算待测定日镜在有效焦距范围内的最优焦距，定日镜控制模块根据该最优焦距调控姿态，将定日镜反射聚焦点(指向点)均匀分布在吸热器上，使定日镜发挥最优的聚光效果，从而使吸热器上的能量分布均匀，提高发电效率。
2)本发明一实施例中的定日镜焦距检测及优化系统，利用太阳光实时检测定日镜的实际聚光焦距值，对比传统方法需要加设特殊光源并采用特定定日镜姿态，更便捷有效；本发明可通过多台无人机根据待测定日镜列表进行实时多目标检测，更高效；本发明还可判断待测定日镜实际焦距值是否满足设计需求，并换算聚光效率和能量损失，功能完善。
附图说明
图1为本发明一实施例中的定日镜焦距检测及优化系统的结构框图；
图2为本发明一实施例中的定日镜焦距检测及优化系统中的定日镜反射聚光原理示意图；
图3为本发明一实施例中的定日镜焦距检测及优化系统中的定日镜的有效焦距范围计算原理示意图；
图4为本发明一实施例中的定日镜焦距检测及优化系统根据焦距划分的吸热器指向点的分布范围示意图；
图5为发明一实施例中的定日镜焦距检测及优化系统中定日镜的实际焦距值检测原理示意图。
附图标记说明：
1：无人机；8：吸热器；9：吸热塔；10：定日镜；11：光斑图像。
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定日镜焦距检测及优化系统作进一步详细说明。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。
如图1和5所示，本发明提供的定日镜焦距检测及优化系统，包括：无人机1、图像采集模块、GPS定位模块、图像处理模块、数据处理模块、无线通讯模块、定日镜控制模块。该图像采集模块、GPS定位模块、无线通讯模块均设于无人机1上。
该图像采集模块用于采集待测定日镜10反射的光斑图像11；GPS定位模块用于检测无人机1的方位和姿态；图像处理模块用于处理图像采集模块采集的镜面光斑图像11；无线通讯模块用于实现无人机1与图像处理模块、数据处理模块、定日镜控制模块之间的数据交互；定日镜控制模块用于获取、调控待测定日镜10的姿态。
而无人机1获取GPS定位模块检测的无人机1当前方位及姿态，通过无线通讯模块发送给数据处理模块；数据处理模块，用于获取待测定日镜10的列表及待测定日镜10的姿态，计算待测定日镜10当前时刻的反射光线的光路及有效焦距范围，并将该反射光线的光路及有效焦距范围发送给无人机1；无人机1还用于接收数据处理模块发送的反射光线的光路及有效焦距范围，沿所述光路由远及近，控制图像采集模块采集待测定日镜10反射的光斑图像11，并将光斑图像11发送给图像处理模块；该图像处理模块，接收并处理图像采集模块采集的光斑图像11，并将处理数据发送给数据处理模块；该数据处理模块根据图像处理模块发送的数据计算所述待测定日镜10的焦距检测结果，并将该焦距检测结果发送给定日镜控制模块；该定日镜控制模块接收数据处理模块发送的焦距检测结果，根据该焦距检测结果调控待测定日镜10的姿态。
具体的，塔式太阳能热发电是采用大量的定日镜10将太阳光聚集到一个装在吸热塔9顶端的吸热器8上，通过加热里面的流体推动涡轮转动来发电，如图2所示。其中，所用定日镜10镜面成凹面镜，可将太阳光反射并聚焦到吸热器8上的一点，形成光斑，镜场的众多定日镜10将光斑均匀反射到吸热器8上才可以最大效率的进行发电。
本发明为了使定日镜10能将光斑均匀地反射到吸热器8上，提出了一种定日镜焦距检测及优化系统，通过计算待测定日镜10的有效焦距范围、实际焦距值和聚光效率，合理地控制各定日镜10的指向点，使各定日镜10将光斑均匀反射到吸热器8上，提高发电效率。
其中，计算待测定日镜10的有效焦距范围的原理如下：
如图3、4所示，已知待测定日镜10在镜场坐标系下的镜面中心坐标为Pj(xj,yj,zj)，吸热器8的中心坐标为Pt(xt,yt,zt)，吸热器8的高度为h，半径为r，则效焦距最小值dmin、最大值dmax的换算公式为：
Figure GDA0003805874050000051
其中D为待测定日镜10到吸热器8中心的地面投影距离，待测定日镜10的有效焦距范围为[dmin,dmax]，其意义为，该定日镜10的实际焦距在该范围内时，可达到该定日镜最优聚光效果。
检测待测定日镜10的实际焦距值的原理如下：
如图5所示，无人机1在定日镜10的反射光线光路上由远及近，采集镜面光斑图像11，将图像传输至图像处理模块测算各距离值上光斑大小和峰值亮度，光斑最小且峰值亮度最大时的距离值即该定日镜10的实际焦距值，若该值在有效焦距范围外，则计算该定日镜10在有效焦距范围内反射光斑面积最小值，对比设计参数，判断是否需要镜面面型调校，若需要则提交数据处理模块输出结果，若不需要则记录有效焦距范围内的最优焦距值及其相对实际焦距值的聚光效率V和能量损失率Q，
V＝a×((Sm×Li)/(Si×Lm))m×100％
Q＝1-V
其中Sm和Lm为实际焦距值对应的光斑面积和峰值亮度，Si和Li为最优焦距值对应的光斑面积和峰值亮度，m为聚光效率换算指数，a为聚光效率换算系数。
采用上述原理得到的各定日镜10的实际焦距值和对应的聚光效率值，可以将指向点更合理、高效的分布在吸热器8的各个区域，保证实际能量分布更均匀，发电高效且稳定。
下面简要介绍一下本发明定日镜焦距检测及优化系统的工作过程，具体如下：
启动系统各模块电源，完成各模块初始化；数据处理模块读取待检测的定日镜10的列表，通过定日镜控制模块获取当前镜场运营情况和各定日镜10的姿态，优选待检测定日镜10，准备进行定日镜焦距检测；进行定日镜焦距检测时，数据处理模块根据当前时刻太阳方位和待测定日镜10当前姿态计算该定日镜10的反射光线光路，同时根据吸热器8的坐标和待测定日镜10的坐标计算待测定日镜10的有效焦距范围，通过无线通讯模块将数据传输至无人机1；无人机1进行初始化，通过GPS定位模块定位无人机1当前的方位和姿态；然后，无人机1根据获取的待测定日镜10的反射光线光路和有效焦距范围，对待测定日镜10进行检测，具体方式为，从反射光线光路由远及近，采集镜面反射光斑图像11的数据，并传输至图像处理模块；图像处理模块处理接收到的待测定日镜10的镜面光斑图像11的数据，得到各采集距离下图像中光斑大小和峰值亮度，并传输至数据处理模块；数据处理模块根据图像处理模块获取的数据，判断待测定日镜10的最优焦距，并将该信息传输至定日镜控制模块用于镜场调度。
其中，镜场调度具体是指定日镜控制模块根据各定日镜10的焦距检测结果，将各定日镜10的反射聚焦点，即指向点，分布在合适的吸热器区域，以发挥该定日镜10的最优聚光效果，如图4所示，定日镜10的最优指向点根据其实际焦距值，对应在吸热器8上相应区域内。
综上所述，本发明定日镜焦距检测及优化系统采用无人机1在待测定日镜10的反射光线的光路上由远及近，采集镜面反射的光斑图像11，将光斑图像11发送给图像处理模块处理，经处理后得到的数据发送给数据处理模块计算待测定日镜10在有效焦距范围内的最优焦距，定日镜控制模块根据该最优焦距调控定日镜10的姿态，将定日镜反射聚焦点(指向点)均匀分布在吸热器8上，使定日镜10发挥最优的聚光效果，从而使吸热器8上的能量分布均匀，提高发电效率。
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)

1.一种定日镜焦距检测及优化系统，其特征在于，包括：无人机、图像采集模块、GPS定位模块、图像处理模块、数据处理模块、无线通讯模块、定日镜控制模块；
所述图像采集模块，设于所述无人机上，用于采集待测定日镜反射的光斑图像；
所述GPS定位模块，设于所述无人机上，用于检测所述无人机的方位和姿态；
所述无人机获取所述GPS定位模块检测的所述无人机当前方位及姿态，通过所述无线通讯模块发送给所述数据处理模块；
所述数据处理模块，用于获取所述待测定日镜列表及待测定日镜姿态，计算所述待测定日镜当前时刻的反射光线的光路及有效焦距范围，并将所述反射光线的光路及有效焦距范围发送给所述无人机；
所述无人机还用于接收所述数据处理模块发送的待测定日镜的反射光线的光路及有效焦距范围，沿所述光路由远及近，控制所述图像采集模块采集所述待测定日镜反射的光斑图像，并将所述光斑图像发送给所述图像处理模块；
所述图像处理模块，接收并处理所述图像采集模块采集的光斑图像，并将处理数据发送给所述数据处理模块；
所述数据处理模块根据所述图像处理模块发送的数据计算所述待测定日镜的焦距检测结果，并将所述焦距检测结果发送给所述定日镜控制模块；
所述定日镜控制模块，接收所述数据处理模块发送的焦距检测结果，根据所述焦距检测结果调控所述待测定日镜的姿态。
2.如权利要求1所述的定日镜焦距检测及优化系统，其特征在于，所述待测定日镜的焦距检测结果为所述待测定日镜的最优焦距，所述待测定日镜的焦距检测结果通过以下步骤确定：
当待测定日镜的实际焦距值处于有效焦距范围内时，所述实际焦距值为焦距检测结果；
当待测定日镜的实际焦距值处于有效焦距范围外时，将待测定日镜在有效焦距范围内反射光斑面积达到最小值时，无人机与定日镜镜面之间的距离值作为焦距检测结果。
3.如权利要求2所述的定日镜焦距检测及优化系统，其特征在于，所述定日镜控制模块根据所述待测定日镜的焦距检测结果，将所述待测定日镜的反射聚焦点分布在外部吸热器的预设区域，使所述待测定日镜发挥最优聚光效果。
4.如权利要求1所述的定日镜焦距检测及优化系统，其特征在于，所述数据处理模块根据当前时刻太阳方位及所述待测定日镜当前姿态，计算所述待测定日镜反射光线的光路。
5.如权利要求1所述的定日镜焦距检测及优化系统，其特征在于，所述数据处理模块根据外部吸热器的坐标及所述待测定日镜的坐标计算所述待测定日镜的有效焦距范围。
6.如权利要求1所述的定日镜焦距检测及优化系统，其特征在于，所述定日镜控制模块还用于获取所述待测定日镜的姿态，并将所述待测定日镜的姿态发送给所述数据处理模块。
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