朱小煒，符偉，張玉霞，王博威

（中廣核太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100048）

一種槽式太陽(yáng)能聚光器安裝質(zhì)量的檢測(cè)方法

朱小煒，符偉，張玉霞，王博威

（中廣核太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100048）

摘 要：為有效提高拋物槽式太陽(yáng)能聚光器的聚光效率，需要對(duì)聚光器各個(gè)反射鏡的安裝位置進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)。本文采用Marposs公司研發(fā)的VISField系統(tǒng)，利用吸熱管反射成像法，根據(jù)相機(jī)與聚光器的相對(duì)位置關(guān)系，推導(dǎo)吸熱管在子鏡中的成像位置，進(jìn)而完成聚光器各子鏡位置誤差的調(diào)整。以全站儀為第三方工具，利用外部靶點(diǎn)信息對(duì)吸熱管進(jìn)行位置調(diào)整以及完成相機(jī)姿態(tài)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。利用本文提出的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)整后各反射鏡的平均截?cái)嘁蜃咏茷?，說(shuō)明吸熱管在子鏡中的實(shí)際成像位置與理論成像位置近似重合，驗(yàn)證了檢測(cè)方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能聚光器；吸熱管；反射成像法；檢測(cè)

0　引言

太陽(yáng)能系統(tǒng)的性能取決于聚光器聚集太陽(yáng)光的效率。聚光器是太陽(yáng)能電站的光能收集單元，一般由大量的子鏡拼接而成，并將太陽(yáng)光聚焦到吸熱管上[1]。將聚光器各子鏡精確地安裝和減小各子鏡的面形誤差，能將太陽(yáng)光最大化地反射到吸熱管上，從而提高吸熱管的截?cái)嘈?。?duì)于拋物槽式太陽(yáng)能聚光器而言，應(yīng)當(dāng)確保：1)吸熱管根據(jù)扭矩管正確安裝；2)為了獲得滿意的截?cái)嘈剩酃馄鞲鱾€(gè)子鏡應(yīng)當(dāng)正確安裝，并且有盡可能小的面形誤差。

攝影測(cè)量法[2]能夠檢測(cè)吸熱管和各子鏡的安裝位置，通過(guò)光線跟蹤來(lái)評(píng)估截?cái)嘈省５摲椒ㄗ畲蟮娜秉c(diǎn)是需要在吸熱管和子鏡上設(shè)定大量的特殊靶標(biāo)，測(cè)量結(jié)束后必須移除這些靶標(biāo)點(diǎn)。因此，對(duì)于成千上萬(wàn)面子鏡構(gòu)成的大型商業(yè)槽式電站，攝影測(cè)量法不能滿足實(shí)際的需求。

1995年，Diver[3]首次提出利用接收靶反射成像法檢測(cè)CPG-460碟式聚光器的面形。而吸熱管反射成像法[4]源于接收靶反射成像法，通過(guò)比較吸熱管在子鏡中的實(shí)際成像位置與理論成像位置，檢測(cè)聚光器面形和各子鏡的位置誤差。但是吸熱管成像法，對(duì)于安裝位置、相機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向要求較高，具體的要求是：要求吸熱管與聚光鏡的轉(zhuǎn)軸保持水平，同時(shí)相機(jī)掃描運(yùn)動(dòng)方向保持豎直。

本文采用Marposs公司研發(fā)的VISField系統(tǒng)利用吸熱管反射成像法，能夠一次性檢測(cè)一個(gè)長(zhǎng)達(dá)12米的太陽(yáng)能模塊，能夠提供：1)截?cái)嘈蕡D；2)聚光器整體的平均截?cái)嘈屎透鱾€(gè)子鏡的平均截?cái)嘈剩?)為了提高截?cái)嘈剩鱾€(gè)子鏡需要調(diào)整的值。同時(shí)利用全站儀在吸熱管與反射鏡外設(shè)置靶標(biāo)，對(duì)吸熱管以及相機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行修正。

1　吸熱管成像測(cè)量法基本原理

吸熱管成像視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)是基于光路可逆性原理?？紤]理想的拋物柱面槽式太陽(yáng)能聚光器的一部分，如圖1所示。將相機(jī)光心Oc看作點(diǎn)光源，射線r經(jīng)過(guò)Oc點(diǎn)，平行于拋物線軸線入射，與拋物線相交于A點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反射后的光線指向拋物槽式太陽(yáng)能聚光器的焦點(diǎn)F，最終與吸熱管相交于B點(diǎn)，則B點(diǎn)與A點(diǎn)和F點(diǎn)在一條直線上。反之，根據(jù)光路可逆性原理，改變光線的傳播方向，從B點(diǎn)發(fā)出的射線，經(jīng)過(guò)A點(diǎn)反射后，必定會(huì)沿著相同的路徑通過(guò)Oc點(diǎn)。位于Oc點(diǎn)的相機(jī)能夠觀察到吸熱管在拋物槽式聚光器表面所形成的黑色圖像，圖像寬度由Xmin和Xmax決定。一方面，除B點(diǎn)外，從吸熱管上其他任意一點(diǎn)發(fā)出的射線經(jīng)過(guò)A點(diǎn)反射都不會(huì)經(jīng)過(guò)Oc點(diǎn)；另一方面，除射線BA外，從B點(diǎn)發(fā)出的其他任意射線均不會(huì)經(jīng)A點(diǎn)反射通過(guò)Oc點(diǎn)。

因此，吸熱管上的點(diǎn)B，聚光器上的點(diǎn)A和相機(jī)圖像上的點(diǎn)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用解析幾何可以計(jì)算出吸熱管的成像邊界點(diǎn)C、D在聚光鏡上的反射點(diǎn)G點(diǎn)和E點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，代入相機(jī)成像的數(shù)學(xué)模型即可計(jì)算出吸熱管在相機(jī)圖像中的理論位置。

在實(shí)際情況下，經(jīng)過(guò)A點(diǎn)反射并且在相機(jī)上成像坐標(biāo)為xc的吸熱管上的點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與太陽(yáng)光入射的光斑中心相一致，光斑半徑可由下式計(jì)算：

s=AB×tan(α) (1)

式中AB為吸熱管與反射點(diǎn)A之間的光線長(zhǎng)度(實(shí)際上，吸熱管的半徑遠(yuǎn)小于焦距長(zhǎng)度，因此有AB≈AF)，表示太陽(yáng)光輻射圓錐角的一半。從Oc點(diǎn)觀察，位于子鏡表面上的假想太陽(yáng)光斑的圖像將位于XSmin和XSmax之間。

圖1　從觀察點(diǎn)Oc觀測(cè)到的吸熱管反射圖像Fig.1 The reflection image of the endothermic tubeobserved from the observation point Oc

如圖2所示，給定Oc點(diǎn)的位置和吸熱管上任意成像點(diǎn)Q，則在拋物柱面鏡上存在唯一一點(diǎn)P，使得從Q點(diǎn)發(fā)出的光線能夠反射回Oc點(diǎn)。分別考慮聚光器子鏡上的反射點(diǎn)P和直線POc和PQ與理想拋物線法線的夾角αi和αr，假設(shè)子鏡表面不存在面型誤差，調(diào)節(jié)P點(diǎn)位置使得αi=αr，則說(shuō)明子鏡位置完全校準(zhǔn)。

假設(shè)由于某種原因使得P點(diǎn)處的斜率偏離理想條件下的角度值為 ，則從Oc點(diǎn)所獲得的吸熱管的圖像將在x軸方向上移動(dòng)距離大約為2×M×δ×FA，其中M為圖像放大倍數(shù)，其值為(xmax-xmin)/2r。因?yàn)槿绻鸓點(diǎn)的斜率變化δ，則反射角增加2δ，因此，反射到吸熱管上的點(diǎn)將移動(dòng)2δ×FA。根據(jù)光路可逆性原理，在相機(jī)中吸熱管上點(diǎn)的圖像將移動(dòng)2×M×δ×FA。如果P點(diǎn)坐標(biāo)位置發(fā)生偏移，也會(huì)出現(xiàn)類似的影響，但是對(duì)于高質(zhì)量的子鏡來(lái)講，其誤差不會(huì)超過(guò)1mm，波動(dòng)非常小，因此可以忽略不計(jì)。

通過(guò)分析吸熱管在相機(jī)圖像中的位置，可以定量獲得子鏡中P點(diǎn)處斜率的偏差大小和局部截?cái)嘁蜃?。設(shè)圖像偏移為Δ，即Δ=2×M×δ×FP，則斜率誤差為

圖2　給定Oc點(diǎn)和吸熱管上的任意點(diǎn)QFig.2 Given point Ocand any point Q on the endothermic tube

局部截?cái)嘈士梢杂晌鼰峁軋D像中的XSmin和XSmax給出。如圖3（a）所示，圖中展示了一個(gè)12米長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)備用模塊的主視圖，拋物槽的開(kāi)口方向平行于水平面，相機(jī)光心Oc大約位于(xc=9m, yc=1.9m)處，圖中從上到下的四條水平線分別對(duì)應(yīng)Xmax，XSmax，XSmin和Xmin。拋物槽式聚光器的下半部分由七面內(nèi)鏡和七面外鏡組成，可以看到七面外鏡中的大部分反射鏡安裝位置都不太理想，根據(jù)XSmin和XSmax所限定的區(qū)域我們可以得出，該區(qū)域布滿吸熱管黑色圖像時(shí)，沿X方向上局部截?cái)嘁蜃訛?，否則需要調(diào)節(jié)反射鏡位置使其滿足該條件，如圖3（a）中吸熱管的圖像所示，調(diào)整各反射鏡的位置，得到如圖3（b）所示結(jié)果，可以看出吸熱管圖像位置已經(jīng)明顯改善。

為了獲得完整的信息，需要沿著X軸方向從拋物線的頂點(diǎn)開(kāi)始到拋物線的外邊界拍攝多幅圖像；從一幀圖像到下一幀圖像的最佳步數(shù)應(yīng)當(dāng)為拋物柱面表面的數(shù)字分辨率，即像素圖像的邊界。以此為標(biāo)準(zhǔn)利用Mpx相機(jī)進(jìn)行拍攝，大約需要拍攝幾百幀圖像。

圖3　太陽(yáng)能聚光器校準(zhǔn)Fig.3 The calibration of solar concentrator

2　基于外部靶點(diǎn)信息的吸熱管位置調(diào)整及相機(jī)姿態(tài)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

吸熱管反射成像法要求對(duì)吸熱管位置進(jìn)行調(diào)整，使其平行于聚光鏡的扭矩管，為解決此問(wèn)題，本文提出了一種根據(jù)外部靶標(biāo)點(diǎn)信息進(jìn)行吸熱管校準(zhǔn)的方法。

首先，在扭矩管所在的直線L1和吸熱管所在的直線L2上設(shè)置靶標(biāo)點(diǎn)A、B、C、D，簡(jiǎn)化模型如圖4所示。其次，利用全站儀測(cè)量四個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算直線L1和L2的方向向量，判斷兩直線是否平行；若不平行，則調(diào)整吸熱管的位置，直至兩直線近似平行位置。最后，輕微調(diào)整吸熱管的位置，使得四個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)在相機(jī)上成像于同一行像素上，則表明吸熱管位置校準(zhǔn)完畢。

圖4　吸熱管校準(zhǔn)簡(jiǎn)化模型Fig.4 A simplified model of theendothermic tube calibration

此外，吸熱管反射成像法要求相機(jī)掃描的運(yùn)動(dòng)方向保持豎直，在實(shí)際操作中難以保證精度。本文利用已知的四個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，可以對(duì)相機(jī)在任意位置的姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。根據(jù)針孔相機(jī)成像的數(shù)學(xué)模型，有式(3)中，相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣已知，平移矩陣T可以通過(guò)相機(jī)移動(dòng)的距離得到，則將四個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)A、B、C、D的世界坐標(biāo)和在相機(jī)圖像中對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)代入式(3)，再利用最小二乘法可求解出旋轉(zhuǎn)矩陣R的三個(gè)參數(shù)，因此可以確定此時(shí)相機(jī)的姿態(tài)。

3　試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

利用本文所述的方法，根據(jù)吸熱管在實(shí)際圖像中的位置與理論圖像中的位置偏差，可以檢測(cè)聚光器的安裝質(zhì)量。圖5(a)表示了在調(diào)整前，聚光器的截?cái)嘁蜃訄D譜；圖5(b)表示了在調(diào)整后，聚光器的截?cái)嘁蜃訄D譜。

圖5　截?cái)嘁蜃訄D譜Fig.5 The map of the intercept factor

圖6　各反射鏡的平均截?cái)嘁蜃覨ig.6 The intercept factor of each mirror

在圖譜中，顏色越深表示截?cái)嘁蜃釉降?，從圖5可知該系統(tǒng)能夠精確的檢測(cè)太陽(yáng)能聚光器的安裝質(zhì)量。為了更加形象的描述聚光器調(diào)整前后的效果，將聚光器各個(gè)反射鏡的平均截?cái)嘁蜃永L制成直方圖，如圖6所示。

從圖6的結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)調(diào)整，各反射鏡沿X方向上的局部截?cái)嘁蜃咏茷?。說(shuō)明由XSmin和XSmax所限定的區(qū)域已經(jīng)布滿吸熱管黑色圖像，即聚光器各反射鏡的位置已經(jīng)安裝正確。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法能夠快速有效的檢測(cè)太陽(yáng)能聚光器各子鏡的安裝質(zhì)量并且對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，適用于絕大多數(shù)類型的拋物槽式太陽(yáng)能聚光器。

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A Method for the Detection of the Installation Quality of a Parabolic Trough Solar Concentrators

ZHU Xiao-wei, FU Wei, ZHANG Yu-xia, WANG Bo-wei
(CGN Solar Energy Development Co., Ltd, Beijing 100048, China)

Citation: ZHU Xiao-wei, FU Wei, ZHANG Yu-xia, et al.A Method for the Detection of the Installation Quality of a Parabolic Trough Solar Concentrators [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(6): 1?5.

Abstract:To effectively raise the concentration efficiency of the parabolic trough solar concentrator, the detection and calibration of the installation position for each concentrator mirror are needed.The VISField system developed by Marposs Company is adopted in this paper.According to the relative position between cameras and concentrator, the image position of the endothermic tube in the sub mirror is derived with the reflection imaging method, and then the adjustment of sub mirrors’ position error is completed.With total station instrument as the auxiliary tool, the position adjustments of the heat absorbing tube and the dynamic calibration of the camera pose are completed with the external target information.The experiment is conducted with the method proposed in this paper.With the intercept factor of each mirror closing to 1 after adjustment, this experiment indicates that the actual imaging location and theory position of the endothermic tube in sub mirrors are approximately coincided, which verifies the correctness and feasibility of the method.

Keywords:solar concentrator; endothermic tube; reflection imaging method; detection

作者簡(jiǎn)介：朱小煒(1980-)，男，本科，土木工程，中級(jí)工程師(電力工程)

*基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃(2012AA050603)。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.06.01

本文引用格式：朱小煒，符偉，張玉霞，等.一種槽式太陽(yáng)能聚光器安裝質(zhì)量的檢測(cè)方法[J].新型工業(yè)化，2015，5(6)：1-5