CN115096279A - 基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统 - Google Patents

基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统 Download PDF

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颜健
胡耀松
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Abstract

本发明公开了一种基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，包括共轴依次串行固定的铅锤摆模块、光学放大成像模块和图像采集模块，以及处理图像得到方位轴倾斜误差的图像处理器、根据误差校正聚光器跟踪的跟踪控制器。本发明通过在铅锤摆模块的摆杆末端设置点光源，将点光源的微小偏移距离通过光学放大成像模块的凸透镜放大成像在带刻度的分划板上，然后通过图像采集模块的相机拍照并后期图像处理得到摆杆因重力产生的倾斜夹角和倾斜方向，反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差补偿来提升其服役跟踪精度。本发明能够用于太阳能聚光器方位轴的安装校准与长期服役的位姿监测，具有结构简单、测量方便且精度高等优点。

Description

基于铅锤和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，尤其是一种基于铅锤和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，本发明提供一种结合铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，具有结构简单且测量精度高的优点。它是通过在铅锤摆杆的末端设置点光源，并将点光源的微小偏移距离通过凸透镜放大成像在带刻度的分划板上，然后采用相机拍照并测量得到摆杆因重力作用产生的倾斜夹角和倾斜方向，最终反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差补偿来提升其服役跟踪精度。
本发明采用的技术方案是：一种基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，包括共轴线依次串行固定连接的铅锤摆模块、光学放大成像模块和图像采集模块，以及接收图像采集模块中相机拍摄的图像并处理得到方位轴倾斜误差值的图像处理器、接收图像处理器传输的方位轴倾斜误差值并用于校正聚光器跟踪的跟踪控制器；所述的铅锤摆模块包括固定在圆柱形筒Ⅰ内下端的透明光学材料的平行平板、同轴安装在筒Ⅰ上端的上端盖、一端带有球头且与上端盖的中心位置的球凹面进行球铰连接且位于筒Ⅰ内的细长圆柱形摆杆、安装在摆杆末端的铅坠和位于摆杆轴线上的点光源，该上端盖的球凹面的球心位于筒Ⅰ的轴线上，摆杆的球头中心位于其轴线上；所述的光学放大成像模块包括与筒Ⅰ末端同轴固定连接的筒Ⅱ、同轴安装在筒Ⅱ内实现点光源成放大实像的凸透镜、位于凸透镜下方且表面设有刻度标尺的分划板，该点光源经过凸透镜成像在分划板上；所述的图像采集模块包括与筒Ⅱ下端同轴固定连接的支撑底座、位于支撑底座内且镜头轴线垂直面向分划板进行成像的相机；所述的支撑底座通过底部法兰固定在聚光器的立柱上，且筒Ⅰ的轴线与聚光器的方位轴是共轴或平行，当聚光器方位轴无倾斜时摆杆末端点光源经透镜成像在分划板的中心，而当聚光器方位轴倾斜时重力作用下摆杆倾斜，点光源经透镜成像在分划板上且偏离中心，再通过相机拍照后传输给图像处理器计算得到倾斜误差，并反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差补偿。
上述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的点光源是由激光器产生，该激光器固定在摆杆下端同轴设置的圆柱孔内；所述的铅坠为质量较大且固定在摆杆下端的锥状结构，该铅坠设有与摆杆共轴的细圆柱孔；激光器发出光线射向该细圆柱孔后形成细光束的点光源。
上述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的点光源是由激光器产生；所述的铅坠为质量较大且固定在摆杆下端的锥状结构，该铅坠的尖端设置有与摆杆共轴的圆柱孔；该激光器同轴安装在圆柱孔内，激光器的灯头侧安装有一个带细小圆孔的非透明材料的遮光板，激光器的发出光线通过该细小圆孔后形成细光束的点光源。
上述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的摆杆下端的点光源与凸透镜的距离是透镜的2倍焦距和1倍焦距之间，且点光源经过凸透镜成放大实像于分划板上。
上述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的图像采集模块还包括位于支撑底座内的补光装置，补充光能来改善相机拍摄成像质量；所述的筒Ⅰ、筒Ⅱ和支撑底座的内表面均为黑色吸光的哑光表面，避免光散射对成像的影响。
上述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的铅锤摆模块还包括密封盛装在筒Ⅰ内的呈透明状的液体介质，摆杆下方一定区域位于该液体介质中；所述的液体介质可以是蒸馏水或油液。
上述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统中，所述的支撑底座通过法兰固定连接在聚光器的立柱顶端或立柱的侧面，且筒Ⅰ的轴线与聚光器的方位轴是共轴或平行。
上述的基于铅锤和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筒Ⅱ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。
上述的基于铅锤和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；然后根据凸透镜的焦距和物距参数，以径向距离和周向角坐标值求解摆杆末端点光源偏移方位轴线的距离和圆周方向；最后再结合摆杆长度来计算其摆动角度，此角度就是聚光器方位轴倾斜角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1) 本发明提供一种结合铅锤和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)它采用在铅锤摆杆的末端设置点光源，并将点光源的微小偏移距离通过凸透镜放大成像在带刻度的分划板上，然后通过相机拍照并进行图像处理测量得到摆杆因重力作用产生的倾斜夹角和倾斜方向，最终反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差补偿来提升其服役跟踪精度。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的轴测图。
图3为图1中A区域的放大图。
图4为图1中点光源采用方案1固定时B区域的放大图。
图5为图1中点光源采用方案2固定时B区域的放大图。
图6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7为本发明方位轴倾斜监测系统安装在立柱顶端。
图8为本发明方位轴倾斜监测系统安装在立柱侧面。
图9为图1中分划板的俯视图。
图中：1-铅锤摆模块；101-上端盖；102-球铰盖；103-摆杆；104-筒Ⅰ；105-激光器；106-铅坠；107-平行平板；108-液体介质；109-遮光板；2-光学放大成像模块；201-凸透镜；202-筒Ⅱ；203-分划板；2031-径向标尺；2032-标志点；2033-周向标尺；3-图像采集模块；301-相机；302-支撑底座；4-图像处理器；5-跟踪控制器；6-立柱；7-聚光装置；8-双轴跟踪装置；9-方位轴倾斜监测装置；10-连接法兰。
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3所示，本发明的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，包括共轴线依次串行固定连接的铅锤摆模块1、光学放大成像模块2和图像采集模块3，以及接收图像采集模块3中相机301拍摄的图像并处理得到方位轴倾斜误差值的图像处理器4、接收图像处理器4传输的方位轴倾斜误差值并用于校正聚光器跟踪的跟踪控制器5；所述的铅锤摆模块1包括固定在圆柱形筒Ⅰ 104内下端的透明光学材料的平行平板107、同轴安装在筒Ⅰ 104上端的上端盖101、一端带有球头且与上端盖101的中心位置的球凹面进行球铰连接且位于筒Ⅰ 104内的细长圆柱形摆杆103、安装在摆杆103末端的铅坠106和位于摆杆103轴线上的点光源，该上端盖101的球凹面的球心位于筒Ⅰ 104的轴线上，摆杆103的球头中心位于其轴线上；所述的光学放大成像模块2包括与筒Ⅰ 104末端同轴固定连接的筒Ⅱ 202、同轴安装在筒Ⅱ202内实现点光源成放大实像的凸透镜201、位于凸透镜201下方且表面设有刻度标尺的分划板203，该点光源经过凸透镜201成像在分划板203上；所述的图像采集模块3包括与筒Ⅱ202下端同轴固定连接的支撑底座302、位于支撑底座302内且镜头轴线垂直面向分划板203进行成像的相机301；所述的支撑底座302通过底部法兰固定在聚光器的立柱6上，且筒Ⅰ104的轴线与聚光器的方位轴是共轴或平行，当聚光器方位轴无倾斜时摆杆103末端点光源经凸透镜201成像在分划板203的中心，而当聚光器方位轴倾斜时重力作用下摆杆103倾斜，点光源经凸透镜201成像在分划板203上但偏离其中心，再通过相机301拍照后传输给图像处理器4计算得到倾斜误差，并反馈给跟踪控制器5对聚光器跟踪进行误差补偿。所述的图像处理器4接收相机301采集的分划板和光斑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203的刻度来确定该光斑质心在分划板203上的径向距离和周向角值；然后根据凸透镜201的焦距和物距参数，以径向距离和周向角坐标值求解摆杆103末端点光源偏移方位轴线的距离和圆周方向；最后再结合摆杆103长度来计算其摆动角度，此角度就是聚光器方位轴倾斜角度。
如图4所示为点光源采用方案1时的局部放大图，所述的点光源是由激光器105产生，该激光器105固定在摆杆103下端同轴设置的圆柱孔内；所述的铅坠106为质量较大且固定在摆杆103下端的锥状结构，该铅坠106设有与摆杆103共轴的细圆柱孔；激光器105发出光线射向该细圆柱孔后形成细光束的点光源。
如图5所示为点光源采用方案2时的局部放大图，所述的点光源仍然由激光器产生；所述的铅坠106为质量较大且固定在摆杆103下端的锥状结构，该铅坠106的尖端设置有与摆杆103共轴的圆柱孔；该激光器105同轴安装在圆柱孔内，激光器105的灯头侧安装有一个带细小圆孔的非透明材料的遮光板108，激光器105的发出光线通过该细小圆孔后形成细光束的点光源。
如图1所示，所述的摆杆103下端的点光源与凸透镜201的距离是该透镜的2倍焦距和1倍焦距之间，且点光源经过凸透镜201成放大实像于分划板203上；所述的图像采集模块3还包括位于支撑底座302内的补光装置，补充光能来改善相机拍摄成像质量；所述的筒Ⅰ104、筒Ⅱ 202和支撑底座302的内表面均为黑色吸光的哑光表面，避免光散射对成像的影响。
如图1所示，优选地，所述的铅锤摆模块1还包括密封盛装在筒Ⅰ 104内的呈透明状的液体介质108，摆杆103下方一定区域位于该液体介质108中；所述的液体介质可以是蒸馏水或油液，可以增加摆杆103因重力运动的阻尼力，这样使得测量更为稳定和准确。
如图9所示，所述的分划板203是薄圆柱形且与筒Ⅱ 202共轴安装的光学玻璃平板，它面向相机301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2031，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2033，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2032，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。
如图6-图8所示，所述的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统的支撑底座302通过法兰固定连接在聚光器的立柱顶端或立柱的侧面，且筒Ⅰ 104的轴线与聚光器的方位轴是共轴或平行；图6是将本发明的监测系统安装在聚光器立柱顶端的双轴跟踪装置上，使其筒Ⅰ104的轴线与双轴跟踪装置的方位轴同轴布置；图7是将本发明的监测系统安装在聚光器立柱侧面的一个连接法兰上，使其筒Ⅰ 104的轴线与双轴跟踪装置的方位轴平行布置。

Claims (9)

1.一种基于铅锤和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：包括共轴线依次串行固定连接的铅锤摆模块、光学放大成像模块和图像采集模块，以及接收图像采集模块中相机拍摄的图像并处理得到方位轴倾斜误差值的图像处理器、接收图像处理器传输的方位轴倾斜误差值并用于校正聚光器跟踪的跟踪控制器；所述的铅锤摆模块包括固定在圆柱形筒Ⅰ内下端的透明光学材料的平行平板、同轴安装在筒Ⅰ上端的上端盖、一端带有球头且与上端盖的中心位置的球凹面进行球铰连接且位于筒Ⅰ内的细长圆柱形摆杆、安装在摆杆末端的铅坠和位于摆杆轴线上的点光源，该上端盖的球凹面的球心位于筒Ⅰ的轴线上，摆杆的球头中心位于其轴线上；所述的光学放大成像模块包括与筒Ⅰ末端同轴固定连接的筒Ⅱ、同轴安装在筒Ⅱ内实现点光源成放大实像的凸透镜、位于凸透镜下方且表面设有刻度标尺的分划板，该点光源经过凸透镜成像在分划板上；所述的图像采集模块包括与筒Ⅱ下端同轴固定连接的支撑底座、位于支撑底座内且镜头轴线垂直面向分划板进行成像的相机；所述的支撑底座通过底部法兰固定在聚光器的立柱上，且筒Ⅰ的轴线与聚光器的方位轴是共轴或平行，当聚光器方位轴无倾斜时摆杆末端点光源经透镜成像在分划板的中心，而当聚光器方位轴倾斜时重力作用下摆杆倾斜，点光源经透镜成像在分划板上且偏离中心，再通过相机拍照后传输给图像处理器计算得到倾斜误差，并反馈给跟踪控制器对聚光器跟踪进行误差补偿。
2.根据权利要求1所述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的点光源是由激光器产生，该激光器固定在摆杆下端同轴设置的圆柱孔内；所述的铅坠为质量较大且固定在摆杆下端的锥状结构，该铅坠设有与摆杆共轴的细圆柱孔；激光器发出光线射向该细圆柱孔后形成细光束的点光源。
3.根据权利要求1所述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的点光源是由激光器产生；所述的铅坠为质量较大且固定在摆杆下端的锥状结构，该铅坠的尖端设置有与摆杆共轴的圆柱孔；该激光器同轴安装在圆柱孔内，激光器的灯头侧安装有一个带细小圆孔的非透明材料的遮光板，激光器的发出光线通过该细小圆孔后形成细光束的点光源。
4.根据权利要求1所述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的摆杆下端的点光源与凸透镜的距离是透镜的2倍焦距和1倍焦距之间，且点光源经过凸透镜成放大实像于分划板上。
5.根据权利要求1所述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的图像采集模块还包括位于支撑底座内的补光装置，补充光源来改善相机拍摄成像质量；所述的筒Ⅰ、筒Ⅱ和支撑底座的内表面均为黑色吸光的哑光表面，避免光散射对成像的影响。
6.根据权利要求1所述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的铅锤摆模块还包括密封盛装在筒Ⅰ内的呈透明状的液体介质，摆杆下方一定区域位于该液体介质中；所述的液体介质可以是蒸馏水或油液。
7.根据权利要求1所述的基于铅锤和光学成像的太阳能聚光器方位轴倾斜监测系统，其特征是：所述的支撑底座通过法兰固定连接在聚光器的立柱顶端或立柱的侧面，且筒Ⅰ的轴线与聚光器的方位轴是共轴或平行。
8.根据权利要求1所述的基于铅锤和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筒Ⅱ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。
9.根据权利要求1所述的基于铅锤和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；然后根据凸透镜的焦距和物距参数，以径向距离和周向角坐标值求解摆杆末端点光源偏移方位轴线的距离和圆周方向；最后再结合摆杆长度来计算其摆动角度，此角度就是聚光器方位轴倾斜角度。
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