CN115096265B - 一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，包括光轴与聚光器方位轴平行的准直光学成像模块、水银镜面模块、图像处理器和跟踪控制器；准直光学成像模块包括在固定筒内且同轴的分划板和准直物镜、相机和点光源等；分划板表面设有刻度且中心设细孔并在准直物镜的焦点，相机朝向分划板；点光源在分划板中心且光只射向准直物镜；水银镜面模块在准直光学成像模块下的地面，以容器盛装液态水银并用玻璃板密封；当聚光器方位轴倾斜时点光源经准直物镜和水银镜面成像于分划板但偏离中心，相机拍照后传给图像处理器计算方位轴倾斜误差，并反馈给跟踪控制器校正聚光器跟踪误差，本发明具有结构简单、测量方便且精度高等优点。

Description

一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统

技术领域

本发明属于太阳能聚光利用领域，涉及一种太阳能聚光器的方位轴倾斜监测系统，尤其是一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统。

背景技术

太阳能是清洁环保、储量巨大和分布广泛的可再生能源，开发和利用太阳能资源进行太阳能聚光热发电利用在应对气候变化、绿色低碳发展中不可或缺，也是实现未来能源结构升级的重要途径之一。聚光器是太阳能聚光热发电中不可或缺的光学装置，它能将低密度太阳光能聚集到较小面积的接收器上形成高密度能量，使工质获得更高温度，从而提升整个太阳能热发电系的光-电能量转换效率。例如，太阳能塔式热发系统中使用的定日镜和碟式/斯特林热发电系统中使用的抛物碟式聚光器等。

高度-方位双轴跟踪方式是目前定日镜和碟式聚光器应用最为广泛的双轴跟踪太阳的方式，其中固定轴是方位旋转轴，它竖直向上且与地平面垂直，而从动轴是高度旋转轴，它沿水平方向。聚光器的高度-方位双轴跟踪通常采用以太阳位置信息为基础的开环控制策略，理论而言其跟踪精度满足工程应用需求。然而，由于聚光器中高度-方位双轴跟踪装置在制造、安装与服役过程中不可避免地存在或引入误差。其中，碟式聚光器或定日镜的支撑立柱安装误差和长达20余年的服役过程会导致地基沉降，均会引起支撑立柱产生倾斜，从而破坏了支撑立柱轴线(方位轴)与地平面的垂直关系而导致跟踪误差产生，由于长期服役中立柱倾斜误差将逐渐发生变化，其误差准确的监测对提升其跟踪精度尤为重要。目前，对太阳能聚光器的方位轴倾斜误差监测关注非常少，很难适应大规模商业化太阳能聚光电站的建设与长期高效安全服役运营。因此，发明创造一种安装简单和测量精度高的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统尤为重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，它具有结构简单且测量精度高的优点。

本发明采用的技术方案是：一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，包括固定在聚光器的高度-方位双轴跟踪装置中方位旋转模块上的准直光学成像模块、固定在地基上的水银镜面模块、图像处理器和跟踪控制器；所述的准直光学成像模块包括圆柱管形的固定筒、安装在固定筒上端的上端盖板、位于固定筒内且同轴布置的分划板和准直物镜、位于固定筒内的相机和点光源；准直物镜靠近固定筒的下端，分划板表面设有刻度标尺且中心设有细小通孔并位于准直物镜上方的焦点；相机固定于上端盖板且镜头朝向分划板；点光源固定于分划板中心通孔且出射光只从该通孔射向准直物镜；所述的水银镜面模块包括位于准直光学成像模块正下方并固定在地基上的上端开口的容器、位于该容器内的液态水银和密封该容器上端开口的透明光学材料的玻璃板；所述的准直光学成像模块的准直物镜的轴线与方位旋转模块的方位轴平行，当聚光器方位轴无倾斜时点光源经准直物镜和液态水银表面后成像在分划板的中心位置，而当聚光器方位轴倾斜时点光源经准直物镜和液态水银表面后成像在分划板上但偏离中心，通过相机拍照后传输给图像处理器计算得到方位轴倾斜误差，并反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差校正。

上述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的方位旋转模块的圆柱侧面凸出块设有与方位轴轴线平行的圆柱通孔；所述的准直光学成像模块的固定筒安装于此圆柱通孔，且准直物镜与该圆柱通孔共轴线。

上述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的分划板是薄圆柱形且与准直物镜共轴安装的光学玻璃平板，它面向相机的一侧表面同心等间距的设置有若干圆形刻度线，沿圆周方向设有由分划板的圆心向外辐射的若干等夹角的刻度线，在分划板圆周的左右像限位置设有两个半径不等的圆点，用于标记正东和正西方向；所述的刻度线和圆点标识均为光学回射材料制造。

上述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的准直光学成像模块还包括固定于上端盖板且面向分划板的补光装置、安装在固定筒下端且位于准直物镜下方的透明光学材料的光学平板；所述的固定筒的内表面为黑色吸光的哑光表面，避免光散射对成像的影响。

上述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的水银镜面模块还包括位于地基和容器之间的用于隔振的隔振垫、用于非工作时间罩住玻璃板且采用低导热材料制造的保温盖板；所述的容器的外表面涂覆有隔热涂层，容器的壁中设有若干流道，流道中通有冷却水。

上述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的图像处理器接收相机采集的分划板图像进行数据处理的方法包括，对图像中的点光源成像的光斑计算其能量质心，并根据分划板的刻度来确定该光斑质心在分划板上的径向距离和周向角值；然后根据准直物镜的焦距参数，以径向距离和周向角坐标值求解确定聚光器方位轴倾斜误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）本发明提供一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，具有结构简单、测量方便、长期监测且测量精度高的优点。2）通过将准直光学成像模块的光轴与聚光器方位轴平行安装，然后采用水银镜面模块中的水银实现绝对平行于地平面的镜面，当聚光器方位轴倾斜时准直光学成像模块的点光源经准直物镜和液态水银表面后成像在分划板上但偏离其中心，通过相机拍照后传输给图像处理器计算得到方位轴倾斜误差，并反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差校正。3）本发明能够用于太阳能聚光器方位轴的安装校准与长时间服役运行过程中位姿监测，能有效提升太阳能聚光运行的跟踪精度。

附图说明

图1为本发明聚光器方位轴倾斜监测系统的原理图。

图2为本发明聚光器方位轴倾斜监测系统中准直光学成像模块的剖视图。

图3为本发明聚光器方位轴倾斜监测系统中水银镜面模块的剖视图。

图4为图1中分划板的俯视图。

图5为本发明方位轴倾斜监测系统应用案例的碟式聚光器的轴测图。

图中：1-支撑立柱；2-聚光模块；3-双轴跟踪装置；301-方位旋转模块；302-定位机架；4-准直光学成像模块；401-上端盖板；402-相机；403-点光源；404-分划板；4041-径向标尺；4042-标志点；4043-周向标尺；405-准直物镜；406-固定筒；407-光学平板；5-水银镜面模块；501-保温盖板；502-玻璃板；503-液态水银；504-容器；505-隔振垫；6-图像处理器；7-跟踪控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-图5所示，本发明的一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，包括固定于地基且竖直向上的支撑立柱1、安装在支撑立柱1顶端的高度-方位双轴跟踪装置3、与高度-方位双轴跟踪装置3铰接的聚光模块2，还包括固定在聚光器的高度-方位双轴跟踪装置3中方位旋转模块301上的准直光学成像模块4、固定在地基上的水银镜面模块5、图像处理器6和跟踪控制器7；所述的准直光学成像模块4包括圆柱管形的固定筒406、安装在固定筒406上端的上端盖板401、位于固定筒406内且同轴布置的分划板404和准直物镜405、位于固定筒406内的相机402和点光源403；准直物镜405靠近固定筒406的下端，分划板404表面设有刻度标尺且中心设有细小通孔并位于准直物镜405上方的焦点；相机402固定于上端盖板401且镜头朝向分划板404；点光源403固定于分划板404中心通孔且出射光只从该通孔射向准直物镜405；所述的水银镜面模块5包括位于准直光学成像模块4正下方并固定在地基上的上端开口的容器504、位于该容器504内的液态水银503和密封该容器504上端开口的透明光学材料的玻璃板502；所述的准直光学成像模块4的准直物镜405的轴线与方位旋转模块301的方位轴平行，当聚光器方位轴无倾斜时点光源403经准直物镜405和液态水银表面后成像在分划板404的中心位置，而当聚光器方位轴倾斜时点光源403经准直物镜405和液态水银表面后成像在分划板404上但偏离中心，通过相机402拍照后传输给图像处理器6计算得到方位轴倾斜误差，并反馈给跟踪控制器7对聚光器跟踪进行误差校正。所述的图像处理器接收相机采集的分划板图像进行数据处理的方法包括，对图像中的点光源成像的光斑计算其能量质心，并根据分划板的刻度来确定该光斑质心在分划板上的径向距离和周向角值；然后根据准直物镜的焦距参数，以径向距离和周向角坐标值求解确定聚光器方位轴倾斜误差。

如图1和2所示，所述的方位旋转模块301的圆柱侧面凸出块设有与方位轴轴线平行的圆柱通孔；所述的准直光学成像模块4的固定筒406安装于此圆柱通孔，且准直物镜405与该圆柱通孔共轴线。

如图4所示，所述的分划板404是薄圆柱形且与准直物镜405共轴安装的光学玻璃平板，它面向相机402的一侧表面同心等间距的设置有若干圆形刻度线，即径向标尺4041；沿圆周方向设有由分划板的圆心向外辐射的若干等夹角的刻度线，即周向标尺4043；在分划板圆周的左右像限位置设有两个半径不等的圆点标志点4042，用于标记正东和正西方向；所述的刻度线和圆点标志点均为光学回射材料制造，使得微小补光就能通过相机拍摄清晰整个分划板刻度及其成像在其上的点光源像点。

优选的，所述的准直光学成像模块还包括固定于上端盖板且面向分划板的补光装置、安装在固定筒下端且位于准直物镜下方的透明光学材料的光学平板；所述的固定筒的内表面为黑色吸光的哑光表面，避免光散射对成像的影响。

如图3所示，所述的水银镜面模块5还包括位于地基和容器504之间的用于隔振的隔振垫505、用于非工作时间罩住玻璃板且采用低导热材料制造的保温盖板501；所述的容器的外表面涂覆有隔热涂层，容器的壁中设有若干流道，流道中通有冷却水。

Claims (5)

1.一种准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征在于：包括固定在聚光器的高度-方位双轴跟踪装置中方位旋转模块上的准直光学成像模块、固定在地基上的水银镜面模块、图像处理器和跟踪控制器；所述的准直光学成像模块包括圆柱管形的固定筒、安装在固定筒上端的上端盖板、位于固定筒内且同轴布置的分划板和准直物镜、位于固定筒内的相机和点光源；准直物镜靠近固定筒的下端，分划板表面设有刻度标尺且中心设有细小通孔并位于准直物镜上方的焦点；相机固定于上端盖板且镜头朝向分划板；点光源固定于分划板中心通孔且出射光只从该通孔射向准直物镜；所述的水银镜面模块包括位于准直光学成像模块正下方并固定在地基上的上端开口的容器、位于该容器内的液态水银和密封该容器上端开口的透明光学材料的玻璃板；所述的准直光学成像模块的准直物镜的轴线与方位旋转模块的方位轴平行，当聚光器方位轴无倾斜时点光源经准直物镜和液态水银表面后成像在分划板的中心位置，而当聚光器方位轴倾斜时点光源经准直物镜和液态水银表面后成像在分划板上但偏离中心，通过相机拍照后传输给图像处理器计算得到方位轴倾斜误差，并反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差校正；所述的图像处理器计算方位轴倾斜误差的方法步骤为，对图像中的点光源成像的光斑计算其能量质心，并根据分划板的刻度来确定该光斑质心在分划板上的径向距离和周向角值；然后根据准直物镜的焦距参数，以径向距离和周向角坐标值求解确定聚光器方位轴倾斜误差。

2.根据权利要求1所述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的方位旋转模块的圆柱侧面凸出块设有与方位轴轴线平行的圆柱通孔；所述的准直光学成像模块的固定筒安装于此圆柱通孔，且准直物镜与该圆柱通孔共轴线。

3.根据权利要求1所述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的分划板是薄圆柱形且与准直物镜共轴安装的光学玻璃平板，它面向相机的一侧表面同心等间距的设置有若干圆形刻度线，沿圆周方向设有由分划板的圆心向外辐射的若干等夹角的刻度线，在分划板圆周的左右像限位置设有两个半径不等的圆点，用于标记正东和正西方向；所述的刻度线和圆点标识均为光学回射材料制造。

4.根据权利要求1所述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的准直光学成像模块还包括固定于上端盖板且面向分划板的补光装置、安装在固定筒下端且位于准直物镜下方的透明光学材料的光学平板；所述的固定筒的内表面为黑色吸光的哑光表面，避免光散射对成像的影响。

5.根据权利要求1所述的准直光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的水银镜面模块还包括位于地基和容器之间的用于隔振的隔振垫、用于非工作时间罩住玻璃板且采用低导热材料制造的保温盖板；所述的容器的外表面涂覆有隔热涂层，容器的壁中设有若干流道，流道中通有冷却水。