CN114279694B - 一种定日镜精度检测和仿真系统修正方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学设备测试领域，尤其涉及一种定日镜精度检测和仿真系统修正方法，该方法通过在设定的时间和环境下，对镜场中选择的代表性定日镜进行精度检测，以代表性定日镜的跟踪精度和光学精度的参数为基准，对仿真系统中定日镜仿真模型进行修正，将镜场中定日镜的实际运行效果与定日镜仿真模型的运行效果进行比较，如果比较的偏差超过了预设偏差值，则重新进行定日镜精度检测和定日镜仿真模型修正。采用该方法，可以在对较少定日镜进行精度检测的情况下，完成对仿真系统中所有定日镜仿真模型的修正，还可以通过反复修正，将镜场中定日镜与定日镜仿真模型的运行效果的偏差控制在预设偏差值范围内，提高镜场中定日镜的工作效率。

Description

一种定日镜精度检测和仿真系统修正方法

技术领域

本申请涉及光学设备测试领域，尤其涉及一种定日镜精度检测和仿真系统修正方法。

背景技术

在塔式光热电站中，定日镜是其核心环节，但由于定日镜数量较多，商业化光热电站中往往包含数万面。不同的定日镜安装条件不同，由于位置不同，驱动机构使用范围也不同，且随着时刻的变化和时间的推移，设备对应姿态和衰减情况也不同。实际使用过程中，需要掌握各个设备的运行精度情况，以进行仿真，进而实现整体的运行管理。

定日镜设备包括两种精度指标，一种为光学精度，主要影响定日镜光斑的成像情况，一种为跟踪精度，主要影响定日镜光斑的指向情况。

现有的定日镜精度检测方法，对于光学精度，仅在设备生产过程中进行检测，未能考虑随着使用时间的增长，定日镜的精度会发生变化的情况；对于跟踪精度，仅在进行校正时，基于设备运行情况进行数据采集和校正，并未进行精细化的测试，也未考虑设备本身可能达到的跟踪精度情况。

由于上述对于定日镜的精度检测方式和检测流程的不足，导致在进行系统仿真当中，并未开展基于不同尺度，不同区域定日镜性能和聚光效果的修正，从而使塔式光热电站整体性能模型与实际运行情况存在较大的偏差。

发明内容

本申请提供了一种定日镜精度检测和仿真系统修正方法，以解决传统的定日镜精度检测方法不能在实际工作现场有代表性的检测和模拟定日镜光学精度和跟踪精度的实际状态，以及仿真模型中所取精度与实际精度存在较大偏差的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种定日镜精度检测和仿真系统修正方法，所述方法包括以下步骤：

选取整体镜场中的代表性定日镜；

确定测试时间和测试环境满足的测试边界条件；

在所述测试时间，当所述测试环境满足所述测试边界条件时，对所述代表性定日镜进行跟踪精度检测和光学精度检测，获取所述代表性定日镜的跟踪精度和光学精度；

根据所述跟踪精度和所述光学精度，对仿真系统中所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜对应的定日镜仿真模型进行修正；

将所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜实际运行效果与所述仿真系统中对应的定日镜仿真模型的运行效果进行比较，若比较的偏差超过预设偏差值，则重新进行定日镜精度检测和定日镜仿真模型修正。

进一步的，所述选取整体镜场中的代表性定日镜包括：

根据所述整体镜场的实际布置及定日镜精度检测的精度要求，将所述整体镜场以预设角度进行切分，得到若干个切分镜场；

按照预设取样距离，确定每个切分镜场中的取样基准点；

将距离每个所述取样基准点最近的定日镜选取为所述代表性定日镜。

进一步的，所述确定测试时间和测试环境满足的测试边界条件包括：

分别将每年的春分日、夏至日、秋分日、冬至日前后的各若干天设定为测试日；

将每个测试日的若干个时刻设定为测试时间；

所述测试边界条件包括测试时的风速和法向直接辐射强度。

进一步的，对所述代表性定日镜进行跟踪精度检测和光学精度检测包括：

将标靶设置在吸热塔上；

获取标靶的图像，并获取每一个所述代表性定日镜在所述标靶上形成的若干个光斑图像；

根据所述若干个光斑图像确定每一个所述代表性定日镜的跟踪精度和光学精度。

进一步的，获取所述代表性定日镜的跟踪精度包括：

以所述标靶的图像的中心为坐标原点，建立直角坐标系；

将每一个所述代表性定日镜在所述标靶上形成的所述若干个光斑图像分别置于所述直角坐标系中；

确定每一个所述光斑图像中的光斑的几何中心在所述直角坐标系中的光斑几何中心坐标；

根据每一个所述光斑几何中心坐标的坐标值，计算所述代表性定日镜的跟踪精度，所述代表性定日镜的跟踪精度由以下公式表示：

，

式中，x表示光斑几何中心坐标的x坐标值，y表示光斑几何中心坐标的y坐标值，

表示n个光斑几何中心坐标的x坐标值的平均值，

表示n个光斑几何中心坐标的y坐标 值的平均值，n表示一个代表性定日镜在标靶上形成的光斑图像的个数，

表示一个 代表性定日镜在x坐标方向的跟踪误差，

表示一个代表性定日镜在y坐标方向的跟 踪误差，

表示一个代表性定日镜的二维跟踪误差。

进一步的，获取所述代表性定日镜的光学精度包括：

分别对所述代表性定日镜在所述标靶上形成的每一个所述光斑图像进行能量求和；

提取所述光斑图像中光斑的能量最大值和能量最小值；

通过二分法确定能量值边界，使得所述能量值边界区域内包含的能量占所述光斑整体能量的比例大于能量预设值；

获取所述能量值边界在所述直角坐标系中的长轴数值和短轴数值，得到所述代表性定日镜在所述标靶上的实际光斑；

根据所述代表性定日镜的光学精度值进行拟合仿真，得到所述代表性定日镜的模拟光斑；

根据所述模拟光斑与所述实际光斑的差异，调整所述仿真系统中所述代表性定日镜对应的代表性定日镜仿真模型的光学精度参数值，使所述模拟光斑与所述实际光斑重合；

将所述模拟光斑与所述实际光斑重合后的所述模拟光斑的光学精度参数值设定为所述代表性定日镜的光学精度。

进一步的，所述对仿真系统中所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜对应的定日镜仿真模型进行修正包括：

根据所述代表性定日镜的所述跟踪精度和所述光学精度，修正所述仿真系统中所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜对应的定日镜仿真模型。

进一步的，所述预设偏差值为5%。

进一步的，所述能量预设值为90%。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供的定日镜精度检测和仿真系统修正方法，通过在整体镜场中选择部分有代表性的定日镜，在设定的测试时间和测试环境下，对选择的代表性定日镜进行跟踪精度和光学精度检测，得到代表性定日镜的跟踪精度和光学精度，以代表性定日镜的跟踪精度和光学精度的参数为基准，对仿真系统中代表性定日镜所在区域的所有定日镜对应的定日镜仿真模型进行修正，然后将镜场中的定日镜的实际运行效果与仿真系统中对应的定日镜仿真模型的运行效果进行比较，如果比较的偏差超过了预设偏差值，即定日镜的实际运行效果与仿真模型的运行效果相比，偏差超过了预设偏差值，则重新进行定日镜精度检测和定日镜仿真模型修正。采用该方法，可以在实际工作现场中选择有代表性的定日镜，并对其进行检测和对仿真系统中其所在区域的定日镜对应的定日镜仿真模型进行修正，再将镜场中的定日镜实际运行效果与仿真系统中的定日镜仿真模型运行效果进行比较，以决定是否重新进行定日镜精度检测和仿真系统修正，该方法一方面可以在对较少定日镜进行精度检测的情况下，以较少定日镜的检测精度参数为基准，完成对仿真系统中所有定日镜仿真模型的修正，另一方面通过反复修正，可以将镜场中的定日镜运行效果与仿真模型中的定日镜仿真模型运行效果的偏差控制在预设偏差值范围内，提高了镜场中定日镜的工作效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的代表性定日镜选择示意图。

具体实施方式

为便于对申请的技术方案进行描述和理解，以下结合附图及实施例对本申请的技术方案作进一步的说明。

1、进行代表性定日镜选择

参见图1，为本申请实施例提供的代表性定日镜选择示意图。为保证选择的定日镜具有代表性，根据整体镜场的实际布置及检测的精度要求，可将整体镜场的360度以某一固定切分角度进行切分，将整体镜场切分为若干个同样大小的扇形的切分镜场，而切分角度通常可选30度、45度、60度或90度。

当镜场反射面积小于100万平米时，可以将每个扇形的切分镜场的扇形中心线设定为基准线，以位于切分镜场最边缘圆弧处的定日镜到吸热塔的距离为基准，将基准线上到吸热塔距离为1/4，1/2，3/4和最远端四个点作为基准点，选择距离对应基准点最近的定日镜作为这一扇形切分镜场的初定测试样本，即代表性定日镜。当镜场面积大于100万平米时，基准点也可根据需求选择到吸热塔距离为1/6，1/3，1/2，2/3，5/6，最远端的点，或选择更精细的刻度。如果距离基准点最近的定日镜无法正常使用或进行测试，则将距离基准点的距离是第二位的定日镜作为测试样本，并依此类推

如图1中所示，可以将整体镜场切分为东、南、西、北四个方向的四个切分镜场，即以90度为切分角度，分别以地理方向的东南、西南、西北、东北四个方向为切分线，将整体镜场切分为东、南、西、北四个扇形的切分镜场。以东切分镜场为例，先将位于正东方向的这条线作为基准线，将基准线上距离吸热塔距离为1/4，1/2，3/4和最远端四个点作为基准点即图1中的空心圆圈代表的位置为基准点，而空心圆圈所在位置不一定刚好有定日镜，则再将距离基准点最近的定日镜初定为测试样本，即图1中实心圆点代表的定日镜，若初定的该四个定日镜可以进行测试，则将其确定为东切分镜场的代表性定日镜；若初定的定日镜中存在不能正常使用或进行测试的，则选择距离基准点第二近的定日镜为测试样本，依次类推，直至确定好每个基准点位置的代表性定日镜。

2、进行测试时间选择和测试边界条件确定

为了有效测量和考虑全年不同时刻的定日镜效率情况，测试时间和测试时的边界条件也需要设定。

相关测试的测试时间可根据实际天气情况进行选择，如可以选择在每年春分日、夏至日、秋分日、冬至日前后各10天之内进行测试，分别选取每日的9点到15点，每逢整点（真太阳时）为基准测试时间进行测试。

测试的边界条件可以设定为测试时的风向应小于4m/s（10m为高风速），法向直接辐射（Direct Normal Irradiance，DNI）强度大于300W/m²，且无其他不适于进行定日镜检测的特殊气象条件。

3、按照计划进行多种精度的检测

在确定好代表性定日镜、测试时间和测试边界条件后，等到测试的日期即可进行定日镜检测。

进行定日镜精度检测，需要借助标靶进行，标靶被悬挂于镜场中心的高处，一般来说位于吸热塔四周。对应的图像采集，可基于安装于地面的相机进行，与图像处理方法配合，实现定日镜的精度检测。

（1）进行代表性定日镜跟踪精度检测

对于每台被测代表性定日镜，每个时间点测试时间不少于10分钟，对应的测试样本数量不少于200个点（具体数据可根据定日镜设备的稳定性调整）。获取定日镜静态跟踪精度分布的步骤如下：

用黑色直角框来进行靶面中心标定，并将靶面中心设定为坐标原点，即靶面中心的坐标为(0,0)，建立直角坐标系；

利用相机拍摄无光斑的标靶靶面作为背景照片，再利用相机进行靶面光斑拍照，取得光斑照片，将背景照片和光斑照片做差，则取得对应的光斑图像。

获取每个代表性定日镜在靶面上形成的光斑图像，并进行光斑图像处理，对于第i 个光斑图像，计算并确定其中的光斑的几何中心坐标，并记为：

。

对获取的每个代表性定日镜的所有光斑图像进行统计，获得水平方向标准差、垂直方向标准差、椭圆长轴方向标准差、椭圆短轴方向标准差、椭圆长轴方向与水平方向的夹角、椭圆率等参数。

对于获取的每个代表性定日镜的n个光斑图像，上述数值对应的计算公式如下：

，

式中，x表示光斑几何中心坐标的x坐标值，y表示光斑几何中心坐标的y坐标值，

表示n个光斑几何中心坐标的x坐标值的平均值，

表示n个光斑几何中心坐标的y坐标 值的平均值，n表示一个代表性定日镜在标靶上形成的光斑图像的个数，

表示一个 代表性定日镜在x坐标方向的跟踪误差，

表示一个代表性定日镜在y坐标方向的跟 踪误差，

表示一个代表性定日镜的二维跟踪误差。

（2）进行代表性定日镜光学精度检测

基于上一步的代表性定日镜跟踪检测，进行光斑尺寸轮廓的获取和拟合。

进行光斑能量边缘获取。对光斑图像的能量求和，提取光斑图像中光斑的能量最大值和能量最小值，并通过二分法找出合适的能量值边界，使得能量值边界区域内包含的能量，大于光斑整体能量的90%，（可根据实际需求修改），并提取能量值边界在该区域的坐标边缘点，并取得对应的长短轴数据，得到该代表性定日镜在标靶上的实际光斑。

进行光学精度拟合。基于代表性定日镜自身的光学精度值进行拟合仿真，取得该代表性定日镜的模拟光斑，并与实际光斑进行对比，形成反馈，以此通过调整仿真模型中的代表性定日镜对应的代表性定日镜仿真模型的光学精度参数值，实现模拟光斑和实际光斑的重合，这时，仿真模型中的代表性定日镜仿真模型的光学精度参数值，则为对应的代表性定日镜的实际光学精度。

具体的，进行光学精度拟合仿真时，可选用逐条光线仿真的方法：

首先，针对需要进行光学精度拟合仿真的代表性定日镜，随机生成大量光线（一般为数百条），并根据代表性定日镜的法线方向计算理想反射光路。

然后，利用代表性定日镜出厂时的自身光学精度参数值，计算每条实际反射光线相对于理想反射光路的偏置值。

偏置值的计算方法如下：将光学精度值作为正态二维分布的x向和y向标准差，x向和y向的均值为0，形成偏置的分布表函数。

最后再计算每一条实际反射光线时，在上述正态二维分布中加上对应的随机值。

逐条光线仿真后，在标靶上形成大量反射光线的集合，其中，每条光线所代表的能量相等。

通过上述统计，可以取得代表性定日镜对应的模拟光斑，并通过上述的进行光斑能量边缘获取的方法，提取模拟光斑中能量最大值和能量最小值，并通过二分法找出合适的能量值边界，使得能量值边界区域内包含的能量，大于光斑整体能量的90%，可获得模拟值对应的模拟椭圆，以及长短轴数据。

4、进行模型修正

根据上述方法取得的代表性定日镜的跟踪精度和光学精度，则为镜场中光热现场的定日镜实际精度。

基于代表性定日镜的实际精度和其所在的切分镜场，可重新调整上述进行光学精度拟合步骤中的代表性定日镜仿真模型输入参数，即根据比较结果，调整对应正态二维分布的标准差数值，对代表性定日镜所在的切分镜场中所有定日镜对应的定日镜仿真模型进行修正，其中跟踪精度作为影响整体光束偏移的变量，跟踪精度影响具体光束由于镜面并非理想曲面造成的个体偏移变量。

对于修正过的定日镜仿真模型，进行镜场中的定日镜实际运行效果与仿真模型中定日镜仿真模型运行效果的对比，当实际光斑的长轴或短轴长度与模拟光斑的长轴或短轴偏差超过5%时，可以再次重新进行相关检测和模型修正。以使镜场中定日镜始终在较高的工作效率下运行，提高定日镜的使用效率。

本申请实施例提供的定日镜精度检测和仿真系统修正方法，一方面可以在对较少定日镜进行精度检测的情况下，以较少定日镜的检测精度参数为基准，完成对仿真系统中所有定日镜仿真模型的修正，另一方面通过反复修正，可以将镜场中的定日镜运行效果与仿真模型中的定日镜仿真模型运行效果的偏差控制在预设偏差值范围内，提高了镜场中定日镜的工作效率和使用效率。

Claims (4)

1.一种定日镜精度检测和仿真系统修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

选取整体镜场中的代表性定日镜；

确定测试时间和测试环境满足的测试边界条件；

在所述测试时间，当所述测试环境满足所述测试边界条件时，对所述代表性定日镜进行跟踪精度检测和光学精度检测，获取所述代表性定日镜的跟踪精度和光学精度；

根据所述跟踪精度和所述光学精度，对仿真系统中所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜对应的定日镜仿真模型进行修正；

将所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜实际运行效果与所述仿真系统中对应的定日镜仿真模型的运行效果进行比较，若比较的偏差超过预设偏差值，则重新进行定日镜精度检测和定日镜仿真模型修正；

其中，所述选取整体镜场中的代表性定日镜包括：根据所述整体镜场的实际布置及定日镜精度检测的精度要求，将所述整体镜场以预设角度进行切分，得到若干个切分镜场；按照预设取样距离，确定每个切分镜场中的取样基准点；将距离每个所述取样基准点最近的定日镜选取为所述代表性定日镜；

所述确定测试时间和测试环境满足的测试边界条件包括：分别将每年的春分日、夏至日、秋分日、冬至日前后的各若干天设定为测试日；将每个测试日的若干个时刻设定为测试时间；所述测试边界条件包括测试时的风速和法向直接辐射强度；

所述对所述代表性定日镜进行跟踪精度检测和光学精度检测包括：将标靶设置在吸热塔上；获取标靶的图像，并获取每一个所述代表性定日镜在所述标靶上形成的若干个光斑图像；根据所述若干个光斑图像确定每一个所述代表性定日镜的跟踪精度和光学精度；

获取所述代表性定日镜的跟踪精度包括：

以所述标靶的图像的中心为坐标原点，建立直角坐标系；

将每一个所述代表性定日镜在所述标靶上形成的所述若干个光斑图像分别置于所述直角坐标系中；

确定每一个所述光斑图像中的光斑的几何中心在所述直角坐标系中的光斑几何中心坐标；

根据每一个所述光斑几何中心坐标的坐标值，计算所述代表性定日镜的跟踪精度，所述代表性定日镜的跟踪精度由以下公式表示：

，

式中，x表示光斑几何中心坐标的x坐标值，y表示光斑几何中心坐标的y坐标值，

表示n 个光斑几何中心坐标的x坐标值的平均值，

表示n个光斑几何中心坐标的y坐标值的平均 值，n表示一个代表性定日镜在标靶上形成的光斑图像的个数，

表示一个代表性定 日镜在x坐标方向的跟踪误差，

表示一个代表性定日镜在y坐标方向的跟踪误差，

表示一个代表性定日镜的二维跟踪误差；

所述获取所述代表性定日镜的光学精度包括：分别对所述代表性定日镜在所述标靶上形成的每一个所述光斑图像进行能量求和；提取所述光斑图像中光斑的能量最大值和能量最小值；通过二分法确定能量值边界，使得所述能量值边界区域内包含的能量占所述光斑整体能量的比例大于能量预设值；获取所述能量值边界在所述直角坐标系中的长轴数值和短轴数值，得到所述代表性定日镜在所述标靶上的实际光斑；根据所述代表性定日镜的光学精度值进行拟合仿真，得到所述代表性定日镜的模拟光斑；根据所述模拟光斑与所述实际光斑的差异，调整所述仿真系统中所述代表性定日镜对应的代表性定日镜仿真模型的光学精度参数值，使所述模拟光斑与所述实际光斑重合；将所述模拟光斑与所述实际光斑重合后的所述模拟光斑的光学精度参数值设定为所述代表性定日镜的光学精度。

2.根据权利要求1所述的定日镜精度检测和仿真系统修正方法，其特征在于，所述对仿真系统中所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜对应的定日镜仿真模型进行修正包括：

根据所述代表性定日镜的所述跟踪精度和所述光学精度，修正所述仿真系统中所述代表性定日镜所在区域的所有定日镜对应的定日镜仿真模型。

3.根据权利要求1所述的定日镜精度检测和仿真系统修正方法，其特征在于，所述预设偏差值为5%。

4.根据权利要求1所述的定日镜精度检测和仿真系统修正方法，其特征在于，所述能量预设值为90%。

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