塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電中定日鏡的精度檢測(cè)方法

張旭中，李 偉，黃圓明，陳康立，劉文闖，朱正平

(1.浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司，杭州 310053；2.青海中控太陽(yáng)能發(fā)電有限公司，德令哈 817000)

0 引言

定日鏡是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電中將陽(yáng)光反射到吸熱器上的重要設(shè)備，吸熱器工質(zhì)吸收高倍聚焦的太陽(yáng)能，并通過(guò)換熱器產(chǎn)生高溫高壓過(guò)熱蒸汽來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能[1]。目前，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中鏡場(chǎng)的規(guī)模通常在50 MW以上，定日鏡距離吸熱器的距離一般在幾百米到1000 m之間。由于反射距離太遠(yuǎn)，對(duì)于定日鏡所應(yīng)具有的跟蹤準(zhǔn)確度及光斑大小都提出了很高的要求[2]。但由于電站中定日鏡的使用數(shù)量眾多，安裝環(huán)境的條件較差，因此很難保證定日鏡的精度檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率。本文結(jié)合筆者在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中的工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了定日鏡關(guān)鍵零部件及其整體的精度檢測(cè)方法。

1 定日鏡關(guān)鍵零部件的精度檢測(cè)

定日鏡關(guān)鍵零部件的精度檢測(cè)主要包括對(duì)減速機(jī)、推桿(含電動(dòng)及液壓推桿)的精度檢測(cè)。

1.1 減速機(jī)的精度檢測(cè)

1.1.1 檢測(cè)內(nèi)容

在風(fēng)抗條件下，減速機(jī)可靠的自鎖性能是保證定日鏡正常運(yùn)行的前提之一；減速機(jī)可靠的剛性及傳動(dòng)精度可保證定日鏡的跟蹤準(zhǔn)確度。因此，需對(duì)減速機(jī)的自鎖性能、剛性和傳動(dòng)精度進(jìn)行檢測(cè)。

1.1.2 檢測(cè)設(shè)備

浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司(下文簡(jiǎn)稱“中控太陽(yáng)能”)設(shè)計(jì)了減速機(jī)測(cè)試工裝，可同時(shí)對(duì)減速機(jī)的自鎖性能、傳動(dòng)精度及剛性進(jìn)行測(cè)試。減速機(jī)測(cè)試工裝實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 減速機(jī)測(cè)試工裝實(shí)物圖Fig.1 Product picture of slew drive test tooling

該測(cè)試工裝由液壓站、液壓缸、壓力傳感器、百分表、計(jì)算機(jī)及軟件組成。

1)液壓站：可提供連續(xù)穩(wěn)定的高壓油。

2)液壓缸：輸出測(cè)試所需的動(dòng)力源，工作壓力最高能達(dá)到20 MPa。

3)壓力傳感器：用于反饋液壓缸輸出力的大小，量程為2～10000 kg，精度等級(jí)為0.05%。

4)百分表：為電子百分表，記錄減速機(jī)的變形量或位移量，量程為0～25 mm，分辨率為0.01 mm。

5)計(jì)算機(jī)及軟件：用于控制負(fù)載的大小和方向，并自動(dòng)讀取百分表數(shù)值，計(jì)算減速機(jī)相關(guān)精度參數(shù)。

1.1.3 檢測(cè)方法

1)減速機(jī)自鎖性能的檢測(cè)方法為：①將減速機(jī)安裝于減速機(jī)測(cè)試工裝上；②將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機(jī)外殼上的測(cè)試桿上，記錄百分表表頭到減速機(jī)中心的距離L；③按1 Hz頻率，在減速機(jī)輸出端施加沖擊力矩P，持續(xù)30 s；④沖擊完成后，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)A；⑤根據(jù)式(1)計(jì)算減速機(jī)的自鎖性能Z1。

2)減速機(jī)傳動(dòng)精度的檢測(cè)方法為：①將減速機(jī)安裝于減速機(jī)測(cè)試工裝上；②將減速機(jī)設(shè)置為初始狀態(tài)(0°狀態(tài))；③將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機(jī)外殼上的測(cè)試桿上，記錄百分表表頭到回轉(zhuǎn)中心的距離L1-1；④在減速機(jī)殼體正方向施加負(fù)載力矩T，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)A1-1，卸力后在減速機(jī)殼體反方向施加負(fù)載力矩T′(大小與T相同，方向相反)，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)B1-1；⑤根據(jù)式(2)計(jì)算減速機(jī)0°狀態(tài)的蝸輪蝸桿側(cè)隙傳動(dòng)精度；⑥撤離百分表，將減速機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)10°后重新打表，減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)減速機(jī)施加與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的負(fù)載力矩T1，并保證百分表表頭到回轉(zhuǎn)中心的距離為L(zhǎng)2-1，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)A2-1；⑦將減速機(jī)再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)10°，減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)減速機(jī)施加與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的負(fù)載力矩T1′(大小與T1相同，方向相反)，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)B2-1；⑧根據(jù)式(3)計(jì)算減速機(jī)0°狀態(tài)時(shí)的傳動(dòng)精度S2-1；⑨將減速機(jī)輸出軸分別轉(zhuǎn)動(dòng)至120°和240°，重復(fù)步驟③～⑧；⑩減速機(jī)在120°、240°狀態(tài)下的蝸輪蝸桿側(cè)隙傳動(dòng)精度分別為S1-2、S1-3；? 減速機(jī)在 120°、240°狀態(tài)下的傳動(dòng)精度分別為S2-2、S2-3；?減速機(jī)蝸輪蝸桿側(cè)隙傳動(dòng)精度為(S1-1+S1-2+S1-3)/3，減速機(jī)傳動(dòng)精度為(S2-1+S2-2+S2-3)/3。

3)減速機(jī)扭轉(zhuǎn)剛性的檢測(cè)方法為：①將減速機(jī)安裝于減速機(jī)測(cè)試工裝上；②將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機(jī)外殼上的測(cè)試桿上，記錄百分表表頭到減速機(jī)中心的距離L3-1；③正向施加扭矩T2，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)A3-1；④同向施加扭矩至T3，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)B3-1；⑤根據(jù)式(4)計(jì)算減速機(jī)扭轉(zhuǎn)剛性K1。

4)減速機(jī)傾覆剛性的檢測(cè)方法為：①將減速機(jī)安裝于減速機(jī)測(cè)試工裝上；②將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機(jī)外殼上的測(cè)試桿上，記錄百分表表頭到回轉(zhuǎn)中心的距離L4-1；③在減速機(jī)上施加傾覆力矩m，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)A4-1；④根據(jù)式(5)計(jì)算減速機(jī)傾覆剛性K2。

1.1.4 減速機(jī)檢測(cè)結(jié)果示例

當(dāng)減速機(jī)在測(cè)試工裝上安裝完成后，減速機(jī)的檢測(cè)結(jié)果由測(cè)試軟件實(shí)時(shí)自動(dòng)生成。在測(cè)試軟件中可設(shè)置參數(shù)和讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像化處理。對(duì)4臺(tái)減速機(jī)進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 4臺(tái)減速機(jī)各項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of each item of 4 reducers

表1中的數(shù)據(jù)全部由軟件自動(dòng)完成，排除了人為誤差的影響，因此檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠；且檢測(cè)時(shí)間較快，能夠在20 min內(nèi)完成所有測(cè)試項(xiàng)的檢測(cè)。

1.2 推桿的精度檢測(cè)

1.2.1 檢測(cè)內(nèi)容

推桿(包括電動(dòng)及液壓推桿)的精度檢測(cè)主要包括自鎖性能、剛性和傳動(dòng)精度。

1.2.2 檢測(cè)設(shè)備

中控太陽(yáng)能設(shè)計(jì)了專用的檢測(cè)工裝，可以同時(shí)對(duì)推桿的自鎖性能、剛性及傳動(dòng)精度進(jìn)行測(cè)試。推桿測(cè)試工裝實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 推桿測(cè)試工裝實(shí)物圖Fig.2 Product picture of linear actuator test tooling

推桿測(cè)試工裝由負(fù)載系統(tǒng)、壓力傳感器、卡板、百分表、計(jì)算機(jī)及軟件組成。

1)負(fù)載系統(tǒng)：采用氣泵作為動(dòng)力源，氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)載最大值≥1.5 t。

2)壓力傳感器：用于反饋推桿受到負(fù)載的大小，量程為20～10000 kg，精度等級(jí)為0.05%。

3)卡板：固定于推桿內(nèi)管上，與百分表配合顯示推桿內(nèi)管位移量。

4)百分表：與減速機(jī)測(cè)試工裝的百分表相同。

5)計(jì)算機(jī)及軟件：用于控制負(fù)載的大小和方向，并自動(dòng)讀取百分表數(shù)值，以計(jì)算推桿的相關(guān)精度參數(shù)。

1.2.3 檢測(cè)方案

1)推桿靜態(tài)自鎖性能的檢測(cè)方法為：①將推桿安裝于推桿測(cè)試工裝上；②將推桿從零位伸出到H1位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內(nèi)管上正向施加負(fù)載力矩F1；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內(nèi)的卡板上，持續(xù)30 s后將百分表進(jìn)行清零；⑤1 min后，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)C1；⑥撤離百分表，切換負(fù)載方向，在推桿內(nèi)管反方向施加負(fù)載力矩F1′(F1′與F1大小相同，方向相反)；⑦重復(fù)步驟④、⑤，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)D1；⑧若|C1|、|D1|均為零，則判定推桿靜態(tài)自鎖性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2)推桿動(dòng)態(tài)自鎖性能的檢測(cè)方法為：①將推桿安裝于推桿測(cè)試工裝上；②將推桿從零位伸出到H2位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內(nèi)管上正向施加負(fù)載力矩F2；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內(nèi)的卡板上，持續(xù)30 s后將百分表進(jìn)行清零；⑤按1 Hz頻率，在推桿內(nèi)管施加≥F2的沖擊力，持續(xù)時(shí)間30 s；⑥30 s結(jié)束后，在推桿內(nèi)管正方向保持負(fù)載力矩F2；⑦保持負(fù)載10 s后，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)C2；⑧撤離百分表，切換負(fù)載方向，在推桿內(nèi)管反方向施加負(fù)載力矩F2′(F2′與F2大小相同，方向相反)，重復(fù)步驟④、⑤，結(jié)束后在推桿內(nèi)管反方向保持負(fù)載力矩F2′，保持負(fù)載10 s后，從上位機(jī)讀取百分表上的位移讀數(shù)D2；⑨根據(jù)式(6)計(jì)算推桿動(dòng)態(tài)自鎖性能Z2。

3)推桿傳動(dòng)精度的檢測(cè)方法為：①將推桿安裝于推桿測(cè)試工裝上；②將推桿從零位伸出到H3位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內(nèi)管上正向施加負(fù)載力矩F3；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內(nèi)的卡板上并清零；⑤切換負(fù)載方向，在推桿內(nèi)管上反向施加負(fù)載力矩F3′(F3′與F3大小相同，方向相反)，從上位機(jī)分別讀取百分表在正、反向負(fù)載下顯示的位移讀數(shù)C3、D3；⑥根據(jù)式(7)計(jì)算推桿傳動(dòng)精度S。

4)推桿軸向剛性檢測(cè)方法為：①將推桿安裝于推桿測(cè)試工裝上；②將推桿從零位伸出到H4位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內(nèi)管上正向施加負(fù)載力矩F4；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內(nèi)的卡板上并清零；⑤切換負(fù)載方向，在推桿內(nèi)管上反向施加負(fù)載力矩F4′(F4′與F4大小相同，方向相反)，從上位機(jī)上分別讀取百分表在正、反向負(fù)載下顯示的位移讀數(shù)C4、D4；⑥根據(jù)式(8)計(jì)算推桿軸向剛性K3。

1.2.4 推桿檢測(cè)結(jié)果示例

推桿在測(cè)試工裝上安裝完成后，推桿的檢測(cè)結(jié)果由測(cè)試軟件實(shí)時(shí)自動(dòng)生成，在測(cè)試軟件中可設(shè)置參數(shù)和讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。表2是10次測(cè)試中推桿各項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 推桿各項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Test data of each item of the putter

表2中數(shù)據(jù)的讀取和處理全部由軟件完成，排除了人為誤差的影響，因此檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠；且檢測(cè)時(shí)間較快，靜態(tài)自鎖和動(dòng)態(tài)自鎖均能夠在5 min內(nèi)完成檢測(cè)，傳動(dòng)精度和軸向剛性檢測(cè)均能夠在1 min內(nèi)完成檢測(cè)。

2 定日鏡整體的精度檢測(cè)

定日鏡整體的精度檢測(cè)主要包括定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度檢測(cè)和定日鏡面形精度檢測(cè)。

2.1 定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度檢測(cè)

2.1.1 檢測(cè)設(shè)備

跟蹤準(zhǔn)確度測(cè)量系統(tǒng)由定日鏡、靶面、相機(jī)、計(jì)算機(jī)及軟件、風(fēng)速風(fēng)向儀、輻射表組成，如圖3所示。

1)靶面(BCS板)：靶面表面需具有漫反射特性，靶面尺寸應(yīng)大于吸熱器的直徑與高度組成的矩形。

2)相機(jī)：用于采集靶面上的定日鏡光斑圖像，幀率≥10 fps，分辨率≥640×480，工作溫度在-60～-30 ℃之間。

3)計(jì)算機(jī)及軟件：用于計(jì)算定日鏡光斑的幾何中心位置，圖像處理幀率≥10 fps。

圖3 跟蹤準(zhǔn)確度測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Tracking accuracy measurement system

4)風(fēng)速風(fēng)向儀：量程為0～60 m/s，精度＜0.1 m/s。布置在定日鏡上風(fēng)向，安裝高度為距離定日鏡中心點(diǎn)2～5倍定日鏡高度。

5)輻射表：用于采集太陽(yáng)法向直射輻照度，量程為0～4000 W/m2。

2.1.2 檢測(cè)環(huán)境

風(fēng)速≤16 m/s，太陽(yáng)法向直射輻照度＞300 W/m2。

2.1.3 檢測(cè)方案

檢測(cè)當(dāng)天應(yīng)測(cè)試每臺(tái)定日鏡至少8個(gè)時(shí)間點(diǎn)的跟蹤準(zhǔn)確度，這8個(gè)時(shí)間點(diǎn)定日鏡的角度應(yīng)包含定日鏡方位角和水平角工作角度范圍的90%。

定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測(cè)試采用非接觸式的計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)方法，利用相機(jī)采集定日鏡在目標(biāo)靶面上形成的光斑圖像，然后利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取定日鏡光斑的特征參數(shù)。具體步驟如下：

1)靶面的中心點(diǎn)是通過(guò)靶面上4個(gè)黑色直角框進(jìn)行標(biāo)定，4個(gè)黑色直角框?qū)蔷€焦點(diǎn)即為靶面的中心點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x0,y0,z0)。

2)以靶面的中心點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，將定日鏡光斑投射至靶面，如圖4所示。

3)利用相機(jī)獲得靶面圖像并進(jìn)行處理，分析第i時(shí)刻的采集圖像，計(jì)算光斑幾何中心坐標(biāo)(xi,yi,zi)，其中，i=1,2,…,n；測(cè)得定日鏡旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(xh,yh,zh)。定日鏡旋轉(zhuǎn)中心至靶面中心的向量HO可表示為：

圖4 靶面上的定日鏡光斑圖像Fig.4 Heliostat spot image on the target surface

第i時(shí)刻定日鏡旋轉(zhuǎn)中心至光斑中心的向量HS(i)可表示為：

第i時(shí)刻定日鏡的跟蹤誤差為：

測(cè)試期間定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度的均值u可由式(12)求得：

式中，N為測(cè)試時(shí)間點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

測(cè)試期間定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)差σ可由式(13)求得：

鏡場(chǎng)中被測(cè)定日鏡樣本的跟蹤準(zhǔn)確度分別為u1,u2,…,uM，則整個(gè)鏡場(chǎng)定日鏡平均跟蹤準(zhǔn)確度為：

式中，M為定日鏡樣本數(shù)。

2.1.4 定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度檢測(cè)結(jié)果示例

測(cè)試的前提條件為：太陽(yáng)法向直射輻照度＞300 W/m2，準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的角度為測(cè)試時(shí)不同測(cè)試時(shí)間點(diǎn)定日鏡跟蹤目標(biāo)靶中心的跟蹤角度。一般定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度在4 mrad以內(nèi)時(shí)，大致可以認(rèn)為其光斑還在目標(biāo)靶面上，則定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度在4 mrad以內(nèi)的頻率可以作為該面定日鏡因跟蹤準(zhǔn)確度而獲得的可用率的依據(jù)。測(cè)得的不同風(fēng)速下定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度的頻率如圖5所示。

圖5 不同風(fēng)速下定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度的頻率圖Fig.5 Frequency diagram of heliostat tracking accuracy at different wind speeds

由圖5可知，在風(fēng)速≤5 m/s時(shí)，定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度在4 mrad以內(nèi)的頻率為100%，即不存在因跟蹤準(zhǔn)確度不佳而造成定日鏡不可用的情況。

2.2 定日鏡面形精度檢測(cè)

2.2.1 定日鏡面形檢測(cè)原理

定日鏡局部鏡面斜度與理想斜度出現(xiàn)偏差，或整個(gè)定日鏡的方向偏離其期望的目標(biāo)點(diǎn)(跟蹤偏差)[3]，反射光線都會(huì)出現(xiàn)偏差。事實(shí)上，定日鏡真實(shí)鏡面的宏觀和微觀缺陷都會(huì)導(dǎo)致鏡面反射的太陽(yáng)光線的偏差。這種偏差可通過(guò)鏡面實(shí)際法向量nreal與理想法向量nideal的偏差或入射太陽(yáng)光束的實(shí)際反射方向與理想方向的偏差來(lái)描述[4]。前者用于描述鏡面的圖形，后者用于描述反射光束的圖形。圖6為定日鏡不同的偏差類型。

圖6 定日鏡不同的偏差類型Fig.6 Types of reflection errors for heliostats

在任何情況下，定日鏡的面形缺陷都可以表示為角度偏差，常用的單位是mrad。通過(guò)統(tǒng)計(jì)偏差的分布，可以得到一個(gè)定日鏡大量的局部鏡面斜率偏差值，結(jié)合定日鏡的跟蹤偏差可以判斷鏡面反射的太陽(yáng)光線的偏差隨時(shí)間變化的規(guī)律，或判斷大批量定日鏡反射的太陽(yáng)光線偏差行為模式[5]。

將定日鏡的鏡面網(wǎng)格劃分后，各個(gè)網(wǎng)格單元面的法向矢量分布可作為表示細(xì)節(jié)形狀的矩陣導(dǎo)入光斑仿真軟件，并提供優(yōu)異的分析結(jié)果，用于指導(dǎo)定日鏡面形優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了更加定量的描述角度偏差，其統(tǒng)計(jì)分布大多采用平均值MEAN和標(biāo)準(zhǔn)差STD的平方和再開(kāi)方后的值RMS表示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，某些量的平均值為零，則此時(shí)RMS=STD。這說(shuō)明在某些特定條件下，RMS可以簡(jiǎn)化運(yùn)算。

2.2.2 檢測(cè)設(shè)備

1)定日鏡：已安裝在立柱上的定日鏡可以實(shí)現(xiàn)正常的2軸運(yùn)動(dòng)。

2)投影幕：投影幕用于投射條紋圖案，設(shè)置于接近被測(cè)定日鏡焦距的位置。

3)相機(jī)1：用于拍攝經(jīng)定日鏡反射后的條碼的像。

4)相機(jī)2：用于直接拍攝投影幕上的條碼，校正由于投影幕不平帶來(lái)的偏差。

5)投影儀：用于將條碼圖案投射至投影幕上，其分辨率應(yīng)≥1080P。

2.2.3 檢測(cè)環(huán)境

測(cè)試需要在能見(jiàn)度良好的夜間進(jìn)行，風(fēng)力≤3級(jí)。被測(cè)定日鏡、投影幕、相機(jī)和投影儀相互之間的光路不應(yīng)存在任何遮擋。

2.2.4 檢測(cè)方案

采用高分辨率的偏轉(zhuǎn)測(cè)量法，將已知的規(guī)則條紋圖案投影到投影幕上。其中，定日鏡中的反射像由相機(jī)觀察，反射像中條紋圖案的變形用于評(píng)估定日鏡的局部斜率。測(cè)量定日鏡偏轉(zhuǎn)形狀的設(shè)置方式如圖7所示。第2臺(tái)相機(jī)用于拍攝目標(biāo)上的條紋圖案，以進(jìn)行校準(zhǔn)，但在圖7中未畫(huà)出。在每次測(cè)試中都需要投影一系列規(guī)則條紋圖案，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 測(cè)量定日鏡偏轉(zhuǎn)形狀的設(shè)置方式Fig.7 Setting method of measuring the deflection shape of a heliostat

2.2.5 定日鏡面形精度檢測(cè)結(jié)果示例

圖8為投影幕表面上投影的水平條紋圖案及從相機(jī)中看到的定日鏡反射出的相應(yīng)圖案。

將相機(jī)拍攝所得的條碼的像導(dǎo)出后通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行所有條碼的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與面形的擬合，以便得到完整的定日鏡面形。圖9為擬合后的定日鏡面形色溫圖。

圖8 投影幕表面上投影的水平條紋圖案及從相機(jī)中看到的定日鏡反射出的相應(yīng)圖案示例Fig.8 Examples of the horizontal stripe pattern projected on the projection screen surface and the corresponding pattern reflected by the heliostat as seen from the camera

圖9 擬合后的定日鏡面形色溫圖Fig.9 Heliostat surface color temperature diagram after fitting

圖10 理論設(shè)計(jì)的定日鏡面形Fig.10 Theoretical design of heliostat surface shape

獲得擬合后的定日鏡面形后，將各個(gè)局部鏡面的法向量分別投影到全局坐標(biāo)系的2個(gè)基準(zhǔn)面上，并與理論設(shè)計(jì)的定日鏡面形(見(jiàn)圖10)進(jìn)行比較，得到局部鏡面沿長(zhǎng)度方向和寬度方向的法向偏差(見(jiàn)圖11)，用于判斷定日鏡面形是否合格。

圖11 實(shí)測(cè)局部鏡面沿長(zhǎng)度方向和寬度方向的法向偏差Fig.11 The normal deviation of the measured mirror surface along the length direction and width direction

圖11為中控太陽(yáng)能生產(chǎn)的某面定日鏡的鏡面法向偏差實(shí)測(cè)結(jié)果。由圖11可知，鏡面沿長(zhǎng)度方向和沿寬度方向的局部實(shí)際傾斜角與理想傾斜角的偏差均在±4 mrad范圍內(nèi)。從坐標(biāo)系來(lái)看，圖11a中局部法向量向左偏為負(fù)，向右偏為正；圖11b中法向量向上偏為負(fù)，向下偏為正。從色溫圖來(lái)看，暖色代表正偏差，冷色代表負(fù)偏差。圖11a中定日鏡的法向偏差在左半部分集中表現(xiàn)為負(fù)偏差(色調(diào)偏冷)；而右半部分同時(shí)存在正偏差與負(fù)偏差，但正偏差略多。這表示長(zhǎng)度方向上的焦距將比設(shè)計(jì)焦距更長(zhǎng)。圖11b中定日鏡的法向偏差在上半部分主要為正偏差(偏暖)，而下半部分主要為負(fù)偏差(偏冷)。這表示于寬度方向上的焦距將比設(shè)計(jì)焦距更短。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)重新調(diào)整鏡面來(lái)糾正這種錯(cuò)位。還有一些局部區(qū)域的偏差尤其是圖11b左下角的鏡板中的偏差，可能是由于定日鏡安裝時(shí)的誤差和彎曲造成的應(yīng)力導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

本文描述了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電中定日鏡精度檢測(cè)方法，該方法及設(shè)備已經(jīng)在中控太陽(yáng)能承建的青海德令哈50 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目及青海共和50 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目上得到了實(shí)際應(yīng)用，且測(cè)試效率高、測(cè)試精度準(zhǔn)確，能夠滿足批量檢測(cè)的要求。