CN114779430A - 一种太阳能反射镜面形调整方法 - Google Patents

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张喜良
郭明焕
白凤武
王志峰
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Abstract

本发明提供一种太阳能反射镜面形调整方法，在反射镜焦点以内处放置CCD相机(3)和成像框(4)，由计算机(1)控制CCD相机(3)采集成像框(4)在反射镜(5)的图像(6)，观察图像(6)在反射镜(5)中的位置；利用反射镜(5)支撑结构，调整成像框(4)在反射镜(5)中图像(6)的位置，使其达到设计位置，表明反射镜面形调整结束。本发明不依赖于外部光源，对反射镜形状没有特别要求，是一种快速、简易、高效的反射镜面形调整方法。

Description

一种太阳能反射镜面形调整方法
技术领域
本发明属于太阳能领域，具体涉及一种太阳能反射镜面形调整方法。
背景技术
太阳炉是太阳能中高温热利用的重要形式之一，可将低密度太阳辐射能量高精度反射汇聚到较小区域，实现超高温度(＞1000℃)和极强的能流密度，可实现常规手段难以获得的极端高温环境，能够广泛应用于材料、化工和太阳能发电等诸多领域的基础和应用研究。通常情况下，太阳炉系统是由平面型定日镜、二次聚光器及吸热器组成，其中定日镜将太阳光平行反射至二次聚光器上，再由二次聚光器将太阳辐射汇聚至吸热器。二次聚光器由数量众多的单元曲面反射镜拼接形成完整的旋转抛物面或球面，以达到较高的光学性能，实现较好的聚光效果。
单元反射镜通过其多点支撑结构形成双曲抛物面形状，并安装在二次聚光器支架上，形成二次聚光器的反射机构。单元反射镜调整，是指将反射镜支撑点调整到设计要求的位置上，以完成精确反射镜聚光的功能。现有反射镜面形调整技术：一种太阳能反射镜检测调焦方法装置及系统(中国发明专利，CN201410376409.3)提出了采用多个激光发射器组成平面，通过检测判断激光器所发射激光经反射镜反射后是否进入预设区域内来完成反射镜面形的检测及调整。此技术应用在二次聚光器单元反射镜面形调整中效率较低，同时依赖于外部光源，另外检测过程中若反射镜面形误差较大其反射的激光点区域可能发生重叠引起检测误差。因此需要一种不依赖外部光源的高效、快速、简易反射镜面形调整方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种高效、快速、简便的太阳能反射镜面形调整方法。
太阳炉的二次聚光器的单元反射镜一般为长方形或正方形，其面形可近似认为是一球面。利用球面反射镜的几何光学性质，即平行光束经反射镜反射后汇聚至焦点处：在单元反射镜焦点以内处放置CCD相机，同时在反射镜焦点以内处放置成像框；利用CCD相机观察成像框在单元反射镜中的成像位置，通过调整反射镜的支撑结构，直至反射镜中成像框的图像处于设计位置区域，表示反射镜支撑结构调整到位。
本发明的太阳能反射镜面形调整方法包括以下步骤：
(1)将反射镜安装在调整支架上，反射镜主光轴平行于地面；CCD相机安装在反射镜焦点以内，其镜头朝向反射镜反射面，CCD相机光轴与反射镜主光轴重合；成像框安装至反射镜焦点以内，成像框中心位于反射镜主光轴上，成像框平面垂直于地面，成像框平面与CCD相机镜头平面重合；
(2)使得反射镜的中心、成像框的中心、CCD相机的中心处于同一条线，且处于同一高度；
(3)将CCD相机连接至计算机，调整CCD相机关键参数：光圈、焦距、曝光量至合理值，使得CCD相机能够观察到成像框在反射镜中的全部、清晰的成像；所述关键参数固定后，在反射镜的调整过程中保持不变；
(4)通过CCD相机观察反射镜是否有成像框的图像：如果观察到反射镜中的成像框的图像，则说明反射镜、CCD相机、成像框三者之间的相对位置合适；如果观察不到反射镜中的成像框的图像，则需要调整反射镜的支撑结构，直至反射镜中出现成像框的图像；同时，通过调整反射镜的支撑结构，直至反射镜中成像框的图像处于设计位置时，表明反射镜面形调整结束。
进一步地，所述反射镜的形状是正方形、长方形或圆形；反射镜的曲面是球面、抛物面或平面。
进一步地，所述成像框与反射镜的尺寸相等或不等、形状相同或不同。
本发明具有以下特点：
1、本发明中反射镜面形调整过程不依赖于外部光源，可在室内操作完成；
2、本发明中待调整反射镜形状是正方形、长方形、圆形或其它形状；
3、本发明中反射镜面形调整方法只利用到CCD相机、成像框和计算机等设备。基于几何光学原理，利用机器视觉实现反射镜面形的快速调整；
4、本发明是一种简易、快速的反射镜面形调整方法。
附图说明
图1是本发明的太阳能反射镜面形调整方法示意图；
图2是本发明的成像框与CCD相机的正视图；
图3是本发明的CCD相机采集的反射镜与成像框图像的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的太阳能反射镜面形调整方法利用计算机1、CCD相机3、成像框4和反射镜5。所述成像框4的中心与CCD相机3的中心位于反射镜5的主光轴上，且在反射镜5的焦点2以内。面向反射镜5的成像框4的平面与CCD相机3镜头的平面重合，且垂直于反射镜5的主光轴；所述计算机1控制CCD相机3采集反射镜5与成像框4的图像。如图2所示，本发明的成像框4和CCD相机3的正视图，CCD相机3的中心位于成像框4的中心处；如图3所示，CCD相机3采集的反射镜5的第三图像9和成像框4的第二图像6。
所述反射镜5的形状是正方形、长方形、圆形或其它形状；反射镜曲面是球面、抛物面、平面或其它面形。
所述成像框4可以与反射镜5尺寸相等、形状相同，也可以是其它形状和尺寸。
本发明的太阳能反射镜面形调整方法包括以下步骤：
1、将反射镜5垂直安装固定在调整支架上，使其主光轴平行于地面，并根据反射镜5的焦距12确定焦点2位置。
2、所述CCD相机3安装在反射镜5的焦点2以内，其镜头朝向反射镜5的反射面；成像框4安装至反射镜5的焦点2以内，成像框4平面垂直于地面面向反射镜5，且垂直于反射镜5的主光轴，成像框4平面与CCD相机3的镜头平面重合。与反射镜5的顶点15相距距离13处安装成像框4和CCD相机3，成像框4中心与CCD相机3中心位于反射镜5的主光轴上，成像框4具有边框宽度8。反射镜5的中心、成像框4的中心、CCD相机3的中心处于同一条线，且处于同一高度。
3、CCD相机设置。计算机1连接CCD相机3，通过计算机1设置CCD相机3的参数：光圈、焦距、曝光量至合理值，使得CCD相机3能清晰、全面采集到反射镜5图像和成像框4在反射镜5中的全部、清晰的成像。此类参数固定后，在反射镜5的调整过程中保持不变。
4、反射镜5面形调整。通过CCD相机3观察反射镜5区域是否有成像框4的图像：如果观察到反射镜5中的成像框4的图像，则说明反射镜5、CCD相机3、成像框4三者之间的相对位置合适；如果观察不到反射镜5中的成像框4的图像，则需要调整反射镜5的支撑结构，直至反射镜5中出现成像框4的图像。同时，通过调整反射镜5的支撑结构，直至反射镜5中成像框4的图像处于设计位置时，表明反射镜5的面形调整结束。
具体地，根据凹面镜成像原理，物距、像距、焦距的关系为：
Figure BDA0003594946190000041
其中，u表示为物距，即成像框4与反射镜5顶点15的距离13；v表示为像距，即成像框4在反射镜5中的第一图像7与反射镜5顶点15的距离14，由于成像框4位于反射镜5的焦点2以内，因此第一图像7为虚像；f为反射镜5的焦距12，即反射镜5的顶点15与焦点2的距离。由于物距u和焦距f已知，因此由公式(1)可得到像距v。结合成像框4、CCD相机3以及成像框4在反射镜5中的第一图像7的位置，基于几何光学原理，可得到CCD相机3采集的成像框4的边框在反射镜5中的第二图像6、反射镜5的第三图像9的理论位置，即第二图像6外边缘与第三图像9边缘的第一、第二理论距离10和11。
根据步骤4得到的第二图像6外边缘与第三图像9边缘的第一、第二理论距离10和11，通过调整反射镜5的支撑结构，直至CCD相机3实际采集的反射镜5的第三图像9边缘与成像框4的第二图像6的外边缘的距离分别达到第一、第二理论距离10和11，表明反射镜面形调整完成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种太阳能反射镜面形调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将反射镜安装在调整支架上，反射镜主光轴平行于地面；CCD相机安装在反射镜焦点以内，其镜头朝向反射镜反射面，CCD相机光轴与反射镜主光轴重合；成像框安装至反射镜焦点以内，成像框中心位于反射镜主光轴上，成像框平面垂直于地面，成像框平面与CCD相机镜头平面重合；
(2)使得反射镜的中心、成像框的中心、CCD相机的中心处于同一条线，且处于同一高度；
(3)将CCD相机连接至计算机，调整CCD相机关键参数：光圈、焦距、曝光量至合理值，使得CCD相机能够观察到成像框在反射镜中的全部、清晰的成像；所述关键参数固定后，在反射镜的调整过程中保持不变；
(4)通过CCD相机观察反射镜是否有成像框的图像：如果观察到反射镜中的成像框的图像，则说明反射镜、CCD相机、成像框三者之间的相对位置合适；如果观察不到反射镜中的成像框的图像，则需要调整反射镜的支撑结构，直至反射镜中出现成像框的图像；同时，通过调整反射镜的支撑结构，直至反射镜中成像框的图像处于设计位置时，表明反射镜面形调整结束。
2.根据权利要求1所述的反射镜面形调整方法，其特征在于：所述反射镜的形状是正方形、长方形或圆形；反射镜的曲面是球面、抛物面或平面。
3.根据权利要求1所述的反射镜面形调整方法，其特征在于：所述成像框与反射镜的尺寸相等或不等、形状相同或不同。
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