孫 楠 閆克丁

（1.上海晶電新能源有限公司 上海 201112）（2.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

1 引言

聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電（Concentrated Solar Power，CSP）技術(shù)是將一定范圍的太陽(yáng)光匯聚至一個(gè)較小區(qū)域，通過(guò)儲(chǔ)能介質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過(guò)汽輪機(jī)等熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能［1~3］。目前CSP技術(shù)在全球范圍已經(jīng)得到了很廣泛的商業(yè)化應(yīng)用，國(guó)家能源局于2016年啟動(dòng)包括玉門(mén)某塔式5萬(wàn)千瓦光熱發(fā)電項(xiàng)目在內(nèi)的第一批20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目建設(shè)［4］。

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是CSP的一種主要技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)控制數(shù)量龐大的兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)定日鏡實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的匯聚，所以定日鏡需要較高的指向精度（精確地轉(zhuǎn)動(dòng)）以保證太陽(yáng)光的有效匯聚。

在室外環(huán)境下定日鏡的實(shí)際控制運(yùn)維過(guò)程中主要會(huì)受到由風(fēng)引起的鏡面振動(dòng)情況［5~7］。鏡面振動(dòng)會(huì)造成定日鏡鏡面的反射法線(xiàn)出現(xiàn)晃動(dòng)，使得接收面處的太陽(yáng)光斑會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)情況［8~9］。由于風(fēng)對(duì)定日鏡鏡面的影響是隨機(jī)的，目前檢測(cè)定日鏡受風(fēng)振動(dòng)影響的方法主要有三種：1）通過(guò)流體仿真軟件計(jì)算［10~11］；2）通過(guò)風(fēng)洞對(duì)定日鏡模型進(jìn)行檢測(cè)［12~13］；3）通過(guò)在定日鏡鏡面布置風(fēng)壓傳感器進(jìn)行檢測(cè)［14］。通過(guò)流體仿真軟件能夠計(jì)算定日鏡鏡面被風(fēng)吹時(shí)的受力情況，但是受限于邊界條件設(shè)置、定日鏡模型建立、算力等情況，使得計(jì)算結(jié)果精確度不夠，甚至?xí)霈F(xiàn)一些異常情況，所以流體仿真軟件的計(jì)算結(jié)果通常只作為參考。通過(guò)風(fēng)洞進(jìn)行檢測(cè)需要制作定日鏡的等比例模型，雖然比較精確地反映定日鏡在不同風(fēng)速下的變形情況，但是由于等比例模型與實(shí)際定日鏡在質(zhì)量、材料剛性等方面存在差異，使得風(fēng)洞檢測(cè)的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果也會(huì)存在一定差異。通過(guò)在定日鏡鏡面布置風(fēng)壓傳感器進(jìn)行檢測(cè)雖然能夠反饋定日鏡鏡面的實(shí)際受力變形情況，但是不能直接反映定日鏡鏡面反射法線(xiàn)的晃動(dòng)情況，需要將變形情況進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中容易引入新的誤差。

因此，本文通過(guò)安裝在定日鏡鏡面上的圖像采集器采集特定標(biāo)志物的圖像，然后基于圖像識(shí)別結(jié)果直接反映鏡面反射法線(xiàn)的晃動(dòng)情況，并基于圖像識(shí)別的統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立定日鏡的振動(dòng)誤差模型，為定日鏡的控制運(yùn)維策略制定提供有效的理論支持，以保證定日鏡的指向精度，確保整個(gè)光熱發(fā)電鏡場(chǎng)的聚光效率和發(fā)電效率。

2 定日鏡振動(dòng)情況檢測(cè)

2.1 系統(tǒng)設(shè)置

在定日鏡四個(gè)角處的子鏡中心處分別安裝一臺(tái)圖像采集器，用于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志物。如圖1（a）所示，圓圈處表示圖像采集器的安裝位置；圖1（b）為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖像，方塊處為圖像采集器的安裝位置，右側(cè)小圖為圖像采集器示意圖。圖像采集器使用25mm焦距鏡頭，通過(guò)千兆網(wǎng)線(xiàn)連接至計(jì)算機(jī)并由計(jì)算機(jī)控制拍照并存儲(chǔ)圖像，采集同時(shí)使用風(fēng)速儀記錄風(fēng)速情況。

圖1 圖像采集器布置示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

當(dāng)定日鏡鏡面與水平面平行時(shí)，定日鏡的反射法線(xiàn)與水平面垂直，此時(shí)定日鏡俯仰角為0°。選取兩種定日鏡俯仰角姿態(tài)，其中俯仰角30°為定日鏡單日有效俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的平均值，俯仰角70°為定日鏡單日有效俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的最大有效值。

如圖2所示，以1號(hào)圖像采集器采集的部分圖像為例，單張圖像中以左上角為原點(diǎn)，通過(guò)圖像分割識(shí)別的方式獲得標(biāo)志物中心在圖像中相對(duì)坐標(biāo)［15］，再將像素偏移量轉(zhuǎn)換為偏差角用于描述定日鏡振動(dòng)誤差的程度，轉(zhuǎn)換公式如下所示：

圖2 1號(hào)圖像采集器部分采集圖像示意圖

式中ΔAz表示繞方位軸偏差角（單位：弧度），ΔAt表示繞俯仰軸偏差角（單位：弧度），ΔL表示列方向偏差量（單位：像素），ΔH表示行方向偏差量（單位：像素），PixSize表示像元尺寸（單位：像素/m），f表示鏡頭焦距（單位：m）。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 檢測(cè)姿態(tài)為俯仰角30°情況

如圖3所示，俯仰角30°時(shí)有效風(fēng)速范圍可認(rèn)為是0m/s~6m/s。俯仰角30°時(shí)基于方位軸偏差角結(jié)果，3#圖像采集器對(duì)應(yīng)有效結(jié)果的方位軸偏差角相對(duì)變化較大?；诟┭鲚S偏差角結(jié)果，3#圖像采集器對(duì)應(yīng)有效結(jié)果的俯仰軸偏差角也相對(duì)變化較大。

圖3 俯仰角30°振動(dòng)情況

2.3.2 檢測(cè)姿態(tài)為俯仰角70°情況

如圖4所示，俯仰角70°時(shí)有效風(fēng)速范圍也可認(rèn)為是0m/s~6m/s。俯仰角70°時(shí)基于方位軸偏差角結(jié)果，1#圖像采集器對(duì)應(yīng)有效結(jié)果的方位軸偏差角相對(duì)變化最大?；诟┭鲚S偏差角結(jié)果，4#圖像采器對(duì)應(yīng)有效結(jié)果的俯仰軸偏差角相對(duì)變化最大。

圖4 俯仰角70°時(shí)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)情況

2.3.3 振動(dòng)誤差模型

單臺(tái)定日鏡可以將照射至其鏡面上的太陽(yáng)光反射至目標(biāo)區(qū)域，而單面子鏡的晃動(dòng)會(huì)直接影響整臺(tái)定日鏡的一次反射精度，所以根據(jù)晃動(dòng)程度相對(duì)最大子鏡對(duì)應(yīng)的圖像采集器數(shù)據(jù)建立有效風(fēng)速范圍為0m/s~6m/s時(shí)的定日鏡振動(dòng)誤差模型。

如圖5所示，根據(jù)2.3.2節(jié)，1#圖像采集器對(duì)應(yīng)子鏡繞方位軸晃動(dòng)情況相對(duì)最大，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果為N( -0.2693，0.464322)；4#圖像采集器對(duì)應(yīng)子鏡繞俯仰軸晃動(dòng)情況相對(duì)最大，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果為N( -0.16108，0.618752)。

圖5 俯仰角為70°時(shí)圖像采集器方位軸偏差角統(tǒng)計(jì)直方示意圖

以晃動(dòng)程度相對(duì)最大作為建立定日鏡振動(dòng)誤差模型的標(biāo)準(zhǔn)，均值影響偏差角的整體偏移情況，為了不失一般性，定日鏡振動(dòng)誤差模型如下所示：

3 定日鏡振動(dòng)試驗(yàn)

3.1 環(huán)境及定日鏡信息

在玉門(mén)某塔式5萬(wàn)千瓦光熱發(fā)電項(xiàng)目中選取兩臺(tái)定日鏡進(jìn)行定日鏡振動(dòng)試驗(yàn)，項(xiàng)目地為甘肅省玉門(mén)市。試驗(yàn)用定日鏡信息如表1所示，其中以鏡場(chǎng)吸熱器焦平面中心為原點(diǎn)，X軸為平行水平面指向正南方向，Y軸為平行水平面指向正東方向，Z軸為垂直水平面指向天空。

表1 試驗(yàn)用定日鏡信息

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中定日鏡通常使用標(biāo)定白板評(píng)估定日鏡的指向精度［16］。如圖6所示，試驗(yàn)系統(tǒng)包括標(biāo)定白板、圖像采集器、風(fēng)速儀和核心單元。標(biāo)定白板為安裝在高處的漫反射接收面，用于接收定日鏡反射的太陽(yáng)光；圖像采集器的視場(chǎng)能夠覆蓋整個(gè)標(biāo)定白板，用于采集標(biāo)定白板處的光斑圖像；風(fēng)速儀用于采集試驗(yàn)地的風(fēng)速信息，并將風(fēng)速信息保存至核心單元；核心單元負(fù)責(zé)光斑圖像數(shù)據(jù)分析和風(fēng)速數(shù)據(jù)記錄。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)如表1所示試驗(yàn)用定日鏡中心坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的標(biāo)定白板中心坐標(biāo)，引入如式所示振動(dòng)誤差模型生成隨機(jī)誤差，兩臺(tái)試驗(yàn)用定日鏡仿真光斑中心偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證振動(dòng)誤差模型的準(zhǔn)確性，在玉門(mén)某塔式5萬(wàn)千瓦光熱發(fā)電項(xiàng)目中兩臺(tái)試驗(yàn)用定日鏡按照?qǐng)D7布置試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)風(fēng)速結(jié)果如圖8所示，主要集中在0m/s~6m/s，與仿真實(shí)驗(yàn)風(fēng)速條件相似。

圖7 仿真光斑中心偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果（直方圖）

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果示意圖

如圖9所示，藍(lán)色直方圖表示現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，橙色直方圖表示仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)比正態(tài)分布擬合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的標(biāo)準(zhǔn)差，在基于水平方向偏差距離的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差sigma值為0.094283m，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)值差距較?。辉诨谪Q直方向偏差距離的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差sigma值為0.13489m，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)值十分接近。根據(jù)圖9所示，在不考慮均值的情況下，定日鏡1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近。

圖9 定日鏡1試驗(yàn)結(jié)果示意圖

如圖10所示，在基于定日鏡2水平方向偏差距離的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差sigma值為0.082124m，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)值十分接近；在豎直方向偏差距離的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差sigma值為0.13482m，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)值差距較小。根據(jù)圖10所示，在不考慮均值的情況下，定日鏡2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近。

圖10 定日鏡2和定日鏡3試驗(yàn)結(jié)果示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)圖像識(shí)別特定標(biāo)志的方法檢測(cè)定日鏡的振動(dòng)誤差，通過(guò)對(duì)采集的一系列圖像進(jìn)行分析識(shí)別，將振動(dòng)誤差分解為繞方位軸偏差角（由圖像列方向偏差量轉(zhuǎn)化）和繞俯仰軸偏差角（由圖像行方向偏差量轉(zhuǎn)化）分別進(jìn)行分析，并依據(jù)分析結(jié)果建立對(duì)應(yīng)的振動(dòng)誤差模型，包括繞方位軸偏差振動(dòng)誤差模型和繞俯仰軸振動(dòng)誤差模型?；谡駝?dòng)誤差模型對(duì)玉門(mén)某塔式5萬(wàn)千瓦光熱發(fā)電項(xiàng)目中兩臺(tái)試驗(yàn)用定日鏡進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得反射至對(duì)應(yīng)標(biāo)定白板上的仿真太陽(yáng)光斑中心分布情況，然后與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集的太陽(yáng)光斑中心分布情況進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，在不考慮正態(tài)分布擬合結(jié)果中均值的情況下，仿真結(jié)果的標(biāo)志差數(shù)值與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值十分接近，即基于圖像的定日鏡振動(dòng)誤差模型能夠準(zhǔn)確地描述實(shí)際的定日鏡鏡面反射法線(xiàn)的振動(dòng)情況，為光熱發(fā)電鏡場(chǎng)中定日鏡的控制運(yùn)維策略制定提供了有效的理論支持，確保整個(gè)光熱發(fā)電鏡場(chǎng)的聚光效率和發(fā)電效率。