CN112923589B - 外置式太阳能吸热器表面热流密度分布的实时测量方法 - Google Patents

Abstract

一种外置式吸热器表面热流密度分布的实时测量方法，利用CCD相机采集太阳图像，结合采集时刻太阳法向直射辐照度的实测值，建立太阳图像灰度值与热流密度的转换关系；在以吸热器中心点在地面投影为中心的圆周上，等角度均匀布置多台相同配置的CCD相机；多台CCD相机以相同的工作参数采集吸热器表面图像，利用机器视觉技术三维重建吸热器表面；电站正常工作时，所有CCD相机以相同的曝光时间同时采集吸热器表面图像，建立二维图像中像素位置与吸热器表面位置的对应关系，借助图像灰度值与热流密度的转换关系，实时获得吸热器表面热流密度分布。

Description

外置式太阳能吸热器表面热流密度分布的实时测量方法

技术领域

本发明涉及一种聚光型太阳能热发电站中外置式吸热器表面热流密度实时测量方法。

背景技术

美国能源部的研究报告指出，在大型太阳能热发电系统中，塔式太阳能热发电技术是预期发电成本最低的。在塔式太阳能热发电系统中，外置式吸热器一般放置在太阳塔的顶部，在太阳塔的四周布置定日镜场，数以千计、万计面定日镜同时向太阳能塔顶上的吸热器表面反射太阳光，在吸热器表面形成高强度非均匀的热流密度分布，且受太阳位置、太阳辐照度及环境因素等影响，吸热器表面的热流密度分布也在不断变化。吸热器表面热流密度的实时测量对于评价定日镜场的聚光性能、分析吸热器的吸热效率、保证吸热器安全运行等至关重要，是塔式太阳能热发电系统中的关键技术之一。

根据测试原理，测量吸热器表面热流密度分布的方法主要有三类：直接测量法、间接测量法和模拟计算法。直接测量法是使用热流计直接测量，对于大面积吸热器表面通常采用平移或旋转机构带动线阵热流计快速掠过吸热器开口平面，并以一定的采集频率获取热流计经过位置的实测值，再通过插值方法得到其他位置的热流密度。直接测量法的测试精度仅与热流计测量精度相关，测试结果受环境因素影响小，对于大面积的吸热器表面，由于热流计成本较高，难以布置足够数量的热流计，导致热流密度分布的测量结果空间分辨率较低。

间接测量法是利用光学拍照的方法获取吸热器表面或者专门的朗伯靶表面的图像，根据热流密度与图像灰度值间的正比关系加以反演。根据朗伯靶的漫反射特性，吸热器开口平面上的热流密度应该与CCD相机采集的图像灰度值成正比，这个比例系数可以在接收面表面上安装一个或几个热流计来标定。测量时接收靶扫描吸热器开口平面，CCD相机拍摄接收靶的图像，借助图像灰度值与热流密度的比例系数，把接收靶图像的灰度分布转换为接收面上的热流密度分布。测量过程中，需要在CCD前使用中性滤光片，保证CCD工作在动态范围内(图像不发生饱和)。无需接受靶的间接测量法是直接将吸热器的表面作为接收面，无需额外的接收靶，这种方法适用于开放式的塔式吸热器，且接收面有漫反射特性。摄影热流密度测量法用同一部相机正对太阳拍摄太阳的图像，根据太阳图像的灰度值及太阳法向直射辐照度(简称DNI)标定出相机像素灰度值与热流密度的转换因子。

模拟计算法是建立聚光系统的数值计算方法，根据直接法获得的典型点热流密度修正计算方法中的关键参数，从而计算出整个吸热器表面的热流密度分布。模拟计算法需要根据环境因素多次修正，计算结果的准确度难以评价。

戴景民等在《基于CCD的聚焦光斑能流密度分布测量系统的研制》论文中介绍了用于碟式聚光系统的聚焦光斑热流密度分布测量系统，该系统选用了典型的间接测量方法，得到了聚焦光斑的热流密度分布。但并不适用于大尺寸接收面热流密度分布的测量。专利CN102445287B提出了一种表面热流密度测量系统和方法，测量系统包括运动辅助机构，光斑成像装置与运动辅助机构活动连接并通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。此种测量方法也是间接测量方法。在大型塔式太阳能热发电站中需要考虑测量机构安装的安全性及成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于机器视觉技术的塔式太阳能热发电站外置式吸热器表面热流密度分布实时测量方法，本发明属于间接测量法范畴。本发明不需要在吸热塔上安装朗伯靶和热流计，不影响电站吸热器的正常运行，可以实现吸热器表面热流密度分布的实时测量。

在CCD相机成像系统中，图像亮度与入射光亮度、曝光时间和光圈数呈函数关系。在CCD相机动态范围之内，图像亮度与曝光时间成线性关系。因此，可以通过调节曝光时间的方式保证CCD相机图像不发生饱和。电子曝光时间调节范围之广完全可以满足大型塔式太阳能热发电站高聚光比下的光斑图像不发生饱和的需求。

本发明采用以下技术方案：

本发明利用CCD相机采集太阳图像，结合采集时刻太阳法向直射辐照度的实测值，建立图像灰度值与热流密度的转换关系。在以吸热器中心点在地面投影为中心的圆周上，等角度均匀布置多台配置相同的CCD相机。多台CCD相机以相同的工作参数采集吸热器表面图像，利用机器视觉技术三维重建吸热器表面，建立二维图像中像素位置与吸热器表面位置的对应关系，借助图像灰度值与热流密度的函数关系，实时获得吸热器表面热流密度分布。

具体如下：

1、调整一台CCD相机正对太阳，根据太阳图像的灰度值情况设置合理的CCD相机的曝光时间，使CCD相机采集的太阳图像接近饱和，保存CCD相机采集的太阳图像和图像采集时刻对应的太阳法向直射辐照度DNI值。与现有技术利用热流计标定CCD图像像素值与热流值的转换关系的方法不同，本发明利用太阳图像标定CCD相机图像像素值与热流密度的转换关系，用调节CCD曝光时间的方式取代中性滤光片，减少因中性滤光片带来的测量误差。

2、分析CCD相机正对太阳时采集的太阳图像，建立太阳图像的灰度值分布，太阳图像灰度值分布的计算方法如式(1)所示。

其中，g(i,j)为CCD相机采集的太阳图像(i,j)处的灰度值，L为太阳图像中分割太阳与背景的阈值，I(i,j)为分割太阳与背景后图像(i,j)处的灰度值，(i,j)为位置坐标，T_sun为采集太阳图像时相机的曝光时间，P_{CCD_SUN}为太阳图像中太阳有效区域内像素灰度值之和。

3、CCD相机的数量根据CCD的规格参数、定日镜场布置及吸热器位置尺寸确定，保证相邻CCD采集的吸热器图像有60％的内容重合。所有CCD相机正对吸热器，并均匀分布在以吸热器中心在地面投影为圆心的圆周上。定日镜场未在吸热器上形成光斑时，所有CCD相机同步以长曝光时间采集吸热器图像。采用尺度不变特征变换算法进行图像特征提取，通过尺度参数的多尺度连续变化得到尺度空间序列，如式(3)和式(4)所示。其中，L(x,y,σ)表示图像的尺度空间，G(x,y,σ)为高斯核函数，x,y为图像中任意一点的位置坐标，I(x,y)为该点的像素值，σ为不同尺度空间的比例因子。

L(x,y,σ)＝G(x,y,σ)*I(x,y) (3)

在不同尺度的图像序列基础上，通过尺度空间中的DOG(Different of Gaussian)算子对图像进行检测，获得图像特征点集，然后利用最近邻与次近邻比值法实现特征点匹配。

DOG算子如式(5)所示，k为两个相邻尺度之间的尺度比例值。最近邻与次近邻比值法计算相似性的表达式如式(6)所示，d_x1为给定特征点的最近邻点的欧式距离，d_x2为给定特征点的次近邻点的欧氏距离。当Ratio(x)<<1时，为正确匹配点。

D(x,y,σ)＝(G(x,y,kσ)-G(x,y,σ))*I(x,y) (5)

式中，D(x,y,σ)，D为DOG算子，x,y为图像中任意一点的位置坐标，σ为不同尺度空间的比例因子，Ratio(x)为距离比率。

4、从运动中恢复结构算法进行吸热器表面三维重建。

在一个多目视觉系统中，C和C'为两台CCD相机的光心位置，

和

为空间点X在两台CCD相机的成像点，在完成图像序列的特征点提取及匹配的基础上，建立本证矩阵E，其中X'为CCD相机坐标系中的空间点，R为旋转矩阵，T＝[t_x t_y t_z]为平移向量。

X＝RX'+T (7)

E＝[T]_XR (9)

建立基础矩阵F，其中K为相机内部参数矩阵，f为相机焦距，(c_x,c_y)为相机光轴中心的坐标。

F＝K^-1TEK'^-1 (11)

利用三角化法，在投影矩阵的基础上，通过二张二维图像中的匹配点

和

来计算经过匹配点的投影射线相交的空间点的位置坐标X，如式(12)所示。获得两幅图像匹配点重构出的三维点云，然后利用顺序方法对连续的多幅图像进行三维重构，并将每幅图像重构的三维点融合到之前获得的点云中，得到吸热器表面的三维点云。

5、塔式太阳能热发电站正常工作时，CCD相机的位置不变，调整所有CCD相机的曝光时间一致，使吸热器图像接近饱和。所有CCD相机同时采集吸热器图像，利用式(7)分析吸热器表面像元热流密度，获得吸热器表面的热流密度分布。

其中，E_R,(i,j)为吸热器表面上的像元从定日镜场接受到的辐照度，P_CCD,(i,j)为像元(i,j)处的灰度值，E_DNI为拍摄太阳图像时太阳法向直射辐照度，n_{sun_pixels}为太阳图像所对应的像素个数，P_{CCD_SUN}为太阳图像中太阳有效区域内像素灰度值之和，T_receiver为拍摄吸热器图像时相机的曝光时间，T_sun为拍摄太阳图像时相机的曝光时间，ρ_R,(i,j)为像元(i,j)处对应吸热器表面位置的反射率，δ_sun为太阳的发散角。

本发明有如下的优点：

1、本发明利用CCD相机采集太阳图像和图像采集时刻对应的DNI值标定出相机像素灰度值与热流密度的转换因子，避免使用热流计标定带来的设备安装难度；

2、利用CCD相机采集图像过程中，通过调节CCD相机的曝光量，使相机采集的图像接近饱和，层次分明。本发明利用CCD相机驱动调节曝光时间的方式调节曝光量，相对于利用中性密度滤光片，这种方法调节简单快速；

3、本发明利用机器视觉技术通过二维数字图像重建吸热器三维结构，无需安装光斑接收靶；

4、本发明热流密度测量方法主要针对大开口尺寸的柱式吸热器，可以实现实时测量，且方法简单、方便，测量条件容易满足。

附图说明

图1对极关系示意图；

图2本发明测量系统示意图；

图3本发明测量系统的俯视图；

图中：1外置式吸热器；2CCD相机；3相机云台；4CCD相机通讯线；5上位计算机；6数据采集器；7DNI测量仪器；8太阳塔；9以吸热器中心在地面投影为圆心的圆。

图4本发明测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1-2所示，本发明柱式吸热器表面热流密度测量装置的实施例包括8套相同型号的CCD相机2，DNI测量仪器7，数据采集器6和上位计算机5。8套相同型号的CCD相机2布置在柱式吸热器1的四周，分别和上位计算机5和数据采集器6连接，数据采集器6和DNI测量仪器7连接。

如图2所示，在以柱式吸热器1的中心点在地面投影为中心的圆周上等角度均匀布置8台配置相同的CCD相机，CCD相机以相同的工作参数采集吸热器表面图像，利用机器视觉技术三维重建吸热器表面，建立二维图像中像素位置与吸热器表面位置的对应关系，借助图像灰度值与热流密度的函数关系，实时获得吸热器表面热流密度分布。

需要根据吸热器尺寸、太阳塔高度以及定日镜场内定日镜的分布情况确定以吸热器中心为地面投影为圆心的圆的半径。如图3所示，在以吸热器中心点在地面投影为中心的圆周上，等角度均匀布置8台配置相同的CCD相机。

在采集吸热器照片过程中，固定CCD相机的空间位置，保证相机的视窗覆盖吸热器表面。8套相机工作参数：焦距、光圈和曝光时间相同。

如图4所示，本发明测量方法的步骤如下：

1、调整一台CCD相机的云台，使该台CCD相机正对太阳，调整该台CCD相机的曝光时间，以保证图像接近饱和，采集太阳图像，记录CCD相机的曝光时间和图像采集时刻对应的太阳法向直射辐照度DNI值；

2、利用数字图像处理技术分析太阳图像照片，分析所述太阳图像照片中太阳位置范围内的像素值个数，计算太阳位置范围内所有像素灰度值总和，用于标定相机像素灰度值与热流密度的转换关系；

3、当定日镜场未在吸热器形成光斑时，8台CCD相机同步以长曝光时间拍摄吸热器照片，使照片内吸热器结构明晰，便于三维重建。在8台CCD相机采集的吸热器图像的基础上，利用尺度不变特征变换算法获得图像的特征点，然后利用从运动中恢复结构算法来重建吸热器三维表面；

4、定日镜场在吸热器表面形成光斑后，不改变CCD相机位置，只调整CCD相机的曝光时间，使相机采集的图像接近饱和。同时保存8台相机采集的图像，利用式(13)分析吸热器表面像元热流密度，在此基础上获得吸热器表面的热流密度分布。

Claims (1)

1.一种外置式太阳能吸热器表面热流密度分布的实时测量方法，其特征在于：所述测量方法利用CCD相机采集太阳图像，结合采集时刻太阳法向直射辐照度的实测值，建立太阳图像灰度值与热流密度的转换关系；在以吸热器中心点在地面投影为中心的圆周上，等角度均匀布置多台相同配置的CCD相机；多台CCD相机以相同的工作参数采集吸热器表面图像，利用机器视觉技术三维重建吸热器表面；电站正常工作时，所有CCD相机以相同的曝光时间同时采集吸热器表面图像，建立二维图像中像素位置与吸热器表面位置的对应关系，借助图像灰度值与热流密度的转换关系，实时获得吸热器表面热流密度分布；

首先，调整一台CCD相机正对太阳，根据太阳图像的灰度值情况设置CCD相机曝光时间，使CCD相机采集的灰度图像接近饱和；保存CCD相机采集的太阳图像和图像采集时刻对应的太阳法向直射辐照度DNI值；利用CCD相机采集太阳图像来标定CCD相机图像像素值与热流密度的转换关系；

所述的太阳图像灰度值分布的计算方法如式(1)所示：

其中，g(i,j)为CCD采集的太阳图像(i,j)处的灰度值，L为太阳图像中分割太阳与背景的阈值，I(i,j)为分割太阳与背景后图像(i,j)处的灰度值，i,j为位置坐标，T_sun为采集太阳图像时相机的曝光时间，P_{CCD_SUN}为太阳图像中太阳有效区域内像素灰度值之和；

所述的吸热器表面热流密度的表达式如下：

其中，E_R,(i,j)为吸热器表面上的像元从定日镜场接受到的辐照度，P_CCD,(i,j)为像元(i,j)处的灰度值，E_DNI为拍摄太阳图像时太阳法向直射辐照度，n_{sun_pixels}为太阳图像所对应的像素个数，P_{CCD_SUN}为太阳图像中太阳有效区域内像素灰度值之和，T_receiver为拍摄吸热器图像时相机的曝光时间，T_sun为拍摄太阳图像时相机的曝光时间，ρ_R,(i,j)为像元(i,j)处对应吸热器表面位置的反射率，δ_sun为太阳的发散角。

Images