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光熱電站二次反射鏡的制造誤差和施工誤差，以及定日鏡的運動姿態會導致來自定日鏡的二次反射光無法準確落入吸熱器區域，從而使吸熱器的截斷率無法滿足要求。鑫晨光熱（上海）新能源有限公司的研究人員沈志華，在2021年第4期《電氣技術》上撰文，通過分析二次反射的光路原理與定日鏡在二次反射鏡面的成像原理，確定定日鏡指向偏差的校正方法，設計相應的硬件系統，并經過實際的工程驗證，為光熱電站同類系統的成功投運提供參考。

在二(er)(er)次反(fan)射(she)(she)塔式光熱發電站(zhan)中，太(tai)(tai)陽光經定日鏡(jing)和(he)(he)二(er)(er)次反(fan)射(she)(she)鏡(jing)盤(pan)的兩次反(fan)射(she)(she)后照射(she)(she)至吸熱器處，二(er)(er)次反(fan)射(she)(she)鏡(jing)盤(pan)安裝于鏡(jing)場中心高處，屬于非運(yun)動(dong)光學設備(bei)，且存在一定的制(zhi)造與安裝誤差，而定日鏡(jing)為(wei)運(yun)動(dong)機構(gou)，因此(ci)需要對定日鏡(jing)的指(zhi)向精度和(he)(he)跟蹤精度進行(xing)校正以(yi)保(bao)證太(tai)(tai)陽光能的截(jie)斷率和(he)(he)匯聚效率。

定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)的一次反(fan)(fan)射(she)指(zhi)向(xiang)(xiang)精度和跟蹤精度可(ke)通(tong)過標定(ding)(ding)白(bai)板(ban)等方(fang)法(fa)進行校(xiao)(xiao)正，而受二次反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)盤(pan)的安(an)裝誤(wu)差(cha)影(ying)響，定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)的二次反(fan)(fan)射(she)指(zhi)向(xiang)(xiang)可(ke)能(neng)存在(zai)偏差(cha)，導致經二次反(fan)(fan)射(she)后的太陽光(guang)無法(fa)有效匯聚于吸熱器內，影(ying)響電站(zhan)發電效率。因(yin)此，需要一種能(neng)夠校(xiao)(xiao)正定(ding)(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)二次反(fan)(fan)射(she)指(zhi)向(xiang)(xiang)的方(fang)法(fa)。

1國內外指向校正方法比較

國內外現有校(xiao)正(zheng)方法主(zhu)要通過(guo)對二(er)次反(fan)(fan)射鏡盤(pan)的(de)實(shi)際(ji)安(an)裝姿(zi)態進行間接校(xiao)正(zheng)，而二(er)次反(fan)(fan)射鏡盤(pan)的(de)實(shi)際(ji)安(an)裝姿(zi)態主(zhu)要通過(guo)測距(ju)方式獲得，即通過(guo)二(er)次反(fan)(fan)射鏡盤(pan)上各點至觀測點的(de)距(ju)離(li)信(xin)息和角度信(xin)息擬合出(chu)二(er)次反(fan)(fan)射鏡盤(pan)的(de)實(shi)際(ji)空間姿(zi)態。

常用的遠距(ju)離測距(ju)方法(fa)(fa)主要(yao)包括飛時測距(ju)法(fa)(fa)和雙目(mu)測距(ju)法(fa)(fa)。

飛(fei)時測(ce)距法(fa)的(de)本質是通過計算(suan)激光脈沖發出和返回(hui)的(de)時間差來獲得設備到被測(ce)點(dian)的(de)距離。該(gai)方法(fa)屬于(yu)點(dian)測(ce)量方法(fa)，由于(yu)需要接(jie)收(shou)來自激光脈沖的(de)回(hui)波信號，且(qie)需要布置基于(yu)漫反射(she)的(de)大(da)量標識測(ce)位，所以(yi)該(gai)方法(fa)對(dui)(dui)表(biao)面反射(she)率較(jiao)高的(de)待測(ce)件應用(yong)(yong)較(jiao)差，不(bu)建議用(yong)(yong)其對(dui)(dui)二(er)次反射(she)鏡盤進行直接(jie)檢測(ce)。

雙目測(ce)距(ju)法的(de)本質(zhi)是利用雙目視差(cha)原理(li)，即(ji)被(bei)測(ce)物(wu)上的(de)某個(ge)特征點在兩臺圖像采(cai)集(ji)器的(de)像平面上所處的(de)位(wei)置(zhi)不(bu)同，根據位(wei)置(zhi)偏差(cha)和(he)圖像采(cai)集(ji)器的(de)參數(shu)(shu)信(xin)息解算被(bei)測(ce)點的(de)空間坐(zuo)標。雙目測(ce)距(ju)法的(de)測(ce)距(ju)精度受圖像采(cai)集(ji)器參數(shu)(shu)和(he)物(wu)距(ju)的(de)影(ying)響，測(ce)量遠距(ju)離(li)的(de)物(wu)體時(shi)，需要使用長焦(jiao)鏡(jing)頭(tou)，但有效(xiao)視場會變小，導致測(ce)量二次反射鏡(jing)盤時(shi)需要多(duo)次調(diao)整設備位(wei)置(zhi)。

上述兩種方法均屬于間(jian)接方法，需要(yao)先(xian)通(tong)過各個測點(dian)擬合出二次(ci)反(fan)射鏡盤的(de)空(kong)間(jian)姿態，再(zai)根據定日鏡中心坐(zuo)標和吸(xi)熱器中心坐(zuo)標解算每臺定日鏡的(de)二次(ci)反(fan)射指向(xiang)，易(yi)在計(ji)算中引(yin)入(ru)新的(de)誤(wu)差。

在判斷定(ding)(ding)日鏡(jing)反(fan)(fan)(fan)(fan)射光(guang)(guang)時，目前(qian)主(zhu)要(yao)通過人眼辨(bian)識定(ding)(ding)日鏡(jing)二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)(fan)射光(guang)(guang)是否落(luo)入(ru)吸(xi)熱(re)器內的方法(fa)(fa)(fa)對定(ding)(ding)日鏡(jing)二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)(fan)射指向校正(zheng)結果進行驗證，該(gai)方法(fa)(fa)(fa)操作不便(bian)，且主(zhu)觀誤差較大。另(ling)有基于輻(fu)照度計的測(ce)(ce)量(liang)方法(fa)(fa)(fa)，在吸(xi)熱(re)器面上(shang)方建立一個(ge)(ge)(ge)檢(jian)測(ce)(ce)平面，將該(gai)平面離散化成(cheng)(cheng)方形(xing)單(dan)元，每(mei)個(ge)(ge)(ge)單(dan)元中(zhong)心(xin)設(she)置一個(ge)(ge)(ge)輻(fu)照度計，用于測(ce)(ce)量(liang)每(mei)個(ge)(ge)(ge)點的二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)(fan)射光(guang)(guang)斑強(qiang)度，以(yi)此描述整個(ge)(ge)(ge)檢(jian)測(ce)(ce)平面上(shang)的二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)(fan)射光(guang)(guang)斑分(fen)布情況，該(gai)方法(fa)(fa)(fa)操作不便(bian)，且成(cheng)(cheng)本較高。

針對(dui)以(yi)上問題，本文提出一種基于圖(tu)像的(de)定(ding)日(ri)鏡(jing)二(er)次(ci)反射(she)指向校正方(fang)法(fa)和驗證方(fang)法(fa)，即利(li)用圖(tu)像識別技術校正定(ding)日(ri)鏡(jing)的(de)二(er)次(ci)反射(she)指向偏差，以(yi)及驗證定(ding)日(ri)鏡(jing)的(de)二(er)次(ci)反射(she)指向校正效(xiao)果。

2指向偏差校正系統設計

2.1系統整體設計

太(tai)陽入射(she)光(guang)照射(she)到塔式光(guang)熱電站鏡(jing)場(chang)(chang)的(de)(de)數(shu)千(qian)臺定日鏡(jing)，經(jing)(jing)過定日鏡(jing)鏡(jing)面反(fan)(fan)(fan)射(she)后，到達光(guang)熱電站鏡(jing)場(chang)(chang)中心位置的(de)(de)二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)射(she)鏡(jing)鏡(jing)盤，再經(jing)(jing)過二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)射(she)后，到達位于(yu)鏡(jing)場(chang)(chang)中心、二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)射(she)鏡(jing)盤正(zheng)下(xia)方的(de)(de)吸熱器(qi)。吸熱器(qi)采集整個鏡(jing)場(chang)(chang)收集的(de)(de)二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)射(she)太(tai)陽光(guang)后，加熱吸熱器(qi)內部管路的(de)(de)熔鹽(yan)，然后驅動(dong)常規島汽(qi)輪機發電。太(tai)陽光(guang)二(er)(er)次反(fan)(fan)(fan)射(she)指向(xiang)偏差(cha)校正(zheng)成(cheng)像(xiang)光(guang)路原理如(ru)圖(tu)1所示(shi)。

圖1二次反射指向偏差校正成像光路原理圖

吸熱(re)(re)器(qi)(qi)頂(ding)部焦(jiao)平面中心附近裝有圖像采(cai)集系統(tong)(tong)，用于(yu)拍攝從二次反射(she)鏡(jing)返回的定(ding)(ding)日鏡(jing)成像，此時(shi)需(xu)要通過控(kong)制(zhi)系統(tong)(tong)調節定(ding)(ding)日鏡(jing)鏡(jing)面的旋轉角度(du)，確保入射(she)光實時(shi)進(jin)入吸熱(re)(re)器(qi)(qi)。

2.2二次反射鏡(jing)面(mian)成像原理(li)

二次反射(she)(she)鏡(jing)面(mian)成像(xiang)(xiang)(xiang)方(fang)式如圖2所示。定日鏡(jing)在二次反射(she)(she)鏡(jing)面(mian)上存在兩個(ge)像(xiang)(xiang)(xiang)：一(yi)(yi)個(ge)為定日鏡(jing)的一(yi)(yi)次反射(she)(she)光斑(ban)像(xiang)(xiang)(xiang)，另一(yi)(yi)個(ge)為定日鏡(jing)的自身虛(xu)像(xiang)(xiang)(xiang)。

圖2二次反射鏡面成像方式

若將圖像采(cai)(cai)集器(qi)(qi)置于吸熱器(qi)(qi)中心(xin)，則可在(zai)圖像采(cai)(cai)集器(qi)(qi)視(shi)野(ye)中看到兩個像：一(yi)次(ci)(ci)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)光(guang)斑像的(de)中心(xin)是定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)中心(xin)實(shi)(shi)際(ji)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)光(guang)線與二(er)次(ci)(ci)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)鏡(jing)(jing)面(mian)的(de)交點(dian)，該交點(dian)相(xiang)當于定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)在(zai)二(er)次(ci)(ci)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)面(mian)上的(de)實(shi)(shi)際(ji)指向(xiang)點(dian)；定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)虛像中心(xin)則是定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)的(de)理想指向(xiang)點(dian)，當一(yi)次(ci)(ci)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)光(guang)斑像的(de)中心(xin)與理想指向(xiang)點(dian)重合時，則二(er)次(ci)(ci)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)光(guang)斑中心(xin)恰好落在(zai)吸熱器(qi)(qi)中心(xin)，才能(neng)加(jia)熱熔(rong)鹽并(bing)驅動發電(dian)。

2.3控制系統設計

定(ding)日鏡指(zhi)(zhi)向偏差校正系統采(cai)用(yong)可(ke)編程邏(luo)輯(ji)控(kong)制(zhi)器(qi)（PLC）作為中央控(kong)制(zhi)器(qi)，配套高分辨率(lv)工業相機作為圖像采(cai)集(ji)輸入(ru)，其硬件(jian)原理與構成如圖3所示。圖像采(cai)集(ji)系統包含圖像信息采(cai)集(ji)用(yong)的(de)工業相機及圖像數據計算與存儲(chu)模塊(kuai)，中央控(kong)制(zhi)器(qi)則(ze)配置了用(yong)于指(zhi)(zhi)令輸入(ru)與狀態(tai)顯示的(de)人機交(jiao)互模塊(kuai)、定(ding)日鏡旋(xuan)轉的(de)姿態(tai)執(zhi)行模塊(kuai)及電(dian)源等功能模塊(kuai)。

圖3控制系統硬件(jian)框(kuang)圖

3自動偏差校正定日流程

根據(ju)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)每日(ri)跟蹤太(tai)(tai)陽(yang)(yang)位(wei)置的(de)(de)運營(ying)表，中央控制(zhi)器(qi)控制(zhi)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)面(mian)反(fan)(fan)射太(tai)(tai)陽(yang)(yang)光至二(er)(er)次反(fan)(fan)射鏡(jing)(jing)(jing)(jing)，從而在二(er)(er)次反(fan)(fan)射鏡(jing)(jing)(jing)(jing)上形成(cheng)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)光斑(ban)(ban)。置于(yu)熔鹽(yan)吸熱器(qi)頂部的(de)(de)圖像采(cai)集(ji)系統(tong)通過工業相機采(cai)集(ji)到二(er)(er)次反(fan)(fan)射鏡(jing)(jing)(jing)(jing)面(mian)的(de)(de)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)虛像和其(qi)反(fan)(fan)射的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)光斑(ban)(ban)后，直接(jie)按(an)照特(te)定(ding)的(de)(de)圖像處理算法(fa)進行數(shu)據(ju)計(ji)算，分(fen)析(xi)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)虛像與太(tai)(tai)陽(yang)(yang)光斑(ban)(ban)的(de)(de)偏差(cha)，然后將分(fen)析(xi)結果(guo)發(fa)送(song)到中央控制(zhi)器(qi)。

當虛(xu)像(xiang)與(yu)(yu)光(guang)斑(ban)兩者不完全重合時，控制(zhi)定(ding)日(ri)鏡方位軸(zhou)和(he)(he)俯仰軸(zhou)旋轉，經過多次圖像(xiang)采集反饋與(yu)(yu)控制(zhi)，最終實現(xian)定(ding)日(ri)鏡虛(xu)像(xiang)與(yu)(yu)太陽光(guang)斑(ban)重合，確(que)保(bao)定(ding)日(ri)鏡能實時調整姿(zi)態。整個偏差校正定(ding)日(ri)流程如圖4所示，其實現(xian)了(le)(le)整體控制(zhi)的全自動化、遠程化，節省(sheng)了(le)(le)大(da)量人力資源(yuan)，且其硬件(jian)系統和(he)(he)線(xian)路設(she)計為模塊化功能分區(qu)，具有(you)結構(gou)緊湊(cou)、升級迭(die)代靈活、故障查找和(he)(he)線(xian)路維修快捷等優勢。

圖(tu)4偏差校正定日流程

4工程應用

西北某國家首批光熱(re)示(shi)范電(dian)站項目(mu)為50MW光熱(re)電(dian)站，計(ji)劃配(pei)置(zhi)15個(ge)鏡(jing)(jing)(jing)場聚(ju)光系統(tong)及太陽光反(fan)射(she)塔，每(mei)個(ge)鏡(jing)(jing)(jing)場系統(tong)配(pei)置(zhi)2000余臺定日鏡(jing)(jing)(jing)，整個(ge)光熱(re)電(dian)站總計(ji)約40000臺定日鏡(jing)(jing)(jing)。在定日鏡(jing)(jing)(jing)聚(ju)光調試過程(cheng)中(zhong)，發現個(ge)別(bie)定日鏡(jing)(jing)(jing)在跟隨太陽光反(fan)射(she)時，入(ru)射(she)光經(jing)過反(fan)射(she)后不(bu)能實時射(she)入(ru)吸(xi)熱(re)器內(nei)，導致系統(tong)的整體輸入(ru)光功率略有(you)下(xia)降(jiang)。

應用(yong)本文(wen)的(de)校(xiao)正系統后(hou)，對二次反(fan)(fan)射鏡面光(guang)(guang)斑和(he)虛像(xiang)光(guang)(guang)斑未(wei)重合的(de)目標定(ding)日鏡進行了調(diao)節試驗(yan)。二次反(fan)(fan)射鏡面圖(tu)像(xiang)如圖(tu)5所示。根據圖(tu)5調(diao)節該定(ding)日鏡的(de)方位(wei)角(jiao)和(he)俯(fu)仰角(jiao)，使其二次反(fan)(fan)射鏡面光(guang)(guang)斑和(he)虛像(xiang)光(guang)(guang)斑基本重合，且達(da)到亮度最(zui)大和(he)面積最(zui)大。

圖5二次反射鏡(jing)面圖像

通過(guo)試(shi)驗發(fa)現，當(dang)目(mu)標定日鏡(jing)的(de)(de)二次(ci)(ci)反(fan)(fan)射鏡(jing)面光斑(ban)和其虛像(xiang)重(zhong)(zhong)合時(shi)(shi)，該定日鏡(jing)的(de)(de)二次(ci)(ci)反(fan)(fan)射光斑(ban)照射在吸熱器(qi)中(zhong)(zhong)心(xin)附近。以某臺定日鏡(jing)為例，當(dang)二次(ci)(ci)反(fan)(fan)射鏡(jing)面上的(de)(de)光斑(ban)逐漸向目(mu)標定日虛像(xiang)靠近時(shi)(shi)，兩個(ge)光斑(ban)像(xiang)在圖像(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)亮度(du)同(tong)時(shi)(shi)提(ti)高，且(qie)從(cong)二次(ci)(ci)反(fan)(fan)射鏡(jing)塔頂相機可(ke)觀察到目(mu)標定日鏡(jing)的(de)(de)二次(ci)(ci)反(fan)(fan)射光斑(ban)逐漸向吸熱器(qi)蓋板中(zhong)(zhong)心(xin)移(yi)動(dong)，當(dang)兩個(ge)光斑(ban)像(xiang)基本重(zhong)(zhong)合時(shi)(shi)，該定日鏡(jing)的(de)(de)二次(ci)(ci)反(fan)(fan)射光斑(ban)正好處(chu)于吸熱器(qi)中(zhong)(zhong)心(xin)區域的(de)(de)設計(ji)光斑(ban)點，吸熱器(qi)截(jie)斷率大大提(ti)高，試(shi)驗結果完全(quan)符合設計(ji)預期。

5結論

定日(ri)鏡在鏡場中的(de)位(wei)置一(yi)定，則(ze)其二次反射(she)(she)鏡面上(shang)的(de)虛像(xiang)位(wei)置也不變，因而可以不斷調整定日(ri)鏡的(de)轉角，使該定日(ri)鏡二次反射(she)(she)鏡面光斑(ban)(ban)逐(zhu)漸向其虛像(xiang)靠攏(long)，當兩者光斑(ban)(ban)中心(xin)重合時(shi)，則(ze)該定日(ri)鏡二次反射(she)(she)指向校正完畢，即該定日(ri)鏡二次反射(she)(she)光斑(ban)(ban)中心(xin)落在了(le)吸熱器(qi)中心(xin)附近。

實際應用表明，本文提出的基(ji)于(yu)圖(tu)像的定日鏡二(er)(er)次反射指(zhi)向校(xiao)正(zheng)方法(fa)，不僅可以(yi)用于(yu)定日鏡的二(er)(er)次反射指(zhi)向偏差校(xiao)正(zheng)，而(er)且可以(yi)用于(yu)定日鏡二(er)(er)次反射指(zhi)向校(xiao)正(zheng)后的結果驗證。

注：本文轉自2021年第4期《電氣技術》，論文標題為“定日鏡指向偏差校正方法研究”，作者為沈志華。