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電站中，太陽光經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中心高處，屬于非運動光學設備，且存在一定的制造與安裝誤差，而定日鏡為運動機構，因此需要對定日鏡的指向精度和跟蹤精度進行校正以保證太陽光能的截斷率和匯聚效率[1-2]。定日鏡的一次反射指向精度和跟蹤精度可通過標定白板等方法進行校正，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，導致經二次反射后的太陽光無法有效匯聚于吸熱器內，影響電站發電效率。因此，需要一種能夠校正定日鏡二次反射指向的方法。

1 國內外指向校正方法比較

國內外現有校正方法主要通過對二次反射鏡盤的實際安裝姿態進行間接校正，而二次反射鏡盤的實際安裝姿態主要通過測距方式獲得，即通過二次反射鏡盤上各點至觀測點的距離信息和角度信息擬合出二次反射鏡盤的實際空間姿態。常用的遠距離測距方法主要包括飛時測距法和雙目測距法。飛時測距法[3-4]的本質是通過計算激光脈沖發出和返回的時間差來獲得設備到被測點的距離。該方法屬于點測量方法，由于需要接收來自激光脈沖的回波信號，且需要布置基于漫反射的大量標識測位，所以該方法對表面反射率較高的待測件應用較差，不建議用其對二次反射鏡盤進行直接檢測。雙目測距法[5-7]的本質是利用雙目視差原理，即被測物上的某個特征點在兩臺圖像采集器的像平面上所處的位置不同，根據位置偏差和圖像采集器的參數信息解算被測點的空間坐標。雙目測距法的測距精度受圖像采集器參數和物距的影響，測量遠距離的物體時，需要使用長焦鏡頭，但有效視場會變小，導致測量二次反射鏡盤時需要多次調整設備位置。上述兩種方法均屬于間接方法，需要先通過各個測點擬合出二次反射鏡盤的空間姿態，再根據定日鏡中心坐標和吸熱器中心坐標解算每臺定日鏡的二次反射指向，易在計算中引入新的誤差。

在判斷定日鏡反射光時，目前主要通過人眼辨識定日鏡二次反射光是否落入吸熱器內的方法對定日鏡二次反射指向校正結果進行驗證，該方法操作不便，且主觀誤差較大。另有基于輻照度計的測量方法[8]，在吸熱器面上方建立一個檢測平面，將該平面離散化成方形單元，每個單元中心設置一個輻照度計，用于測量每個點的二次反射光斑強度，以此描述整個檢測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證方法，即利用圖像識別技術校正定日鏡的二次反射指向偏差，以及驗證定日鏡的二次反射指向校正效果。

2 指向偏差校正系統設計

2.1 系統整體設計

太陽入射光照射到塔式光熱電站鏡場的數千臺定日鏡，經過定日鏡鏡面反射后，到達光熱電站鏡場中心位置的二次反射鏡鏡盤，再經過二次反射后，到達位于鏡場中心、二次反射鏡盤正下方的吸熱器。吸熱器采集整個鏡場收集的二次反射太陽光后，加熱吸熱器內部管路的熔鹽，然后驅動常規島汽輪機發電。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，用于拍攝從二次反射鏡返回的定日鏡成像，此時需要通過控制系統調節定日鏡鏡面的旋轉角度，確保入射光實時進入吸熱器。

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像：一個為定日鏡的一次反射光斑像，另一個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像：一次反射光斑像的中心是定日鏡中心實際反射光線與二次反射鏡鏡面的交點，該交點相當于定日鏡在二次反射鏡面上的實際指向點；定日鏡虛像中心則是定日鏡的理想指向點，當一次反射光斑像的中心與理想指向點重合時，則二次反射光斑中心恰好落在吸熱器中心，才能加熱熔鹽并驅動發電。

2.3 控制系統設計

定日鏡指向偏差校正系統采用可編程邏輯控制器（PLC）作為中央控制器，配套高分辨率工業相機作為圖像采集輸入，其硬件原理與構成如圖3 所示。圖像采集系統[9]包含圖像信息采集用的工業相機及圖像數據計算與存儲模塊，中央控制器則配置了用于指令輸入與狀態顯示的人機交互模塊、定日鏡旋轉的姿態執行模塊及電源等功能模塊[10]。

圖3 控制系統硬件框圖

3 自動偏差校正定日流程

根據定日鏡每日跟蹤太陽位置的運營表，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通過工業相機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行數據計算，分析定日鏡虛像與太陽光斑的偏差，然后將分析結果發送到中央控制器。當虛像與光斑兩者不完全重合時，控制定日鏡方位軸和俯仰軸旋轉，經過多次圖像采集反饋與控制，最終實現定日鏡虛像與太陽光斑重合，確保定日鏡能實時調整姿態。整個偏差校正定日流程如圖4 所示，其實現了整體控制的全自動化、遠程化，節省了大量人力資源，且其硬件系統和線路設計為模塊化功能分區，具有結構緊湊、升級迭代靈活、故障查找和線路維修快捷等優勢。

圖4 偏差校正定日流程

4 工程應用

西北某國家首批光熱示范電站項目為50MW 光熱電站，計劃配置15 個鏡場聚光系統及太陽光反射塔，每個鏡場系統配置2 000 余臺定日鏡，整個光熱電站總計約40 000 臺定日鏡。在定日鏡聚光調試過程中，發現個別定日鏡在跟隨太陽光反射時，入射光經過反射后不能實時射入吸熱器內，導致系統的整體輸入光功率略有下降。應用本文的校正系統后，對二次反射鏡面光斑和虛像光斑未重合的目標定日鏡進行了調節試驗。二次反射鏡面圖像如圖5所示。根據圖5 調節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，且達到亮度最大和面積最大。

圖5 二次反射鏡面圖像

通過試驗發現，當目標定日鏡的二次反射鏡面光斑和其虛像重合時，該定日鏡的二次反射光斑照射在吸熱器中心附近。以某臺定日鏡為例，當二次反射鏡面上的光斑逐漸向目標定日虛像靠近時，兩個光斑像在圖像中的亮度同時提高，且從二次反射鏡塔頂相機可觀察到目標定日鏡的二次反射光斑逐漸向吸熱器蓋板中心移動，當兩個光斑像基本重合時，該定日鏡的二次反射光斑正好處于吸熱器中心區域的設計光斑點，吸熱器截斷率大大提高，試驗結果完全符合設計預期。

5 結論

定日鏡在鏡場中的位置一定，則其二次反射鏡面上的虛像位置也不變，因而可以不斷調整定日鏡的轉角，使該定日鏡二次反射鏡面光斑逐漸向其虛像靠攏，當兩者光斑中心重合時，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。實際應用表明，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果驗證。