定日鏡指向偏差校正方法研究

沈志華

（鑫晨光熱（上海）新能源有限公司，上海 201100）

0 引言

在二次反射塔式光熱發(fā)電站中，太陽光經(jīng)定日鏡和二次反射鏡盤的兩次反射后照射至吸熱器處，二次反射鏡盤安裝于鏡場(chǎng)中心高處，屬于非運(yùn)動(dòng)光學(xué)設(shè)備，且存在一定的制造與安裝誤差，而定日鏡為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此需要對(duì)定日鏡的指向精度和跟蹤精度進(jìn)行校正以保證太陽光能的截?cái)嗦屎蛥R聚效率[1-2]。定日鏡的一次反射指向精度和跟蹤精度可通過標(biāo)定白板等方法進(jìn)行校正，而受二次反射鏡盤的安裝誤差影響，定日鏡的二次反射指向可能存在偏差，導(dǎo)致經(jīng)二次反射后的太陽光無法有效匯聚于吸熱器內(nèi)，影響電站發(fā)電效率。因此，需要一種能夠校正定日鏡二次反射指向的方法。

1 國(guó)內(nèi)外指向校正方法比較

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有校正方法主要通過對(duì)二次反射鏡盤的實(shí)際安裝姿態(tài)進(jìn)行間接校正，而二次反射鏡盤的實(shí)際安裝姿態(tài)主要通過測(cè)距方式獲得，即通過二次反射鏡盤上各點(diǎn)至觀測(cè)點(diǎn)的距離信息和角度信息擬合出二次反射鏡盤的實(shí)際空間姿態(tài)。常用的遠(yuǎn)距離測(cè)距方法主要包括飛時(shí)測(cè)距法和雙目測(cè)距法。飛時(shí)測(cè)距法[3-4]的本質(zhì)是通過計(jì)算激光脈沖發(fā)出和返回的時(shí)間差來獲得設(shè)備到被測(cè)點(diǎn)的距離。該方法屬于點(diǎn)測(cè)量方法，由于需要接收來自激光脈沖的回波信號(hào)，且需要布置基于漫反射的大量標(biāo)識(shí)測(cè)位，所以該方法對(duì)表面反射率較高的待測(cè)件應(yīng)用較差，不建議用其對(duì)二次反射鏡盤進(jìn)行直接檢測(cè)。雙目測(cè)距法[5-7]的本質(zhì)是利用雙目視差原理，即被測(cè)物上的某個(gè)特征點(diǎn)在兩臺(tái)圖像采集器的像平面上所處的位置不同，根據(jù)位置偏差和圖像采集器的參數(shù)信息解算被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。雙目測(cè)距法的測(cè)距精度受圖像采集器參數(shù)和物距的影響，測(cè)量遠(yuǎn)距離的物體時(shí)，需要使用長(zhǎng)焦鏡頭，但有效視場(chǎng)會(huì)變小，導(dǎo)致測(cè)量二次反射鏡盤時(shí)需要多次調(diào)整設(shè)備位置。上述兩種方法均屬于間接方法，需要先通過各個(gè)測(cè)點(diǎn)擬合出二次反射鏡盤的空間姿態(tài)，再根據(jù)定日鏡中心坐標(biāo)和吸熱器中心坐標(biāo)解算每臺(tái)定日鏡的二次反射指向，易在計(jì)算中引入新的誤差。

在判斷定日鏡反射光時(shí)，目前主要通過人眼辨識(shí)定日鏡二次反射光是否落入吸熱器內(nèi)的方法對(duì)定日鏡二次反射指向校正結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，該方法操作不便，且主觀誤差較大。另有基于輻照度計(jì)的測(cè)量方法[8]，在吸熱器面上方建立一個(gè)檢測(cè)平面，將該平面離散化成方形單元，每個(gè)單元中心設(shè)置一個(gè)輻照度計(jì)，用于測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的二次反射光斑強(qiáng)度，以此描述整個(gè)檢測(cè)平面上的二次反射光斑分布情況，該方法操作不便，且成本較高。

針對(duì)以上問題，本文提出一種基于圖像的定日鏡二次反射指向校正方法和驗(yàn)證方法，即利用圖像識(shí)別技術(shù)校正定日鏡的二次反射指向偏差，以及驗(yàn)證定日鏡的二次反射指向校正效果。

2 指向偏差校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

太陽入射光照射到塔式光熱電站鏡場(chǎng)的數(shù)千臺(tái)定日鏡，經(jīng)過定日鏡鏡面反射后，到達(dá)光熱電站鏡場(chǎng)中心位置的二次反射鏡鏡盤，再經(jīng)過二次反射后，到達(dá)位于鏡場(chǎng)中心、二次反射鏡盤正下方的吸熱器。吸熱器采集整個(gè)鏡場(chǎng)收集的二次反射太陽光后，加熱吸熱器內(nèi)部管路的熔鹽，然后驅(qū)動(dòng)常規(guī)島汽輪機(jī)發(fā)電。太陽光二次反射指向偏差校正成像光路原理如圖1 所示。

圖1 二次反射指向偏差校正成像光路原理圖

吸熱器頂部焦平面中心附近裝有圖像采集系統(tǒng)，用于拍攝從二次反射鏡返回的定日鏡成像，此時(shí)需要通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)定日鏡鏡面的旋轉(zhuǎn)角度，確保入射光實(shí)時(shí)進(jìn)入吸熱器。

2.2 二次反射鏡面成像原理

二次反射鏡面成像方式如圖2 所示。定日鏡在二次反射鏡面上存在兩個(gè)像：一個(gè)為定日鏡的一次反射光斑像，另一個(gè)為定日鏡的自身虛像。

圖2 二次反射鏡面成像方式

若將圖像采集器置于吸熱器中心，則可在圖像采集器視野中看到兩個(gè)像：一次反射光斑像的中心是定日鏡中心實(shí)際反射光線與二次反射鏡鏡面的交點(diǎn)，該交點(diǎn)相當(dāng)于定日鏡在二次反射鏡面上的實(shí)際指向點(diǎn)；定日鏡虛像中心則是定日鏡的理想指向點(diǎn)，當(dāng)一次反射光斑像的中心與理想指向點(diǎn)重合時(shí)，則二次反射光斑中心恰好落在吸熱器中心，才能加熱熔鹽并驅(qū)動(dòng)發(fā)電。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定日鏡指向偏差校正系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）作為中央控制器，配套高分辨率工業(yè)相機(jī)作為圖像采集輸入，其硬件原理與構(gòu)成如圖3 所示。圖像采集系統(tǒng)[9]包含圖像信息采集用的工業(yè)相機(jī)及圖像數(shù)據(jù)計(jì)算與存儲(chǔ)模塊，中央控制器則配置了用于指令輸入與狀態(tài)顯示的人機(jī)交互模塊、定日鏡旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)執(zhí)行模塊及電源等功能模塊[10]。

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖

3 自動(dòng)偏差校正定日流程

根據(jù)定日鏡每日跟蹤太陽位置的運(yùn)營(yíng)表，中央控制器控制定日鏡鏡面反射太陽光至二次反射鏡，從而在二次反射鏡上形成太陽光斑。置于熔鹽吸熱器頂部的圖像采集系統(tǒng)通過工業(yè)相機(jī)采集到二次反射鏡面的定日鏡虛像和其反射的太陽光斑后，直接按照特定的圖像處理算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，分析定日鏡虛像與太陽光斑的偏差，然后將分析結(jié)果發(fā)送到中央控制器。當(dāng)虛像與光斑兩者不完全重合時(shí)，控制定日鏡方位軸和俯仰軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過多次圖像采集反饋與控制，最終實(shí)現(xiàn)定日鏡虛像與太陽光斑重合，確保定日鏡能實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)。整個(gè)偏差校正定日流程如圖4 所示，其實(shí)現(xiàn)了整體控制的全自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化，節(jié)省了大量人力資源，且其硬件系統(tǒng)和線路設(shè)計(jì)為模塊化功能分區(qū)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、升級(jí)迭代靈活、故障查找和線路維修快捷等優(yōu)勢(shì)。

圖4 偏差校正定日流程

4 工程應(yīng)用

西北某國(guó)家首批光熱示范電站項(xiàng)目為50MW 光熱電站，計(jì)劃配置15 個(gè)鏡場(chǎng)聚光系統(tǒng)及太陽光反射塔，每個(gè)鏡場(chǎng)系統(tǒng)配置2 000 余臺(tái)定日鏡，整個(gè)光熱電站總計(jì)約40 000 臺(tái)定日鏡。在定日鏡聚光調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別定日鏡在跟隨太陽光反射時(shí)，入射光經(jīng)過反射后不能實(shí)時(shí)射入吸熱器內(nèi)，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體輸入光功率略有下降。應(yīng)用本文的校正系統(tǒng)后，對(duì)二次反射鏡面光斑和虛像光斑未重合的目標(biāo)定日鏡進(jìn)行了調(diào)節(jié)試驗(yàn)。二次反射鏡面圖像如圖5所示。根據(jù)圖5 調(diào)節(jié)該定日鏡的方位角和俯仰角，使其二次反射鏡面光斑和虛像光斑基本重合，且達(dá)到亮度最大和面積最大。

圖5 二次反射鏡面圖像

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)定日鏡的二次反射鏡面光斑和其虛像重合時(shí)，該定日鏡的二次反射光斑照射在吸熱器中心附近。以某臺(tái)定日鏡為例，當(dāng)二次反射鏡面上的光斑逐漸向目標(biāo)定日虛像靠近時(shí)，兩個(gè)光斑像在圖像中的亮度同時(shí)提高，且從二次反射鏡塔頂相機(jī)可觀察到目標(biāo)定日鏡的二次反射光斑逐漸向吸熱器蓋板中心移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)光斑像基本重合時(shí)，該定日鏡的二次反射光斑正好處于吸熱器中心區(qū)域的設(shè)計(jì)光斑點(diǎn)，吸熱器截?cái)嗦蚀蟠筇岣撸囼?yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)論

定日鏡在鏡場(chǎng)中的位置一定，則其二次反射鏡面上的虛像位置也不變，因而可以不斷調(diào)整定日鏡的轉(zhuǎn)角，使該定日鏡二次反射鏡面光斑逐漸向其虛像靠攏，當(dāng)兩者光斑中心重合時(shí)，則該定日鏡二次反射指向校正完畢，即該定日鏡二次反射光斑中心落在了吸熱器中心附近。實(shí)際應(yīng)用表明，本文提出的基于圖像的定日鏡二次反射指向校正方法，不僅可以用于定日鏡的二次反射指向偏差校正，而且可以用于定日鏡二次反射指向校正后的結(jié)果驗(yàn)證。