一種槽式太陽能聚光器安裝質量的檢測方法

朱小煒，符偉，張玉霞，王博威

（中廣核太陽能開發有限公司，北京 100048）

一種槽式太陽能聚光器安裝質量的檢測方法

朱小煒，符偉，張玉霞，王博威

（中廣核太陽能開發有限公司，北京 100048）

摘 要：為有效提高拋物槽式太陽能聚光器的聚光效率，需要對聚光器各個反射鏡的安裝位置進行檢測和校準。本文采用Marposs公司研發的VISField系統，利用吸熱管反射成像法，根據相機與聚光器的相對位置關系，推導吸熱管在子鏡中的成像位置，進而完成聚光器各子鏡位置誤差的調整。以全站儀為第三方工具，利用外部靶點信息對吸熱管進行位置調整以及完成相機姿態的動態校準。利用本文提出的方法進行實驗，調整后各反射鏡的平均截斷因子近似為1，說明吸熱管在子鏡中的實際成像位置與理論成像位置近似重合，驗證了檢測方法的正確性和可行性。

關鍵詞：太陽能聚光器；吸熱管；反射成像法；檢測

0　引言

太陽能系統的性能取決于聚光器聚集太陽光的效率。聚光器是太陽能電站的光能收集單元，一般由大量的子鏡拼接而成，并將太陽光聚焦到吸熱管上[1]。將聚光器各子鏡精確地安裝和減小各子鏡的面形誤差，能將太陽光最大化地反射到吸熱管上，從而提高吸熱管的截斷效率。對于拋物槽式太陽能聚光器而言，應當確保：1)吸熱管根據扭矩管正確安裝；2)為了獲得滿意的截斷效率，聚光器各個子鏡應當正確安裝，并且有盡可能小的面形誤差。

攝影測量法[2]能夠檢測吸熱管和各子鏡的安裝位置，通過光線跟蹤來評估截斷效率。但該方法最大的缺點是需要在吸熱管和子鏡上設定大量的特殊靶標，測量結束后必須移除這些靶標點。因此，對于成千上萬面子鏡構成的大型商業槽式電站，攝影測量法不能滿足實際的需求。

1995年，Diver[3]首次提出利用接收靶反射成像法檢測CPG-460碟式聚光器的面形。而吸熱管反射成像法[4]源于接收靶反射成像法，通過比較吸熱管在子鏡中的實際成像位置與理論成像位置，檢測聚光器面形和各子鏡的位置誤差。但是吸熱管成像法，對于安裝位置、相機的運動方向要求較高，具體的要求是：要求吸熱管與聚光鏡的轉軸保持水平，同時相機掃描運動方向保持豎直。

本文采用Marposs公司研發的VISField系統利用吸熱管反射成像法，能夠一次性檢測一個長達12米的太陽能模塊，能夠提供：1)截斷效率圖；2)聚光器整體的平均截斷效率和各個子鏡的平均截斷效率；3)為了提高截斷效率，各個子鏡需要調整的值。同時利用全站儀在吸熱管與反射鏡外設置靶標，對吸熱管以及相機的運動方向進行修正。

1　吸熱管成像測量法基本原理

吸熱管成像視覺檢測系統是基于光路可逆性原理。考慮理想的拋物柱面槽式太陽能聚光器的一部分，如圖1所示。將相機光心Oc看作點光源，射線r經過Oc點，平行于拋物線軸線入射，與拋物線相交于A點，經過反射后的光線指向拋物槽式太陽能聚光器的焦點F，最終與吸熱管相交于B點，則B點與A點和F點在一條直線上。反之，根據光路可逆性原理，改變光線的傳播方向，從B點發出的射線，經過A點反射后，必定會沿著相同的路徑通過Oc點。位于Oc點的相機能夠觀察到吸熱管在拋物槽式聚光器表面所形成的黑色圖像，圖像寬度由Xmin和Xmax決定。一方面，除B點外，從吸熱管上其他任意一點發出的射線經過A點反射都不會經過Oc點；另一方面，除射線BA外，從B點發出的其他任意射線均不會經A點反射通過Oc點。

因此，吸熱管上的點B，聚光器上的點A和相機圖像上的點存在一一對應關系。利用解析幾何可以計算出吸熱管的成像邊界點C、D在聚光鏡上的反射點G點和E點在OXYZ坐標系下的坐標，代入相機成像的數學模型即可計算出吸熱管在相機圖像中的理論位置。

在實際情況下，經過A點反射并且在相機上成像坐標為xc的吸熱管上的點應當與太陽光入射的光斑中心相一致，光斑半徑可由下式計算：

s=AB×tan(α) (1)

式中AB為吸熱管與反射點A之間的光線長度(實際上，吸熱管的半徑遠小于焦距長度，因此有AB≈AF)，表示太陽光輻射圓錐角的一半。從Oc點觀察，位于子鏡表面上的假想太陽光斑的圖像將位于XSmin和XSmax之間。

圖1　從觀察點Oc觀測到的吸熱管反射圖像Fig.1 The reflection image of the endothermic tubeobserved from the observation point Oc

如圖2所示，給定Oc點的位置和吸熱管上任意成像點Q，則在拋物柱面鏡上存在唯一一點P，使得從Q點發出的光線能夠反射回Oc點。分別考慮聚光器子鏡上的反射點P和直線POc和PQ與理想拋物線法線的夾角αi和αr，假設子鏡表面不存在面型誤差，調節P點位置使得αi=αr，則說明子鏡位置完全校準。

假設由于某種原因使得P點處的斜率偏離理想條件下的角度值為 ，則從Oc點所獲得的吸熱管的圖像將在x軸方向上移動距離大約為2×M×δ×FA，其中M為圖像放大倍數，其值為(xmax-xmin)/2r。因為如果P點的斜率變化δ，則反射角增加2δ，因此，反射到吸熱管上的點將移動2δ×FA。根據光路可逆性原理，在相機中吸熱管上點的圖像將移動2×M×δ×FA。如果P點坐標位置發生偏移，也會出現類似的影響，但是對于高質量的子鏡來講，其誤差不會超過1mm，波動非常小，因此可以忽略不計。

通過分析吸熱管在相機圖像中的位置，可以定量獲得子鏡中P點處斜率的偏差大小和局部截斷因子。設圖像偏移為Δ，即Δ=2×M×δ×FP，則斜率誤差為

圖2　給定Oc點和吸熱管上的任意點QFig.2 Given point Ocand any point Q on the endothermic tube

局部截斷效率可以由吸熱管圖像中的XSmin和XSmax給出。如圖3（a）所示，圖中展示了一個12米長的實驗備用模塊的主視圖，拋物槽的開口方向平行于水平面，相機光心Oc大約位于(xc=9m, yc=1.9m)處，圖中從上到下的四條水平線分別對應Xmax，XSmax，XSmin和Xmin。拋物槽式聚光器的下半部分由七面內鏡和七面外鏡組成，可以看到七面外鏡中的大部分反射鏡安裝位置都不太理想，根據XSmin和XSmax所限定的區域我們可以得出，該區域布滿吸熱管黑色圖像時，沿X方向上局部截斷因子為1，否則需要調節反射鏡位置使其滿足該條件，如圖3（a）中吸熱管的圖像所示，調整各反射鏡的位置，得到如圖3（b）所示結果，可以看出吸熱管圖像位置已經明顯改善。

為了獲得完整的信息，需要沿著X軸方向從拋物線的頂點開始到拋物線的外邊界拍攝多幅圖像；從一幀圖像到下一幀圖像的最佳步數應當為拋物柱面表面的數字分辨率，即像素圖像的邊界。以此為標準利用Mpx相機進行拍攝，大約需要拍攝幾百幀圖像。

圖3　太陽能聚光器校準Fig.3 The calibration of solar concentrator

2　基于外部靶點信息的吸熱管位置調整及相機姿態的動態校準

吸熱管反射成像法要求對吸熱管位置進行調整，使其平行于聚光鏡的扭矩管，為解決此問題，本文提出了一種根據外部靶標點信息進行吸熱管校準的方法。

首先，在扭矩管所在的直線L1和吸熱管所在的直線L2上設置靶標點A、B、C、D，簡化模型如圖4所示。其次，利用全站儀測量四個靶標點的坐標，計算直線L1和L2的方向向量，判斷兩直線是否平行；若不平行，則調整吸熱管的位置，直至兩直線近似平行位置。最后，輕微調整吸熱管的位置，使得四個靶標點在相機上成像于同一行像素上，則表明吸熱管位置校準完畢。

圖4　吸熱管校準簡化模型Fig.4 A simplified model of theendothermic tube calibration

此外，吸熱管反射成像法要求相機掃描的運動方向保持豎直，在實際操作中難以保證精度。本文利用已知的四個靶標點坐標，可以對相機在任意位置的姿態進行動態標定。根據針孔相機成像的數學模型，有式(3)中，相機的內參數矩陣已知，平移矩陣T可以通過相機移動的距離得到，則將四個靶標點A、B、C、D的世界坐標和在相機圖像中對應的像素坐標代入式(3)，再利用最小二乘法可求解出旋轉矩陣R的三個參數，因此可以確定此時相機的姿態。

3　試驗結果與結論

利用本文所述的方法，根據吸熱管在實際圖像中的位置與理論圖像中的位置偏差，可以檢測聚光器的安裝質量。圖5(a)表示了在調整前，聚光器的截斷因子圖譜；圖5(b)表示了在調整后，聚光器的截斷因子圖譜。

圖5　截斷因子圖譜Fig.5 The map of the intercept factor

圖6　各反射鏡的平均截斷因子Fig.6 The intercept factor of each mirror

在圖譜中，顏色越深表示截斷因子越低，從圖5可知該系統能夠精確的檢測太陽能聚光器的安裝質量。為了更加形象的描述聚光器調整前后的效果，將聚光器各個反射鏡的平均截斷因子繪制成直方圖，如圖6所示。

從圖6的結果可以看出，經過調整，各反射鏡沿X方向上的局部截斷因子近似為1。說明由XSmin和XSmax所限定的區域已經布滿吸熱管黑色圖像，即聚光器各反射鏡的位置已經安裝正確。試驗結果表明，本文提出的方法能夠快速有效的檢測太陽能聚光器各子鏡的安裝質量并且對其進行調整，適用于絕大多數類型的拋物槽式太陽能聚光器。

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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

作者簡介：朱小煒(1980-)，男，本科，土木工程，中級工程師(電力工程)

*基金項目：國家863計劃(2012AA050603)。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.06.01

本文引用格式：朱小煒，符偉，張玉霞，等.一種槽式太陽能聚光器安裝質量的檢測方法[J].新型工業化，2015，5(6)：1-5