一种槽式太阳能聚光器安装质量的检测方法

朱小炜，符伟，张玉霞，王博威

（中广核太阳能开发有限公司，北京 100048）

一种槽式太阳能聚光器安装质量的检测方法

朱小炜，符伟，张玉霞，王博威

（中广核太阳能开发有限公司，北京 100048）

摘 要：为有效提高抛物槽式太阳能聚光器的聚光效率，需要对聚光器各个反射镜的安装位置进行检测和校准。本文采用Marposs公司研发的VISField系统，利用吸热管反射成像法，根据相机与聚光器的相对位置关系，推导吸热管在子镜中的成像位置，进而完成聚光器各子镜位置误差的调整。以全站仪为第三方工具，利用外部靶点信息对吸热管进行位置调整以及完成相机姿态的动态校准。利用本文提出的方法进行实验，调整后各反射镜的平均截断因子近似为1，说明吸热管在子镜中的实际成像位置与理论成像位置近似重合，验证了检测方法的正确性和可行性。

关键词：太阳能聚光器；吸热管；反射成像法；检测

0　引言

太阳能系统的性能取决于聚光器聚集太阳光的效率。聚光器是太阳能电站的光能收集单元，一般由大量的子镜拼接而成，并将太阳光聚焦到吸热管上[1]。将聚光器各子镜精确地安装和减小各子镜的面形误差，能将太阳光最大化地反射到吸热管上，从而提高吸热管的截断效率。对于抛物槽式太阳能聚光器而言，应当确保：1)吸热管根据扭矩管正确安装；2)为了获得满意的截断效率，聚光器各个子镜应当正确安装，并且有尽可能小的面形误差。

摄影测量法[2]能够检测吸热管和各子镜的安装位置，通过光线跟踪来评估截断效率。但该方法最大的缺点是需要在吸热管和子镜上设定大量的特殊靶标，测量结束后必须移除这些靶标点。因此，对于成千上万面子镜构成的大型商业槽式电站，摄影测量法不能满足实际的需求。

1995年，Diver[3]首次提出利用接收靶反射成像法检测CPG-460碟式聚光器的面形。而吸热管反射成像法[4]源于接收靶反射成像法，通过比较吸热管在子镜中的实际成像位置与理论成像位置，检测聚光器面形和各子镜的位置误差。但是吸热管成像法，对于安装位置、相机的运动方向要求较高，具体的要求是：要求吸热管与聚光镜的转轴保持水平，同时相机扫描运动方向保持竖直。

本文采用Marposs公司研发的VISField系统利用吸热管反射成像法，能够一次性检测一个长达12米的太阳能模块，能够提供：1)截断效率图；2)聚光器整体的平均截断效率和各个子镜的平均截断效率；3)为了提高截断效率，各个子镜需要调整的值。同时利用全站仪在吸热管与反射镜外设置靶标，对吸热管以及相机的运动方向进行修正。

1　吸热管成像测量法基本原理

吸热管成像视觉检测系统是基于光路可逆性原理。考虑理想的抛物柱面槽式太阳能聚光器的一部分，如图1所示。将相机光心Oc看作点光源，射线r经过Oc点，平行于抛物线轴线入射，与抛物线相交于A点，经过反射后的光线指向抛物槽式太阳能聚光器的焦点F，最终与吸热管相交于B点，则B点与A点和F点在一条直线上。反之，根据光路可逆性原理，改变光线的传播方向，从B点发出的射线，经过A点反射后，必定会沿着相同的路径通过Oc点。位于Oc点的相机能够观察到吸热管在抛物槽式聚光器表面所形成的黑色图像，图像宽度由Xmin和Xmax决定。一方面，除B点外，从吸热管上其他任意一点发出的射线经过A点反射都不会经过Oc点；另一方面，除射线BA外，从B点发出的其他任意射线均不会经A点反射通过Oc点。

因此，吸热管上的点B，聚光器上的点A和相机图像上的点存在一一对应关系。利用解析几何可以计算出吸热管的成像边界点C、D在聚光镜上的反射点G点和E点在OXYZ坐标系下的坐标，代入相机成像的数学模型即可计算出吸热管在相机图像中的理论位置。

在实际情况下，经过A点反射并且在相机上成像坐标为xc的吸热管上的点应当与太阳光入射的光斑中心相一致，光斑半径可由下式计算：

s=AB×tan(α) (1)

式中AB为吸热管与反射点A之间的光线长度(实际上，吸热管的半径远小于焦距长度，因此有AB≈AF)，表示太阳光辐射圆锥角的一半。从Oc点观察，位于子镜表面上的假想太阳光斑的图像将位于XSmin和XSmax之间。

图1　从观察点Oc观测到的吸热管反射图像Fig.1 The reflection image of the endothermic tubeobserved from the observation point Oc

如图2所示，给定Oc点的位置和吸热管上任意成像点Q，则在抛物柱面镜上存在唯一一点P，使得从Q点发出的光线能够反射回Oc点。分别考虑聚光器子镜上的反射点P和直线POc和PQ与理想抛物线法线的夹角αi和αr，假设子镜表面不存在面型误差，调节P点位置使得αi=αr，则说明子镜位置完全校准。

假设由于某种原因使得P点处的斜率偏离理想条件下的角度值为 ，则从Oc点所获得的吸热管的图像将在x轴方向上移动距离大约为2×M×δ×FA，其中M为图像放大倍数，其值为(xmax-xmin)/2r。因为如果P点的斜率变化δ，则反射角增加2δ，因此，反射到吸热管上的点将移动2δ×FA。根据光路可逆性原理，在相机中吸热管上点的图像将移动2×M×δ×FA。如果P点坐标位置发生偏移，也会出现类似的影响，但是对于高质量的子镜来讲，其误差不会超过1mm，波动非常小，因此可以忽略不计。

通过分析吸热管在相机图像中的位置，可以定量获得子镜中P点处斜率的偏差大小和局部截断因子。设图像偏移为Δ，即Δ=2×M×δ×FP，则斜率误差为

图2　给定Oc点和吸热管上的任意点QFig.2 Given point Ocand any point Q on the endothermic tube

局部截断效率可以由吸热管图像中的XSmin和XSmax给出。如图3（a）所示，图中展示了一个12米长的实验备用模块的主视图，抛物槽的开口方向平行于水平面，相机光心Oc大约位于(xc=9m, yc=1.9m)处，图中从上到下的四条水平线分别对应Xmax，XSmax，XSmin和Xmin。抛物槽式聚光器的下半部分由七面内镜和七面外镜组成，可以看到七面外镜中的大部分反射镜安装位置都不太理想，根据XSmin和XSmax所限定的区域我们可以得出，该区域布满吸热管黑色图像时，沿X方向上局部截断因子为1，否则需要调节反射镜位置使其满足该条件，如图3（a）中吸热管的图像所示，调整各反射镜的位置，得到如图3（b）所示结果，可以看出吸热管图像位置已经明显改善。

为了获得完整的信息，需要沿着X轴方向从抛物线的顶点开始到抛物线的外边界拍摄多幅图像；从一帧图像到下一帧图像的最佳步数应当为抛物柱面表面的数字分辨率，即像素图像的边界。以此为标准利用Mpx相机进行拍摄，大约需要拍摄几百帧图像。

图3　太阳能聚光器校准Fig.3 The calibration of solar concentrator

2　基于外部靶点信息的吸热管位置调整及相机姿态的动态校准

吸热管反射成像法要求对吸热管位置进行调整，使其平行于聚光镜的扭矩管，为解决此问题，本文提出了一种根据外部靶标点信息进行吸热管校准的方法。

首先，在扭矩管所在的直线L1和吸热管所在的直线L2上设置靶标点A、B、C、D，简化模型如图4所示。其次，利用全站仪测量四个靶标点的坐标，计算直线L1和L2的方向向量，判断两直线是否平行；若不平行，则调整吸热管的位置，直至两直线近似平行位置。最后，轻微调整吸热管的位置，使得四个靶标点在相机上成像于同一行像素上，则表明吸热管位置校准完毕。

图4　吸热管校准简化模型Fig.4 A simplified model of theendothermic tube calibration

此外，吸热管反射成像法要求相机扫描的运动方向保持竖直，在实际操作中难以保证精度。本文利用已知的四个靶标点坐标，可以对相机在任意位置的姿态进行动态标定。根据针孔相机成像的数学模型，有式(3)中，相机的内参数矩阵已知，平移矩阵T可以通过相机移动的距离得到，则将四个靶标点A、B、C、D的世界坐标和在相机图像中对应的像素坐标代入式(3)，再利用最小二乘法可求解出旋转矩阵R的三个参数，因此可以确定此时相机的姿态。

3　试验结果与结论

利用本文所述的方法，根据吸热管在实际图像中的位置与理论图像中的位置偏差，可以检测聚光器的安装质量。图5(a)表示了在调整前，聚光器的截断因子图谱；图5(b)表示了在调整后，聚光器的截断因子图谱。

图5　截断因子图谱Fig.5 The map of the intercept factor

图6　各反射镜的平均截断因子Fig.6 The intercept factor of each mirror

在图谱中，颜色越深表示截断因子越低，从图5可知该系统能够精确的检测太阳能聚光器的安装质量。为了更加形象的描述聚光器调整前后的效果，将聚光器各个反射镜的平均截断因子绘制成直方图，如图6所示。

从图6的结果可以看出，经过调整，各反射镜沿X方向上的局部截断因子近似为1。说明由XSmin和XSmax所限定的区域已经布满吸热管黑色图像，即聚光器各反射镜的位置已经安装正确。试验结果表明，本文提出的方法能够快速有效的检测太阳能聚光器各子镜的安装质量并且对其进行调整，适用于绝大多数类型的抛物槽式太阳能聚光器。

参考文献:

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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

作者简介：朱小炜(1980-)，男，本科，土木工程，中级工程师(电力工程)

*基金项目：国家863计划(2012AA050603)。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.06.01

本文引用格式：朱小炜，符伟，张玉霞，等.一种槽式太阳能聚光器安装质量的检测方法[J].新型工业化，2015，5(6)：1-5