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        基于圖像識別的定日鏡振動誤差檢測*

        2022-01-15 06:24:38閆克丁
        計算機與數(shù)字工程 2021年12期
        關(guān)鍵詞:定日采集器風(fēng)速

        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

        聚光太陽能熱發(fā)電(Concentrated Solar Power,CSP)技術(shù)是將一定范圍的太陽光匯聚至一個較小區(qū)域,通過儲能介質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化為熱能,再通過汽輪機等熱機將熱能轉(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,國家能源局于2016年啟動包括玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目在內(nèi)的第一批20個光熱發(fā)電示范項目建設(shè)[4]。

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

        在室外環(huán)境下定日鏡的實際控制運維過程中主要會受到由風(fēng)引起的鏡面振動情況[5~7]。鏡面振動會造成定日鏡鏡面的反射法線出現(xiàn)晃動,使得接收面處的太陽光斑會出現(xiàn)晃動情況[8~9]。由于風(fēng)對定日鏡鏡面的影響是隨機的,目前檢測定日鏡受風(fēng)振動影響的方法主要有三種:1)通過流體仿真軟件計算[10~11];2)通過風(fēng)洞對定日鏡模型進行檢測[12~13];3)通過在定日鏡鏡面布置風(fēng)壓傳感器進行檢測[14]。通過流體仿真軟件能夠計算定日鏡鏡面被風(fēng)吹時的受力情況,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算結(jié)果通常只作為參考。通過風(fēng)洞進行檢測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)洞檢測的結(jié)果與實際結(jié)果也會存在一定差異。通過在定日鏡鏡面布置風(fēng)壓傳感器進行檢測雖然能夠反饋定日鏡鏡面的實際受力變形情況,但是不能直接反映定日鏡鏡面反射法線的晃動情況,需要將變形情況進行轉(zhuǎn)化計算,在計算過程中容易引入新的誤差。

        因此,本文通過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,然后基于圖像識別結(jié)果直接反映鏡面反射法線的晃動情況,并基于圖像識別的統(tǒng)計結(jié)果建立定日鏡的振動誤差模型,為定日鏡的控制運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,確保整個光熱發(fā)電鏡場的聚光效率和發(fā)電效率。

        2 定日鏡振動情況檢測

        2.1 系統(tǒng)設(shè)置

        在定日鏡四個角處的子鏡中心處分別安裝一臺圖像采集器,用于對準(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)為試驗現(xiàn)場圖像,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,通過千兆網(wǎng)線連接至計算機并由計算機控制拍照并存儲圖像,采集同時使用風(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,定日鏡的反射法線與水平面垂直,此時定日鏡俯仰角為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)動范圍的平均值,俯仰角70°為定日鏡單日有效俯仰角轉(zhuǎn)動范圍的最大有效值。

        如圖2所示,以1號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,通過圖像分割識別的方式獲得標(biāo)志物中心在圖像中相對坐標(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誤差的程度,轉(zhuǎn)換公式如下所示:

        圖2 1號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 檢測姿態(tài)為俯仰角30°情況

        如圖3所示,俯仰角30°時有效風(fēng)速范圍可認(rèn)為是0m/s~6m/s。俯仰角30°時基于方位軸偏差角結(jié)果,3#圖像采集器對應(yīng)有效結(jié)果的方位軸偏差角相對變化較大。基于俯仰軸偏差角結(jié)果,3#圖像采集器對應(yīng)有效結(jié)果的俯仰軸偏差角也相對變化較大。

        圖3 俯仰角30°振動情況

        2.3.2 檢測姿態(tài)為俯仰角70°情況

        如圖4所示,俯仰角70°時有效風(fēng)速范圍也可認(rèn)為是0m/s~6m/s。俯仰角70°時基于方位軸偏差角結(jié)果,1#圖像采集器對應(yīng)有效結(jié)果的方位軸偏差角相對變化最大。基于俯仰軸偏差角結(jié)果,4#圖像采器對應(yīng)有效結(jié)果的俯仰軸偏差角相對變化最大。

        圖4 俯仰角70°時風(fēng)速統(tǒng)計情況

        2.3.3 振動誤差模型

        單臺定日鏡可以將照射至其鏡面上的太陽光反射至目標(biāo)區(qū)域,而單面子鏡的晃動會直接影響整臺定日鏡的一次反射精度,所以根據(jù)晃動程度相對最大子鏡對應(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時的定日鏡振動誤差模型。

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

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

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

        3 定日鏡振動試驗

        3.1 環(huán)境及定日鏡信息

        在玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目中選取兩臺定日鏡進行定日鏡振動試驗,項目地為甘肅省玉門市。試驗用定日鏡信息如表1所示,其中以鏡場吸熱器焦平面中心為原點,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 試驗用定日鏡信息

        3.2 試驗系統(tǒng)設(shè)置

        塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中定日鏡通常使用標(biāo)定白板評估定日鏡的指向精度[16]。如圖6所示,試驗系統(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光;圖像采集器的視場能夠覆蓋整個標(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 試驗系統(tǒng)示意圖

        3.3 仿真實驗

        根據(jù)如表1所示試驗用定日鏡中心坐標(biāo)和對應(yīng)的標(biāo)定白板中心坐標(biāo),引入如式所示振動誤差模型生成隨機誤差,兩臺試驗用定日鏡仿真光斑中心偏差統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

        3.4 現(xiàn)場試驗

        為了驗證振動誤差模型的準(zhǔn)確性,在玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目中兩臺試驗用定日鏡按照圖7布置試驗系統(tǒng)。試驗風(fēng)速結(jié)果如圖8所示,主要集中在0m/s~6m/s,與仿真實驗風(fēng)速條件相似。

        圖7 仿真光斑中心偏差統(tǒng)計結(jié)果(直方圖)

        圖8 現(xiàn)場試驗風(fēng)速統(tǒng)計結(jié)果示意圖

        如圖9所示,藍色直方圖表示現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,橙色直方圖表示仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。對比正態(tài)分布擬合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和仿真實驗數(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)場測試數(shù)據(jù)數(shù)值差距較小;在基于豎直方向偏差距離的統(tǒng)計結(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)場測試數(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)場試驗結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近。

        圖9 定日鏡1試驗結(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)場測試數(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)場測試數(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)場試驗結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近。

        圖10 定日鏡2和定日鏡3試驗結(jié)果示意圖

        4 結(jié)語

        綜上所述,本文通過圖像識別特定標(biāo)志的方法檢測定日鏡的振動誤差,通過對采集的一系列圖像進行分析識別,將振動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)分別進行分析,并依據(jù)分析結(jié)果建立對應(yīng)的振動誤差模型,包括繞方位軸偏差振動誤差模型和繞俯仰軸振動誤差模型?;谡駝诱`差模型對玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目中兩臺試驗用定日鏡進行仿真計算,獲得反射至對應(yīng)標(biāo)定白板上的仿真太陽光斑中心分布情況,然后與現(xiàn)場實際采集的太陽光斑中心分布情況進行對比。對比結(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)值與實際試驗結(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誤差模型能夠準(zhǔn)確地描述實際的定日鏡鏡面反射法線的振動情況,為光熱發(fā)電鏡場中定日鏡的控制運維策略制定提供了有效的理論支持,確保整個光熱發(fā)電鏡場的聚光效率和發(fā)電效率。

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