CN114165932B - 一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统和求解方法 - Google Patents

一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统和求解方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统和求解方法，该检测系统包括可调支撑结构、聚光光斑接收装置和辐照能流摄影装置，可调支撑结构包括滑轨、垂直悬臂、夹具内环、夹具外环和夹具角度固定件，夹具外环通过多个支撑片实现旋转自由度；夹具角度固定件通过支撑片上多个定位槽将夹具外环固定在所需旋转角度上；垂直悬臂设置有两个且其上端分别固定在两个夹具外环上；辐照能流摄影装置包括滑动云台、相机和滤光片模组，聚光光斑接收装置包括弧形朗伯靶。本发明适用于大规模应用场景，拍摄图像后处理过程依据数字图像处理技术和反向蒙特卡洛法，与槽式太阳能电站管理系统易于进行信息交互。

Description

一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统和求解方法
技术领域
本发明涉及槽式集热场镜面故障诊断领域，尤其涉及一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统和求解方法。
背景技术
在抛物槽式太阳能集热场运行过程中，由于重力和风荷载的长期作用，以及镜面和钢支架热胀冷缩会导致反射镜面发生形变。而镜面形变会致使吸热器上会聚的聚光光斑发生畸变，直接影响集热器的能量效率。同时，集热管上能流分布相对于设计工况的偏离，会导致集热管壁面热应力分布发生畸变，威胁到设备稳定运行，严重的甚至会导致吸热管破裂，造成工质泄露事故。因此需要对反射镜的形变进行定量诊断，及时调教甚至更换形变的反射镜。
目前针对太阳能聚光器的多种光学误差诊断方法包括能流映射法、哈特曼类型方法、数字近景摄影测量法等，这些技术依赖于在数米宽数百米长的反射镜面上固定标志点，且标志点需要足够密集以保证误差诊断的分辨率，因此不适用于实际工程中大规模镜场形变诊断。此外，专利CN201910743553.9、CN202110330561.8提出的一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法由于光栅尺寸的限制，适用于小型反射镜面形变检测。专利CN202011580613.9提出的一种大口径拼接式反射镜的曲率误差调整装置及其方法，主要涉及镜面支撑和形变调教结构，而缺乏镜面误差的定量检测。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统和求解方法，该系统利用可滑动的可调支撑检测装置，通过相机对整个镜场的聚光辐照光斑进行拍摄；基于反射镜汇聚聚光辐照能流分布包含镜面形变信息的先验知识，利用数字图像处理技术对拍摄的光斑图像进行矫正和单位转换；通过反向蒙特卡洛法根据接收器上的能流分布，反向计算畸变的反射镜面形貌。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，包括可调支撑结构1、聚光光斑接收装置2和辐照能流摄影装置3，其特征在于，
所述可调支撑结构1包括滑轨4、垂直悬臂5、夹具内环6、夹具外环7和夹具角度固定件10，其中，
所述夹具内环6设置有两个且分别套接在集热管8上；
所述夹具外环7通过多个支撑片11实现旋转自由度；
多个所述支撑片11均与夹具内环6相对固定；
所述夹具角度固定件10通过支撑片11上多个定位槽9将夹具外环7固定在所需旋转角度上；
所述垂直悬臂5设置有两个且其上端分别固定在两个夹具外环7上；
所述滑轨4两端分别固定在两个垂直悬臂5的下端；
所述辐照能流摄影装置3包括滑动云台12、相机13和滤光片模组14，其中，
所述滑动云台12通过滑槽15与滑轨4接驳，具有线性自由度；
所述相机13与滑动云台12相对固定；
所述滤光片模组14与相机13的镜头相对固定；
所述聚光光斑接收装置2包括弧形朗伯靶16，所述弧形朗伯靶16的两端分别与夹具内环6的侧壁相对固定并绕着集热管8设置，所述弧形朗伯靶16转动和平动自由度与所述夹具内环6一致；所述弧形朗伯靶16的形状为壳状圆柱侧壁。
优选的，所述夹具外环7旋转角度范围为±60°；所述夹具内环6与集热管8之间的紧固方式为管扣式或顶丝式。
优选的，所述支撑片11沿夹具内环6周向均匀分布，位于同一个所述夹具内环6上的所述支撑片11的数量为3个或4个或5个或8个。
优选的，位于同一个所述夹具内环6上的定位槽9的数量能够为3个或5个。
优选的，所述滑轨4与垂直悬臂5轴向垂直，所述滑轨4的长度长于所述弧形朗伯靶16的长度。
优选的，所述相机13为CCD相机或CMOS相机；所述滤光片模组14为干涉式滤光片模组或吸收式滤光片模组。
优选的，所述弧形朗伯靶16为具有漫反射特性的碳酸盐涂层或纳米金属氧化物涂层。
本发明的目的还在于提供一种采用所述形变检测系统的一种抛物槽式太阳能聚光镜形变求解方法，包括如下步骤：
步骤1，将可调支撑结构1置于集热管8一端，同时将垂直悬臂5置于0°档，通过调整滤光片模组14和曝光时间，保证所测量范围内拍摄像素值对光斑强度的完全响应；将滑动云台12调整至滑轨4上视野覆盖最佳的位置，并拍摄照片b1；
步骤2，旋转夹具外环7使其置于-60°档，利用夹具角度固定件10通过定位槽9将夹具外环7固定，并拍摄照片a1；
步骤3，旋转夹具外环7使其置于+60°档，利用夹具角度固定件10通过定位槽9将夹具外环7固定，并拍摄照片c1；
步骤4，沿集热管8滑动整个检测系统，使其拍摄视野脱离前一测量过程中相机13拍摄的视野，重复步骤1-3拍摄聚光光斑照片b2,a2和c2。
步骤5，重复步骤4，最终实现整个集热管壁聚光光斑的测量；
步骤6，根据图像分布相似性，将上述拍摄完成的光斑照片进行图像融合整定，得到整个集热单元的在朗伯靶上的光斑灰度分布，结合辐照强度换算将光斑灰度分布换算为相对辐照能流强度，对于朗伯靶反射上的光斑灰度值，根据Debevec-Malik公式拟合具有映射关系，通过矫正可得朗伯靶上的辐照强度分布。
优选的，步骤6中，Debevec-Malik拟合过程如下：
假设相机13的响应函数为G，可得：
Z＝G(E) 式1
Z是图片像素值，E是场景亮度。如果拍摄过程中每个像数值的I不变，则曝光时间t和相机13接收到的亮度E之间是正比例关系，可以表示为Ei＝Iitj,i表示像素在图中的索引，j表示曝光时间为tj的图片索引；
数码相机13接收到场景亮度E，每个像素的像素值可以表示为：
两边取自然对数，引入函数g＝lnG-1，得到:
Z和t是已知的,I未知。但是在场景亮度不变的假设下，E与t是正比例关系，对于第i个像素，令Ii＝1，则Ei＝tj，可以拟合出响应曲线，通过调整这些曲线的lnE值把这些曲线拼在一起可以得到g(Z)，g(Z)即为映射关系公式；
基于反向蒙特卡洛法，依据测得畸变辐照能流分布反算抛物槽反射镜畸变，具体如下：
建立笛卡尔坐标系，原点为抛物槽焦点，不存在误差时，反射镜上任意反射光线角度为：
其中α为镜面上的局部入射角；
α＝arctan(y') 式6
将式3，1代入式2中，同取正切函数可得：
抛物线方程为：
其中F为焦距；
离散化后，第n段的长度为ln，坐标为(xn,yn),(xn+1,yn+1)
假设落在该单元的反射都发生在中点，则：
xn+1＝xn+Δln cos(αn) 式11
yn+1＝yn+Δln sin(αn) 式12
起始点为(x0,y0),与接收器边缘点-z0夹角为ψ，x0＝Lw
则根据能量守恒
其中为测得的辐照能流分布，LW为抛物槽反射镜开口半径；Lwabs为接收器半径；
则太阳盘面上与中心线夹角为φn的反射光线的与水平方向夹角为：
xn+1＝xn-Δln cos(αn) 式18
yn+1＝yn-Δln sin(αn) 式19
式14两边求导得
由于偏差较小，φn最大值为4.65mrad所以
有dφn＝2dαn，其中dαn为每段的偏转角度；
引入Mj,n,k存储能流，尺寸为(J,N,2K+1)；
j为J个接收器分段编号，n为N段反射镜的编号，k为反射镜第n段的偏转角度，离散化为：
采用非线性规划的方法对n段镜面单元的偏转角度进行求解，进一步提出指针Tn，指向每一段具体使用的偏移角度，首先进行初始化，将指针Tn指向无偏转误差存在的情况，
此时第i次迭代的辐照能流分布为：
利用非线性规划求取指针Tn的指向，优化的目标函数为：
若F大于设定的残差，则求取其中H为Hesseian矩阵，继续进行迭代，若F小于设定残差则输出dαn，计算该工况下畸变的抛物槽反射镜几何形状。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明中，通过利用数码相机所得照片作为数据采集对象，可靠性高；检测对象为朗伯靶上的聚光光斑，不依赖于在镜面固定标志点对镜面进行直接检测，机械结构和安装方式简单，体积较小；检测装置可沿集热管轴向滑动，实现整个集热器的检测，适用于大规模应用场景；拍摄图像后处理过程依据数字图像处理技术和反向蒙特卡洛法，与槽式太阳能电站管理系统易于进行信息交互；
2)本发明中，通过设置图像融合整定模块、辐照强度换算模块和镜面形变迭代反演模块，从而利用反射镜产生的聚光辐照能流分布定量反演镜面形变，实现抛物槽反射镜的故障诊断、提供定量矫正依据。
附图说明
图1为本发明实现集热管外壁聚光光斑拍摄装置整体结构示意图；
图2为本发明中可调支撑机构局部示意图；
图3为本发明在集热管上旋转/滑动拍摄过程示意图；
图4为聚光光斑数字图像处理流程图；
图5为反向蒙特卡洛法几何原理图；
图6为基于反向蒙特卡洛法的镜面形变求解流程图。
图中附图标记为：
1-可调支撑结构，2-聚光光斑接收装置，3-辐照能流摄影装置，4-滑轨，5-垂直悬臂，6-夹具内环，7-夹具外环，8-集热管，9-定位槽，10-夹具角度固定件，11-支撑片，12-滑动云台，13-相机，14-滤光片模组，15-滑槽，16-弧形朗伯靶。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，辐照能流分布摄影技术的抛物槽式太阳能聚光反射镜面形变检测系统由可调支撑结构1和聚光光斑接收装置2和辐照能流摄影装置3组成。如图2所示，可调支撑结构1由夹具内环6，夹具外环7，夹具角度固定件10，滑轨4和垂直悬臂5组成，通过夹具内环6固定在集热管8上；夹具外环7在多个支撑片11夹持下可旋转；支撑片11与夹具内环6相对固定；夹具角度固定件10通过支撑片11上多个定位槽9将夹具外环7固定在所需旋转角度上；垂直悬臂5上端固定在夹具外环7上；滑轨4两端分别固定在两个垂直悬臂5下端。辐照能流摄影装置3包括滑动云台12，相机13和滤光片模组14；滑动云台12通过滑槽15与滑轨4接驳，具有线性自由度；相机13与滑动云台12相对固定；滤光片模组14与相机13的镜头相对固定。聚光光斑接收装置2包括弧形朗伯靶16；弧形朗伯靶16与可调支撑结构1中夹具内环6的侧壁相对固定，转动和平动自由度与所述夹具内环6一致；弧形朗伯靶16的形状为壳状圆柱侧壁。
参阅图3本发明提供采用所述设备的一种聚光光斑拍摄方法，包括如下步骤：
1)将可调支撑结构置于集热管8一端，同时将垂直悬臂5置于0°档。通过调整滤光片模组14和曝光时间，保证所测量范围内拍摄像素值对光斑强度的完全响应；将滑动云台12调整至滑轨4上视野覆盖最佳的位置，并拍摄照片(b1)。
2)旋转夹具外环7使其置于-60°档，利用夹具角度固定件10通过定位槽9将夹具外环7固定，并拍摄照片(a1)。
3)旋转夹具外环7使其置于+60°档，利用夹具角度固定件10通过定位槽9将夹具外环7固定，并拍摄照片(c1)。
4)沿集热管8滑动整个检测系统，使其拍摄视野脱离前一测量过程中相机13拍摄的视野。重复步骤1)-3)拍摄聚光光斑照片(b2),(a2)和(c2)。
5)重复步骤4)，最终实现整个集热管壁聚光光斑的测量。
如图4所示，根据图像分布相似性，将上述拍摄完成的光斑照片进行图像融合整定，得到整个集热单元的在朗伯靶上的光斑灰度分布，结合辐照强度换算将光斑灰度分布换算为相对辐照能流强度，对于朗伯靶反射上的光斑灰度值，根据Debevec-Malik公式拟合具有映射关系，通过矫正可得朗伯靶上的辐照强度分布。Debevec-Malik拟合过程如下：
假设相机13的响应函数为G，可得
Z＝G(E) (1)
Z是图片像素值，E是场景亮度。如果拍摄过程中每个像数值的I不变，则曝光时间t和相机13接收到的亮度E之间是正比例关系，可以表示为Ei＝Iitj,i表示像素在图中的索引，j表示曝光时间为tj的图片索引。相机13接收到场景亮度E，每个像素的像素值可以表示为
两边取自然对数，引入函数g＝lnG-1，得到
Z和t是已知的,I未知。但是在场景亮度不变的假设下，E与t是正比例关系，对于第i个像素，令Ii＝1，则Ei＝tj，可以拟合出响应曲线。通过调整这些曲线的lnE值把这些曲线拼在一起可以得到g(Z)，g(Z)即为映射关系公式。
基于反向蒙特卡洛法，依据测得畸变辐照能流分布反算抛物槽反射镜畸变，具体如下：
如图5所示，建立笛卡尔坐标系，原点为抛物槽焦点
不存在误差时，反射镜上任意反射光线角度为：
其中α为镜面上的局部入射角
α＝arctan(y') (6)
将式3，1代入式2中，同取正切函数可得
抛物线方程为
其中F为焦距。
离散化后，第n段的长度为ln，坐标为(xn,yn),(xn+1,yn+1)
假设落在该单元的反射都发生在中点，则
xn+1＝xn+Δln cos(αn) (11)
yn+1＝yn+Δln sin(αn) (12)
起始点为(x0,y0),与接收器边缘点-z0夹角为ψ，x0＝Lw
则根据能量守恒
其中为测得的辐照能流分布，LW为抛物槽反射镜开口半径；Lwabs为接收器半径。
则太阳盘面上与中心线夹角为φn的反射光线的与水平方向夹角为
xn+1＝xn-Δln cos(αn) (18)
yn+1＝yn-Δln sin(αn) (19)
式14两边求导得
由于偏差较小，φn最大值为4.65mrad所以
有dφn＝2dαn，其中dαn为每段的偏转角度
引入Mj,n,k存储能流，尺寸为(J,N,2K+1)
j为J个接收器分段编号，n为N段反射镜的编号，k为反射镜第n段的偏转角度，离散化为
如图6所示，采用非线性规划的方法对n段镜面单元的偏转角度进行求解，进一步提出指针Tn，指向每一段具体使用的偏移角度，首先进行初始化，将指针Tn指向无偏转误差存在的情况，
此时第i次迭代的辐照能流分布为
利用非线性规划求取指针Tn的指向，优化的目标函数为
若F大于设定的残差，则求取其中H为Hesseian矩阵，继续进行迭代，若F小于设定残差则输出dαn，计算该工况下畸变的抛物槽反射镜几何形状。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，包括可调支撑结构(1)、聚光光斑接收装置(2)和辐照能流摄影装置(3)，其特征在于，
所述可调支撑结构(1)包括滑轨(4)、垂直悬臂(5)、夹具内环(6)、夹具外环(7)和夹具角度固定件(10)，其中，
所述夹具内环(6)设置有两个且分别套接在集热管(8)上；
所述夹具外环(7)通过多个支撑片(11)实现旋转自由度；
多个所述支撑片(11)均与夹具内环(6)相对固定；
所述夹具角度固定件(10)通过支撑片(11)上多个定位槽(9)将夹具外环(7)固定在所需旋转角度上；
所述垂直悬臂(5)设置有两个且其上端分别固定在两个夹具外环(7)上；
所述滑轨(4)两端分别固定在两个垂直悬臂(5)的下端；
所述辐照能流摄影装置(3)包括滑动云台(12)、相机(13)和滤光片模组(14)，其中，
所述滑动云台(12)通过滑槽(15)与滑轨(4)接驳，具有线性自由度；
所述相机(13)与滑动云台(12)相对固定；
所述滤光片模组(14)与相机(13)的镜头相对固定；
所述聚光光斑接收装置(2)包括弧形朗伯靶(16)，所述弧形朗伯靶(16)的两端分别与夹具内环(6)的侧壁相对固定并绕着集热管(8)设置，所述弧形朗伯靶(16)转动和平动自由度与所述夹具内环(6)一致；所述弧形朗伯靶(16)的形状为壳状圆柱侧壁。
2.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，所述夹具外环(7)旋转角度范围为±60°；所述夹具内环(6)与集热管(8)之间的紧固方式为管扣式或顶丝式。
3.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，所述支撑片(11)沿夹具内环(6)周向均匀分布，位于同一个所述夹具内环(6)上的所述支撑片(11)的数量为3个或4个或5个或8个。
4.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，位于同一个所述夹具内环(6)上的定位槽(9)的数量为3个或5个。
5.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，所述滑轨(4)与垂直悬臂(5)轴向垂直，所述滑轨(4)的长度长于所述弧形朗伯靶(16)的长度。
6.根据权利要求1-5任一所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，所述相机(13)为CCD相机或CMOS相机。
7.根据权利要求1-5任一所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，所述滤光片模组(14)为干涉式滤光片模组或吸收式滤光片模组。
8.根据权利要求1-5任一所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，所述弧形朗伯靶(16)具有漫反射特性的碳酸盐涂层或纳米金属氧化物涂层。
9.一种抛物槽式太阳能聚光镜形变求解方法，采用权利要求1所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变检测系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将可调支撑结构(1)置于集热管(8)一端，同时将垂直悬臂(5)置于0°档，通过调整滤光片模组(14)和曝光时间，保证所测量范围内拍摄像素值对光斑强度的完全响应；将滑动云台(12)调整至滑轨(4)上视野覆盖最佳的位置，并拍摄照片b1；
步骤2，旋转夹具外环(7)使其置于-60°档，利用夹具角度固定件(10)通过定位槽(9)将夹具外环(7)固定，并拍摄照片a1；
步骤3，旋转夹具外环(7)使其置于+60°档，利用夹具角度固定件(10)通过定位槽(9)将夹具外环(7)固定，并拍摄照片c1；
步骤4，沿集热管(8)滑动整个检测系统，使其拍摄视野脱离前一测量过程中相机(13)拍摄的视野，重复步骤1-3拍摄聚光光斑照片b2,a2和c2；
步骤5，重复步骤4，最终实现整个集热管壁聚光光斑的测量；
步骤6，根据图像分布相似性，将上述拍摄完成的光斑照片进行图像融合整定，得到整个集热单元的在朗伯靶上的光斑灰度分布，结合辐照强度换算将光斑灰度分布换算为相对辐照能流强度，对于朗伯靶反射上的光斑灰度值，根据Debevec-Malik公式拟合具有映射关系，通过矫正可得朗伯靶上的辐照强度分布。
10.根据权利要求9所述的抛物槽式太阳能聚光镜形变求解方法，其特征在于，步骤6中，Debevec-Malik拟合过程如下：
假设相机(13)的响应函数为G，可得：
Z＝G(E) 式1
Z是图片像素值，E是场景亮度，如果拍摄过程中每个像数值的I不变，则曝光时间t和相机(13)接收到的亮度E之间是正比例关系，表示为Ei＝Iitj,i表示像素在图中的索引，j表示曝光时间为tj的图片索引；
相机(13)接收到场景亮度E，每个像素的像素值表示为：
两边取自然对数，引入函数g＝lnG-1，得到:
Z和t是已知的,I未知；但是在场景亮度不变的假设下，E与t是正比例关系，对于第i个像素，令Ii＝1，则Ei＝tj，拟合出响应曲线，通过调整这些曲线的lnE值把这些曲线拼在一起得到g(Z)，g(Z)即为映射关系公式；
基于反向蒙特卡洛法，依据测得畸变辐照能流分布反算抛物槽反射镜畸变，具体如下：
建立笛卡尔坐标系，原点为抛物槽焦点，不存在误差时，反射镜上任意反射光线角度为：
其中α为镜面上的局部入射角；
α＝arctan(y') 式6
将式3，1代入式2中，同取正切函数可得：
抛物线方程为：
其中F为焦距；
离散化后，第n段的长度为ln，坐标为(xn,yn),(xn+1,yn+1)
假设落在该单元的反射都发生在中点，则：
xn+1＝xn+Δlncos(αn) 式11
yn+1＝yn+Δlnsin(αn) 式12
起始点为(x0,y0),与接收器边缘点-z0夹角为ψ，x0＝Lw
则根据能量守恒
其中为测得的辐照能流分布，LW为抛物槽反射镜开口半径；Lwabs为接收器半径；
则太阳盘面上与中心线夹角为φn的反射光线的与水平方向夹角为：
xn+1＝xn-Δlncos(αn) 式18
yn+1＝yn-Δlnsin(αn) 式19
式14两边求导得
由于偏差较小，φn最大值为4.65mrad，所以
有dφn＝2dαn，其中dαn为每段的偏转角度；
引入Mj,n,k存储能流，尺寸为(J,N,2K+1)；
j为J个接收器分段编号，n为N段反射镜的编号，k为反射镜第n段的偏转角度，离散化为：
采用非线性规划的方法对n段镜面单元的偏转角度进行求解，进一步提出指针Tn，指向每一段具体使用的偏移角度，首先进行初始化，将指针Tn指向无偏转误差存在的情况，
此时第i次迭代的辐照能流分布为：
利用非线性规划求取指针Tn的指向，优化的目标函数为：
若F大于设定的残差，则求取其中H为Hesseian矩阵，继续进行迭代，若F小于设定残差则输出dαn，计算该工况下畸变的抛物槽反射镜几何形状。
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