[发明专利]基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法

说明书

技术领域

本发明属于塔式太阳能聚热发电系统技术领域，具体涉及一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法。

背景技术

太阳能发电分为太阳能直接发电和太阳能间接聚热发电两种形式，其中塔式太阳能聚热发电是间接聚热发电的一种重要方法。塔式太阳能聚热发电是建造一个顶端装有集热器的集热塔，在塔下一定范围内布置大量反射镜，通过反射镜将太阳辐射能汇聚在集热器上加热工质，产生高温高压蒸汽，进而驱动发电机产生电能的发电技术。

由于太阳光线入射角度随天体运动不断变化，为了保证反射镜始终将来自太阳的光能准确反射到集热器上，就必须使用自动控制系统对反射镜角度进行连续调节，锁定太阳、镜面、集热器三者之间的反射关系。专业上将这种具有自动调节镜面角度使其跟踪太阳运动，保证能量汇聚点不变的反射镜称为“定日镜”，而大量定日镜构成的集合被称为“定日镜场”或“镜场”。

为保证集热器高效工作，需要不断调整镜场中各个定日镜的旋转角和俯仰角，使得定日镜场能把太阳辐射能最大化反射到集热器上，这就需要借助自动控制系统对镜面角度进行实时控制。定日镜角度控制的实现分为以下几个步骤：首先利用天文计算法或仪器测量法，获得整个镜场的太阳光线入射角；然后再根据各个定日镜与集热器的位置关系，分别计算将光线反射到集热器的定日镜理想镜面反射角；最终由控制系统根据计算结果，驱动电机对镜架机械支撑系统的转角进行调整，进而对镜面角度进行控制。

因此定日镜角度的自动跟踪控制以及整个镜场的协调控制，是塔式太阳能聚热发电装置的关键技术之一。

由于不能方便的检测光线反射角，因而无法对其进行直接控制。常见的定日镜控制系统是通过对镜架转轴角度(包括旋转和俯仰)的测量和控制来间接实现镜面角度控制。由于缺乏对最终控制结果的检验，这种控制方法从严格意义上讲是一个开环控制系统，实际控制效果会受到以下因素影响：

一、镜架旋转运动轴的旋转角和镜面实际反射角之间存在一个基准零点问题，在设备初始安装和维修后需要对镜面角度进行校正，才能保证两者的一致性。由于定日镜数量巨大，对其进行手动校正的工作量也非常大，拖延了光热电站的调试时间，也增加了整个系统的建设和运行维护成本。

二、当定日镜架发生机械变形或者地基沉陷等问题时，在镜架转轴旋转角不变的情况下，实际反射角却会发生变化。由于塔式聚热发电对定日镜反射角的控制精度要求高，一旦产生这种误差，就会使聚热镜场发生严重的散焦问题，影响聚热效果和发电效率。由于镜场长期运行中的机械变形和地基沉降难以避免，所以如何在电站运行中在线校正镜面控制误差，是关系到电站长期稳定运行的关键。

定日镜的机械旋转角度与镜面反射光角度变化的关系，也就是角度转换系数，由机械系统的传动比确定，是严格准确的。而上述机械变形和地基沉降的影响，只是表现在俯仰和旋转两个角度的检测及控制系统的零点偏移量方面。因此定日镜的标定和校准都是对控制系统的零点偏差进行的。

在某些定日镜控制系统中，在每个定日镜前方正对集热器的光路上安装一个光学传感器，用于检测反射光角度与集热器的方位是否一致，从而实现反射光线角度的闭环控制。由于定日镜数量巨大，为每个定日镜安装光学测量装置的成本巨大，且不便于安装和维护，因此没有被广泛采用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，能实现镜场安装时的定日镜与集热器的准确对正，且能对镜场长期运行中对因机械变形和地基沉降产生的误差进行校正。

本发明所采用的技术方案是，一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，其特征在于，具体步骤如下：

首先，通过摄像机拍摄待校正定日镜及该定日镜中的太阳光斑图像，对获得图像进行处理，得到太阳光斑图像在该定日镜中的相对位置，判断该太阳光斑图像是否位于定日镜的中心位置，如果位于中心位置，则判断摄像机与待校正定日镜对正；否则，通过太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，计算太阳反射光与反射轴之间的角度偏差，并定义为该定日镜的反射角偏差θ，控制定日镜的法线方向向消除偏差的方向转动θ/2，可实现该定日镜与摄像机的对正；

其次，通过已知的集热器与摄像机、以及待校正定日镜与集热塔的位置关系，计算定日镜对正摄像机与定日镜对正集热器之间的偏角θ′，将已与摄像机对正的定日镜的法线方向向集热器方向转动θ′/2，可实现该定日镜与集热器对正。

进一步地，定日镜的反射角偏差θ的计算公式为：其中，γ为太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，f为摄像机焦距。