一種太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法
【專利摘要】本發明公開了一種太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，實施步驟為：1)建立各鏡面單元的空間位姿誤差與聚焦光斑特征一一對應的數據庫；2）聚光器在跟蹤太陽的狀態，圖像采集系統獲得待調焦鏡面單元單獨聚光在焦平面接收靶上的聚焦光斑圖像，并處理得到聚焦光斑的特征。3）將步驟2）的聚焦光斑特征與步驟1）建立的相同鏡面單元編號的數據庫進行比對，得到聚焦光斑特征吻合的對應的鏡面單元空間位姿誤差，并得到鏡面單元的球鉸螺栓的調節長度，對鏡面單元進行定量的調整。本發明的鏡面單元調焦簡單，且可一步到位的消除鏡面單元的旋轉誤差，能夠有效的適應現階段我國太陽能聚光系統高效、低成本的調焦需求。
【專利說明】
-種太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法
技術領域
[0001] 本發明設及太陽能光熱發電領域，特別設及一種太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝 的快速調焦方法。
【背景技術】
[0002] 碟式/斯特林太陽能光熱發電系統(DS-CSP)具有光電轉換效率高、布置靈活和模 塊化程度高等特點，是太陽能資源高效開發的重要裝備之一。DS-CSP的聚光器是由若干鏡 面單元拼接構成拋物曲面，用于實現太陽光能的定向傳輸與高效聚集。本質上，聚光器是一 套精密的光學裝置，但受到聚光器網架結構制造和安裝的精度限制，鏡面單元安裝時的調 焦過程是必須的。此外，聚光器工作在高日照的室外環境，常年經受風沙、雨淋、高溫差等惡 劣氣候，在太陽能光熱電站服役期間（一般額度為20~25年)反射鏡面的破損或聚光效率降 低是必然的，而此時局部的若干反射鏡面的高效、高精度的更換也將變得尤為重要。因此， 提供一種聚光器鏡面單元安裝或破損更換的高效、精確的快速調焦方法是尤為迫切的，具 有重要的工程實際意義。
[0003] 目前使用的聚光器反射鏡面調焦方法主要有：
[0004] (1)聚光器工作在視日跟蹤狀態，操作人員1在聚光器的背面調整連接螺栓，在焦 平面位置放置有接收祀，且另外有操作人員2觀看接收祀接收的光斑偏移情況，并告知操作 人員1進行相應的調整。很明顯，此反射鏡面的安裝方法至少需要兩個人進行協同工作，且 調焦過程是依據經驗或光斑的偏移情況進行的定性調整，調焦效率是非常低的。
[0005] (2)現有技術1(CN 104062743 A)中公開了一種用于太陽能聚光鏡片調整的自動 調焦系統及其調焦方法，該方法主要是通過觀測反射鏡的圖像顏色來判斷傾斜角度的大致 方位，并計算碟片上各顏色比例，同時對比預存的經驗數據庫，來告知操作人員進行相應的 調整動作。其中的核屯、部分是建立經驗數據庫，而此專利并沒公開數據庫的具體內容及建 立方法，導致該技術的實施性較差，且該技術也是基于定性的指導調整，不能準確的告知操 作人員對鏡面單元的調整量及調整順序，整個調整效率有待于進一步提高。
【發明內容】
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種通過聚焦光斑數據庫比對獲得鏡面單元 空間位姿，并快速、準確的定量給出鏡面單元球較螺栓調整量的太陽能碟式聚光器鏡面單 元安裝的快速調焦方法。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：
[000引一種太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，包括如下步驟：
[0009] 1)根據設計的碟式聚光器的扇形鏡面單元劃分情況，對鏡面單元進行編號，并建 立各鏡面單元的空間位姿誤差與聚焦光斑特征參數一一對應的數據庫；
[0010] 2)聚光器在實時跟蹤太陽位置的狀態，在聚光器焦平面安裝一塊正方形的表面具 有朗伯效應的平面接收祀，設定待調焦鏡面單元的編號，通過圖像采集系統獲得待調焦鏡 面單元單獨聚光在平面接收祀上的聚焦光斑圖像，并在數據處理終端進行處理得到該聚焦 光斑的特征參數；當此聚焦光斑特征符合安裝要求時，對鏡面單元的球較螺栓進行固定，此 鏡面單元安裝完畢;否則，進行下一步驟操作；
[0011] 3)將步驟2)獲得的聚焦光斑特征參數與步驟1)建立的相同鏡面單元編號的數據 庫進行對比，得到聚焦光斑特征吻合的對應的鏡面單元空間位姿誤差，并得到鏡面單元支 撐的球較螺栓的調節長度，對鏡面單元進行定量的調整。
[0012] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟1)中數據庫建立 的具體步驟如下：
[0013] 1.1)在鏡面單元處于設計位姿情況下，在聚光器拋物曲面定點建立坐標系0-xyz， Z軸指向拋物曲面的焦點F;對鏡面單元劃分光學網格，得到各網格中屯、點的位置矢量和內 法線單位向量；
[0014] 1.2)計算鏡面單元支撐與調節的球較螺栓的球較中屯、位置矢量；
[0015] 1.3)通過鏡面單元的整體平移運動和繞球較的旋轉運動的組合來等效引入位姿 誤差，計算相應位姿誤差工況下的各網格中屯、點的位置矢量和內法線單位向量；
[0016] 1.4)對位于焦平面位置的正方形平面接收祀進行矩形網格劃分，并對太陽入射光 錐進行離散處理，采用光線跟蹤的方法計算位姿誤差工況下鏡面單元在平面接收祀上的聚 焦光斑能流密度分布；
[0017] 1.5)通過局部聚光比閥值來提取聚焦光斑的特征邊界點，并采用最小二乘方法對 邊界點進行楠圓擬合，用平面楠圓幾何的中屯、點坐標、位姿夾角和長短半軸尺寸作為聚焦 光斑的特征參數，并計算該位姿誤差下的球較螺栓的調整長度，形成聚焦光斑特征、鏡面單 元位姿誤差和球較螺栓調整量一一對應的數據元素，并計算若干種鏡面單元位姿情況下的 數據元素，從而建立成位姿誤差的聚集光斑特征數據庫；
[0018] 1.6)對數據庫按照楠圓中屯、的X軸坐標從小到大依次排序，方便聚焦光斑特征的 快速匹配。
[0019] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟2)中的獲得聚焦 光斑特征參數的具體步驟如下：
[0020] 2.1)正方形的平面接收祀的中屯、與拋物曲面焦點F重合，且正方形的兩直角邊分 別平移于坐標系0-xyz的X軸和y軸;在接收祀的中屯、建立坐標系F-XFyF，該坐標系的各軸與 坐標系0-xyz的各軸平行，并標定圖像采集系統與平面接收祀的空間位姿關系；
[0021] 2.2)采集待調焦鏡面單元在平面接收祀上的聚焦光斑圖像，通過步驟1.5)中的聚 焦光斑的特征參數計算方法計算該聚焦光斑圖像的特征參數；
[0022] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟1.1)的具體步驟 如下：
[0023] 將鏡面單元沿半徑方向等長分為K份，沿圓周方向等夾角分為Μ份，W網格微元的 中屯、點來計算位置矢量和法線向量，則鏡面單元的編號為km的網格中屯、點的坐標和內 法線單位向量的公式如下：
[00%]式中，町為鏡面單元的內圓半徑;成為網格微元的徑向尺寸;R2為鏡面單元的 K 徑向長度;為網格微元的周向夾角；Θ為鏡面單元的周向夾角；ez=[0,0，l]為Z軸的 Μ 單位方向向量;反射鏡曲面的統一空間方程為Fl(x，y，z) = z-fl(x，y)=0，坐標系0-巧z建立 在反射鏡曲面的頂點，Ζ軸指向焦點位置，當為拋物曲面時
f是焦距；函數 Rot(e,0)為旋轉功能矩陣，用于實現任意向量繞任意單位向量e= [ex,ey,ez]旋轉角度β的 功能，具體為：
[0027]
[00 巧]式中，C = cos0; S = si 址。
[0029] sign為符號變量，
|Zpkm為點施坐標中ζ軸分量。
[0030] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟1.2)中的球較中 屯、A~C的位置矢量按如下公式計算：
[0031]
[0032] 式中，球較中屯、在反射鏡面的投影點a~C的位置矢量依次為：
[0037] 式中：δι和δ2為支撐投影點與鏡面單元邊緣的距離;βι為投影點與原點連線同鏡面 單元邊緣的夾角;η為鏡面單元的球較支撐數量;δ3為平面abc與平面ABC的距離。
[0038] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟1.3)的計算步驟 及方法如下：
[0039] 1.3.1)鏡面單元由設計位置依次進行若干繞軸旋轉運動和平移運動組合，其中旋 轉軸線是由任意兩個球較中屯、構成;鏡面單元旋轉運動的角度范圍為整體平移運動 的各軸向分量范圍為-S~δ，將旋轉和平移的運動參數進行組合，獲得鏡面單元的位姿誤差 矢量Terror = [Ri，化]，其中Ri為旋轉運動矢量，下標i = 1~6為分別為A-B-C、A-C-B、B-A-C、Β- C-A、C-A-B、C-B-A共6種旋轉運動順序，=[巧，朽，巧];整體平移運動矢量為Mi = [Xi ,yi, Zi];
[0040] 1.3.2)計算位姿誤差矢量下的各網格中屯、點的位置矢量和內法線單位向量;步驟 如下：
[0041] (1)根據旋轉運動順序，將第一個球較中屯、E繞軸線GP旋轉角度約，此時鏡面單元 內網格km的中屯、點娩運動到點地;然后再將第二個球較中屯、G繞軸線EP旋轉角度巧，此時 鏡面單元內網格km的中屯、點地運動到點妃巧將第；個球較中屯、P繞軸線EG旋轉角度媽， 此時鏡面單元內網格km的中屯、點地運動到點妃再將鏡面單元整體按向量Mi = [ xi，y i，Z i ] 進行平移運動；Ee[A，B，C]，Ge[A，B，C];Pe[A，B，C];E^G^p;
[0042] 鏡面單元內網格km的中屯、點記。運動到點娩。位置，運動階段的相應位置矢量分別 為：
[0043]
[0044] 式中，單位向1
向量 區1 =(E-P).Rot(ew，0HP;向量位1 =(G-P)'Rot似,W從)·f P ;矢量E，G，P分別為相應旋轉順 序的第一球較中屯、、第二球較中屯、和第Ξ球較中屯、的位置矢量；
[0045] 引入位姿誤差，鏡面單元網格微元km的法線向量由iVl旋轉至W1，古下式計算：
[0046]
[0047] 式中，鏡面單元位姿的旋轉總矩陣巧3=齡作w，0)·化雌V，P2)·及如知,&-,，A)。
[004引上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中步驟1.5)的計算方法 如下：
[0049] 1.5.1)將聚焦光斑中局部聚光比接近或等于閥值Ct的位置提取為邊界點;邊界點的 捜索方法是:結合平面接收祀劃分的網格，先從上往下逐列提取等值線的上邊界點及坐標； 而后從下往上逐列提取等值線的下邊界點及坐標。逐列捜索時查找滿 的2個鄰近網格，再根據
選取差值最小的相應網格的中屯、點作為 邊界點，其坐標記為Ci(xi，yi);其中，I(w，v)為平面接收祀內網格編號為w，v的能流密度值， 由步驟1.4)計算得到;Wo為太陽直射福照強度值;函數min(a，b)為取a和b中最小的數；
[0050] 1.5.2)采用最小二乘法對邊界點進行楠圓擬合，得到聚焦光斑的特征矢量Tfiux 為：
[0051] Tfiux=[d, Φι, <l)2，a，b] = [x0,y0, <l)2，a,b]
[0052] 式中，在焦平面的焦點F處建立坐標系F-XFyF，該坐標系與坐標系0-xyz平行，楠圓 形狀的定量描述參數包括幾何中屯、點化坐標(x〇，y〇)、楠圓長半軸的尺寸a及其與坐標XF軸 的夾角Φ 2、短半軸尺寸b;
[0053] 1.5.3)計算出貢獻鏡面單元的旋轉誤差的球較中屯、A~C的螺桿調節長度dA~山：
[0化4]
[005引式中，向量C, =: (C - B,). RWCb,、,，執）+ B,;
[0056] 1.5.4)形成聚焦光斑特征、鏡面單元位姿誤差和球較螺栓調整量等唯一對應的數 據元素，并計算若干種鏡面單元位姿情況的數據元素，從而建立成位姿誤差的聚集光斑特 征數據庫。
[0057] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟2.2)中的聚焦光 斑圖像的特征參數按步驟1.5.1)和步驟1.5.2)的方法進行計算，計算時采用的太陽直射福 照強度值Wo是待調焦鏡面單元的聚焦光斑采集時刻的實測值。
[0058] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟2)的待調焦鏡面 單元的單獨聚光的聚焦光斑圖像的獲得方法為:通過將待調焦鏡面單元聚焦光斑移動到平 面接收祀的外面并采集接收祀表面此時的光斑圖像1，再將待調焦鏡面單元進行初步安裝， 將聚集的光斑調整至接收祀區域內，圖像采集系統采集接收祀表面此時的光斑圖像2,將光 斑圖像1的灰度值減去光斑圖像2的灰度值就可W得到待調焦鏡面單元的單獨聚光的聚焦 光斑圖像；
[0059] 或先將待調焦鏡面單元進行初步安裝，并將聚集的光斑調整至接收祀區域內，圖 像采集系統采集此時的接收祀表面的光斑圖像1，而后將待調焦鏡面單元進行遮擋，并采集 此時的接收祀表面的光斑圖像2,將光斑圖像1的灰度值減去光斑圖像2的灰度值就可W得 到待調焦鏡面單元的單獨聚光的聚焦光斑圖像。
[0060] 上述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法中，步驟1.2)中的球較中 屯、A~C的位置矢量通過設計圖紙中直接獲得。
[0061] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于：
[0062] 1、本發明通過建立鏡面單元空間位姿誤差與其聚集光斑特征一一對應的數據庫， 直接將鏡面單元實際的聚焦光斑特征與數據庫進行匹配對比，進而反演出鏡面單元的空間 位姿，并將鏡面單元的螺栓調整量反饋給操作人員，進行相應的調整，可W-步到位的對鏡 面單元的旋轉誤差進行消除，整個調焦過程是直接面向聚光性能的，使得太陽能碟式聚光 器鏡面單元調焦快速方便。
[0063] 2、本發明通過引入局部聚光比閥值Ct來提取聚焦光斑的邊界點，并進行邊界點的 楠圓擬合;消除了太陽福照強度值對聚焦光斑特征的影響，將預先建立的數據庫與實際的 聚集光斑特征(不同的太陽福照值情況)聯系起來，在實際的鏡面單元調焦過程中，僅需要 監測待調鏡面單元聚焦光斑采集時刻的太陽直射福照強度值;就可W得出相應的調整量。
[0064] 3、本發明對鏡面單元的調焦具有實時的定量指導作用，能給出定量的調整指導， 該方法具有高效率和高精度等優點，本發明也可W應用到其它面形的聚光器鏡面單元的調 整過程中。本發明建立了聚焦光斑特征與位姿誤差的一一對應關系，并能從聚光器的聚焦 光斑中分離出單個鏡面單元的聚焦光斑，對其它鏡面單元不需要進行遮擋處理或僅需對待 調焦的鏡面單元本身進行短時間的遮擋處理，運是本發明的主要創新內容之一，能夠有效 的適應太陽能聚光系統高效低成本的精確安裝的需求。
【附圖說明】
[0065] 圖1為碟式/斯特林太陽能光熱發電系統的結構示意圖。
[0066] 圖2為圖1中鏡面單元的安裝與調焦的結構示意圖。
[0067] 圖3為本發明的鏡面單元快速調焦方法的流程圖。
[0068] 圖4為本發明的圖3中數據庫建立的流程圖。
[0069] 圖5為本發明的圖3中的待調焦鏡面單元單獨的聚焦光斑特征獲得的流程圖。
[0070] 圖6為鏡面單元的結構參數與光學網格劃分。
[0071] 圖7為鏡面單元聚焦光斑的楠圓幾何表征。
【具體實施方式】
[0072] 下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0073] 首先，為了更為清晰的了解鏡面單元在聚光器中的位置及其固定方式進行說明。 如圖1所示的碟式/斯特林太陽能光熱發電系統的結構示意圖，鏡面單元2是安裝在聚光器 的巧架結構1上的。具體的鏡面單元2的固定結構如圖2所示，球頭螺栓3的球頭端與鏡面單 元2采用球較結構連接，球頭螺栓3的另一端穿過巧架結構1的通孔，并采用球形墊片和螺母 進行固定在巧架結構1上，鏡面單元的固定一般采用3個或4個球較支撐來進行固定。鏡面單 元2的調焦過程是進行球頭螺栓3的支撐長度調節的過程。
[0074] 如圖3所示，本發明的操作步驟如下：
[0075] 1)根據設計的碟式聚光器的扇形鏡面單元劃分情況，對鏡面單元進行編號，并建 立各鏡面單元的空間位姿誤差與聚焦光斑特征參數一一對應的數據庫。
[0076] 如圖4所示，數據庫的建立方法，具體步驟如下：
[0077] 1.1)在鏡面單元處于設計位姿情況下，對鏡面單元劃分光學網格，得到各網格中 屯、點的位置矢量和內法線單位向量。如圖6所示，在聚光器反射鏡曲面的頂點處建立全局坐 標系0-xyz，其中Z軸指向焦點位置。將鏡面單元沿半徑方向等長分為K份，沿圓周方向等夾 角分為Μ份，W網格微元的中屯、點來計算位置矢量和法線向量，則鏡面單元的編號為km的網 格中屯、點旅的坐標和內法線單位向量如式(1)和式(2)所示：
[0080]式中，Ri為鏡面單元的內圓半徑;為網格微元的徑向尺寸;R2為鏡面單元的 A 徑向長度;為網格微元的周向夾角；Θ為鏡面單元的周向夾角；ez=[0,0，l]為Z軸的 Μ 單位方向向量;反射鏡曲面的統一空間方程為Fl(x，y，z) = z-fl(x，y)=0，坐標系0-χyz建立 在反射鏡曲面的頂點，Ζ軸指向焦點位置，當為拋物曲面時，化是焦距；函數 Rot(e，0)為旋轉功能矩陣，用于實現任意向量繞任意單位向量e= [ex,ey，ez]旋轉角度β的 功能，具體為：
[0081]
[0082] 式中，C = cos0; S = si 址。
[0083] sign為符號變量
'Zpkm為點.誠>.坐標中z軸分量。
[0084] 1.2)在設計位姿情況下，計算鏡面單元支撐與調節的球較螺栓的球較中屯、位置矢 量。球較中屯、A~C的位置矢量的計算公式如下
[0085]
[0086] 式中，球較中屯、在反射鏡面的投影點a~C的位置矢量依次為：
[0091] 式中：δι和δ2為支撐投影點與鏡面單元邊緣的距離;βι為投影點與原點連線同鏡面 單元邊緣的夾角;η為鏡面單元的球較支撐數量，η = 3為Ξ球較支撐，η = 4為四球較支撐;δ3 為平面abc與平面ABC的距離。球較中屯、A~C的位置矢量還可W通過其他方式獲得，如通過 設計圖紙中直接獲得。
[0092] 1.3)通過鏡面單元的整體平移運動和繞球較的旋轉運動的組合來等效引入位姿 誤差，計算相應位姿誤差工況的各網格中屯、點的位置矢量和內法線單位向量。具體步驟如 下：
[0093] 1.3.1)鏡面單元由理想位置依次進行若干繞軸旋轉運動和平移運動組合，其中旋 轉軸線是由任意兩個球較中屯、構成。鏡面單元旋轉運動的角度范圍為-P~0(單位rad),整 體平移運動的各軸向分量范圍為-δ~δ(單位mm)，將旋轉和平移的剛體運動參數進行組合， 獲得鏡面單元的位姿誤差矢量了6^。,=陽1，化]，其中私為旋轉運動矢量，下標1 = 1~6為分別 為八8(：、4〔8、84(：、8〔4、〔48、〔84的旋轉運動順序，例如1 = 1時巧=[裕，腐，優];整體平移運動 矢量為 Ml=[Xl，yi，Zl]。
[0094] 1.3.2)計算位姿誤差矢量下的各網格中屯、點的位置矢量和內法線單位向量;步驟 如下：
[0095] WA-B-功定轉運動+平移運動為例，步驟如下：
[0096] (1)鏡面單元位于設計位姿，將球較中屯、A繞軸線CB旋轉角度抗（規定:使球較中屯、 的Z軸坐標分量增加的為正夾角，且對應的旋轉軸方向為正方向），運動到Ai位置；
[0097] (2)將球較中屯、B繞軸線AiC旋轉角度從，運動到Bi位置；
[009引（3)將球較中屯、C繞軸線BiAi旋轉角度換超動到Cl位置；
[0099] (4)將鏡面單元整體按向量Ml = [ XI，y 1，Z1 ]進行平移運動。
[0100] 鏡面單元內網格km的中屯、點說,,運動到點邊m位置，運動階段的相應位置矢量分別 為：
[0101]
[0102] 式中，單位向量
響量 A.1 = (A. - C')> Rot(ecB，0,1) + C;向量 :=巧-C).. Rot(e，扣）+ C。
[0103] 引入位姿誤差，鏡面單元網格微元km的法線向量由旋轉至Λ'Ι，由下式計算：
[0104]
[0105] 式中，鏡面單元位姿的旋轉總矩陣?，仍）·化W(e ，稱)·化0<麟,*4,，從）。
[0106] 同理，可W根據上述方法得到其他旋轉順序工況的各網格中屯、點的位置矢量和內 法線單位向量。
[0107] 1.4)對位于焦平面位置的正方形平面接收祀進行網格劃分，如圖7所示，平面接收 祀是W焦點F為中屯、的正方形，其邊長為L，劃分網格為WXV份，且W = V，網格起始編號在右 上角位置。并對太陽入射光進行離散處理，采用光線跟蹤方法計算位姿誤差工況鏡面單元 在平面接收祀上的聚焦光斑能流密度分布。此部分的聚焦能流分布計算是大家公知的成熟 的計算方法，在此不再進行詳述。
[0108] 1.5)通過局部聚光比閥值來提取聚焦光斑的特征邊界點，并采用最小二乘方法對 邊界點進行楠圓擬合，用平面楠圓幾何的中屯、點坐標、位姿夾角和長短半軸尺寸等5個參數 來表征聚焦光斑的特征，并計算該位姿誤差的球較螺栓的調整量，形成聚焦光斑特征、鏡面 單元位姿誤差和球較螺栓調整量等唯一對應的數據元素，并計算若干種鏡面單元位姿情況 的數據元素，從而建立成位姿誤差的聚集光斑特征數據庫。其中聚焦光斑特征及球較螺栓 誤差距離的計算方法，其具體步驟如下：
[0109] 1.5.1)將聚焦光斑中局部聚光比接近或等于閥值Ct的位置提取為邊界點（取相應 網格的中屯、點）。邊界點的捜索方法是:結合平面接收祀劃分的網格，先從上往下逐列提取 等值線的上邊界點及坐標；而后從下往上逐列提取等值線的下邊界點及坐標。逐列捜索時 查找滿足
定取差值 最小的相應網格的中屯、點作為邊界點，其坐標記為Ci(xi，yi)。其中，I(w，v)為平面接收祀內 網格編號為w，v的能流密度值，由步驟1.4)計算得到;Wo為太陽直射福照強度值；函數min (a, b)為取a和b中最小的數。
[0110] 1.5.2)采用最小二乘法對邊界點進行楠圓擬合，楠圓的幾何表征如圖7所示，得到 聚焦光斑的特征矢量Tflux為：
[0111] Tfiux=[d, Φι, <l)2，a,b] = [xo,yo, <l)2，a,b]
[0112] 式中，在焦平面的焦點F處建立坐標系F-XFyF，該坐標系與坐標系0-xyz平行，楠圓 形狀的定量描述參數包括幾何中屯、點化坐標(x〇，y〇)(也可用距離d和夾角Φι來共同確定）、 楠圓長半軸的尺寸a及其與坐標XF軸的夾角Φ 2、W及短半軸尺寸b。夾角Φ 1和Φ 2的單位為 rad，表征長度的單位均為mm。
[0113] 1.5.3)貢獻鏡面單元的旋轉誤差的球較螺栓誤差，可W通過調節螺桿長度來進行 完全消除，而平移運動產生的誤差僅能通過鏡面單元的整體平移來進行糾正，一般較難處 理。計算出貢獻鏡面單元的旋轉誤差的球較中屯、A~C的螺桿調節長度
[0114] 式中，向量
[0115] 1.5.4)形成聚焦光斑特征、鏡面單元位姿誤差和球較螺栓調整量的一一對應的數 據元素，并計算若干種鏡面單元位姿情況的數據元素，建立成位姿誤差的聚集光斑特征數 據庫。
[0116] 1.6)對數據庫按照楠圓中屯、的X軸坐標從小到大依次排序，W便后續的聚焦光斑 特征的快速匹配。
[0117] 2)聚光器在實時跟蹤太陽位置的狀態，在聚光器焦平面安裝一塊正方形的表面具 有朗伯效應的平面接收祀，設定待調焦鏡面單元的編號，通過圖像采集系統獲得待調焦鏡 面單元單獨聚光在平面接收祀上的聚焦光斑圖像，并在數據處理終端進行處理得到該聚焦 光斑的特征參數。當此聚焦光斑特征符合安裝要求時，對鏡面單元的球較螺栓進行固定，此 鏡面單元安裝完畢。否則，進行下一步驟操作。
[0118] 獲得待調焦鏡面單元的聚焦光斑特征參數的步驟如下：
[0119] 2.1)在平面接收祀的中屯、位置（即聚光器的焦點)建立坐標系，并標定圖像采集系 統與平面接收祀的空間位姿關系。
[0120] 2.2)采集待調焦鏡面單元在平面接收祀上的聚焦光斑圖像，采用與步驟1.5)相同 的聚光比閥值、特征提取及楠圓擬合方法，得到該聚焦光斑圖像的特征參數。
[0121] 待調焦鏡面單元的單獨聚光的聚焦光斑圖像的獲得方法如下:首先通過將鏡面單 元聚焦光斑移動到平面接收祀的外面并采集接收祀表面此時的光斑圖像1，再將待調焦鏡 面單元進行初步安裝，并將聚集的光斑調整至接收祀區域內，圖像采集系統采集接收祀表 面此時的光斑圖像2;將光斑圖像1的灰度值減去光斑圖像2的灰度值就可W得到待調焦鏡 面單元的單獨聚光的聚焦光斑圖像，此種方法是不需要對其它鏡面單元進行遮擋處理的。
[0122] 待調焦鏡面單元的單獨聚光的聚焦光斑圖像的獲得還可W采用如下方法:首先將 待調焦鏡面單元進行初步安裝，并將聚集的光斑調整至接收祀區域內，圖像采集系統采集 此時的接收祀表面的光斑圖像1;而后將待調焦鏡面單元進行遮擋，并采集此時的接收祀表 面的光斑圖像2;將光斑圖像1的灰度值減去光斑圖像2的灰度值就可W得到待調焦鏡面單 元的單獨聚光的聚焦光斑圖像。此方法僅需要對待調焦的鏡面單元本身進行遮擋處理，整 個的操作也是高效方便的。
[0123] 3)將步驟2)獲得的聚焦光斑特征參數與步驟1)建立的相同鏡面單元編號的數據 庫進行比對，得到聚焦光斑特征吻合的對應的鏡面單元空間位姿誤差，并得到鏡面單元支 撐的球較螺栓的調節長度，對鏡面單元進行定量的調整。
[0124] 由于本發明給出了聚焦光斑特征和鏡面單元位姿誤差的一一對應關系，只需要一 次的定量調整就可W實現鏡面單元的準確調焦，但考慮到實際鏡面單元的制造誤差，可能 會需要步驟2和步驟3進行多次，直至鏡面單元的空間位姿滿足聚焦光斑的分布要求。
[0125] 本發明的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，通過建立鏡面單元空 間位姿誤差及其聚集光斑特征的一一對應的數據庫，直接將鏡面單元實際的聚焦光斑特征 與數據庫進行匹配對比，進而反演出鏡面單元的空間位姿，并將鏡面單元的螺栓調整量反 饋給操作人員，進行相應的調整，可W-步到位的對鏡面單元的旋轉誤差進行消除，整個調 焦過程是直接面向聚光性能的，能夠有效的適應現階段我國太陽能聚光系統高效、低成本 的精確安裝的工程應用需求。
【主權項】
1. 一種太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，包括如下步驟： 1) 根據設計的碟式聚光器的扇形鏡面單元劃分情況，對鏡面單元進行編號，并建立各 鏡面單元的空間位姿誤差與聚焦光斑特征參數一一對應的數據庫； 2) 聚光器在實時跟蹤太陽位置的狀態，在聚光器焦平面安裝一塊正方形的表面具有朗 伯效應的平面接收祀，設定待調焦鏡面單元的編號，通過圖像采集系統獲得待調焦鏡面單 元單獨聚光在平面接收祀上的聚焦光斑圖像，并在數據處理終端進行處理得到該聚焦光斑 的特征參數;當此聚焦光斑特征符合安裝要求時，對鏡面單元的球較螺栓進行固定，此鏡面 單元安裝完畢;否則，進行下一步驟操作； 3) 將步驟2)獲得的聚焦光斑特征參數與步驟1)建立的相同鏡面單元編號的數據庫進 行對比，得到聚焦光斑特征吻合的對應的鏡面單元空間位姿誤差，并得到鏡面單元支撐的 球較螺栓的調節長度，對鏡面單元進行定量的調整。2. 根據權利要求1所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟1)中 數據庫建立的具體步驟如下： 1.1) 在鏡面單元處于設計位姿情況下，在聚光器拋物曲面定點建立坐標系〇-xyz，z軸 指向拋物曲面的焦點F;對鏡面單元劃分光學網格，得到各網格中屯、點的位置矢量和內法線 單位向量； 1.2) 計算鏡面單元支撐與調節的球較螺栓的球較中屯、位置矢量； 1.3) 通過鏡面單元的整體平移運動和繞球較的旋轉運動的組合來等效引入位姿誤差， 計算相應位姿誤差工況下的各網格中屯、點的位置矢量和內法線單位向量； 1.4) 對位于焦平面位置的正方形平面接收祀進行矩形網格劃分，并對太陽入射光錐進 行離散處理，采用光線跟蹤方法計算位姿誤差工況下鏡面單元在平面接收祀上的聚焦光斑 能流密度分布； 1.5) 通過局部聚光比閥值來提取聚焦光斑的特征邊界點，并采用最小二乘方法對邊界 點進行楠圓擬合，用平面楠圓幾何的中屯、點坐標、位姿夾角和長短半軸尺寸作為聚焦光斑 的特征參數，并計算該位姿誤差下的球較螺栓的調整長度，形成聚焦光斑特征、鏡面單元位 姿誤差和球較螺栓調整量一一對應的數據元素，并計算若干種鏡面單元位姿情況下的數據 元素，從而建立成位姿誤差的聚集光斑特征數據庫； 1.6) 對數據庫按照楠圓中屯、的X軸坐標從小到大依次排序，方便聚焦光斑特征的快速 匹配。3. 根據權利要求1所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟2)中 的獲得聚焦光斑特征參數的具體步驟如下： 2.1) 正方形的平面接收祀的中屯、與拋物曲面焦點F重合，且正方形的兩直角邊分別平 移于坐標系0-xyz的X軸和y軸;在接收祀的中屯、建立坐標系F-xfyf，該坐標系的各軸與坐標 系0-xyz的各軸平行，并標定圖像采集系統與平面接收祀的空間位姿關系； 2.2) 采集待調焦鏡面單元在平面接收祀上的聚焦光斑圖像，通過步驟1.5)中的聚焦光 斑的特征參數計算方法計算該聚焦光斑圖像的特征參數。4. 根據權利要求2所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟1.1) 的具體步驟如下： 將鏡面單元沿半徑方向等長分為K份，沿圓周方向等夾角分為Μ份，W網格微元的中屯、 點來計算位置矢量和法線向量，則鏡面單元的編號為km的網格中屯、點pL的坐標和內法線單 位向量公式如下：式中，町為鏡面單元的內圓半徑;成為網格微元的徑向尺寸;R2為鏡面單元的徑向 K 長度;沁為網格微元的周向夾角；Θ為鏡面單元的周向夾角；ez=[〇,〇，l]為Z軸的單位 Μ 方向向量;反射鏡曲面的統一空間方程為Fi(x，y，z) = z-fi(x，y)=0,坐標系0-巧Ζ建立在反 射鏡曲面的頂點，Z軸指向焦點位置，當為拋物曲面時f是焦距；函數R〇t(e， 0)為旋轉功能矩陣，用于實現任意向量繞任意單位向量e=[ex，ey，ez]旋轉角度β的功能，具 體為：式中，C = cos0; S = sin0; sign為符號變量，ZpkM為點坐標中Z軸分量。5. 根據權利要求4所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟1.2) 中的球較中屯、A~C的位置矢量按如下公式計算：式中，球較中屯、在反射鏡面的投影點a~C的位置矢量依次為：式中：δι和δ2為支撐投影點與鏡面單元邊緣的距離;βι為投影點與原點連線同鏡面單元 邊緣的夾角;η為鏡面單元的球較支撐數量;δ3為平面abc與平面ABC的距離。6. 根據權利要求5所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟1.3) 的計算步驟及方法如下： 1.3.1) 鏡面單元由設計位置依次進行若干繞軸旋轉運動和平移運動組合，其中旋轉軸 線是由任意兩個球較中屯、構成;鏡面單元旋轉運動的角度范圍為-0…礦，整體平移運動的各 軸向分量范圍為-S~δ，將旋轉和平移的運動參數進行組合，獲得鏡面單元的位姿誤差矢量 Terror = [Ri，化]，其中Ri為旋轉運動矢量，下標i = 1~6為分別為A-B-C、A-C-B、B-A-C、B-C-A、 C-A-B、C-B-A共6種旋轉運動順序，巧=[巧，口2,口3];整體平移運動矢量為Mi = [xi,yi, zi]; 1.3.2) 計算位姿誤差矢量下的各網格中屯、點的位置矢量和內法線單位向量；步驟如 下： (1)根據旋轉運動順序，將第一個球較中屯、E繞軸線GP旋轉角度巧，此時鏡面單元內網格 km的中屯、點祐運動到點兒:然后再將第二個球較中屯、G繞軸線EP旋轉角度媽，此時鏡面單 元內網格km的中屯、點Km運動到點妃哺將第S個球較中屯、P繞軸線EG旋轉角度媽，此時鏡 面單元內網格km的中屯、點.地，運動到點片m;再將鏡面單元整體按向量Mi = [ xi，yi，zi ]進行平 移運動；Ee[A，B，C]，Ge[A，B，C];Pe[A，B，C];E^G^p; 鏡面單元內網格km的中屯、點施運動到點城位置，運動階段的相應位置矢量分別為：式中，單位向量向量 E,=(E-巧·執雜泌，如 + P;向量巧=(G-P)'Ro俄即，0!) + P;矢量E，G，P分別為相應旋轉順 序的第一球較中屯、、第二球較中屯、和第Ξ球較中屯、的位置矢量； 引入位姿誤差，鏡面單元網格微元km的法線向量由旋轉至iVl，由下式計算：式中，鏡面單元位姿的旋轉總矩陣A =心哈PG，0 ) · ^0哈￡,/>，口2 ) · ,，巧）。7.根據權利要求6所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟1.5) 的計算方法如下： 1.5.1) 將聚焦光斑中局部聚光比接近或等于閥值Ct的位置提取為邊界點;邊界點的捜 索方法是:結合平面接收祀劃分的網格，先從上往下逐列提取等值線的上邊界點及坐標;而 后從下往上逐列提取等值線的下邊界點及坐標;逐列捜索時查找滿足的2個鄰近網格，再根提選取差值最小的相應網格的中屯、點作為 邊界點，其坐標記為Ci(xi，yi);其中，I(w，v)為平面接收祀內網格編號為w，v的能流密度值， 由步驟1.4)計算得到;Wo為太陽直射福照強度值;函數min(a，b)為取a和b中最小的數； 1.5.2) 采用最小二乘法對邊界點進行楠圓擬合，得到聚焦光斑的特征矢量Tfiux為： Tfiux=[d, Φι, <l)2,a,b] = [xo,yo, <l)2,a,b] 式中，在焦平面的焦點F處建立坐標系F-XFyF，該坐標系與坐標系0-xyz平行，楠圓形狀 的定量描述參數包括幾何中屯、點化坐標(x〇，y〇)、楠圓長半軸的尺寸a及其與坐標XF軸的夾 角Φ 2、短半軸尺寸b; 1.5.3) 計算出貢獻鏡面單元的旋轉誤差的球較中屯、A~C的螺桿調節長度dA~dc:1.5.4) 形成聚焦光斑特征、鏡面單元位姿誤差和球較螺栓調整量等唯一對應的數據元 素，并計算若干種鏡面單元位姿情況的數據元素，從而建立成位姿誤差的聚集光斑特征數 據庫。8. 根據權利要求7所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟2.2) 中的聚焦光斑圖像的特征參數按步驟1.5.1)和步驟1.5.2)的方法進行計算，計算時采用的 太陽直射福照強度值Wo是待調焦鏡面單元的聚焦光斑采集時刻的實測值。9. 根據權利要求5所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟2)的 待調焦鏡面單元的單獨聚光的聚焦光斑圖像的獲得方法為:通過將待調焦鏡面單元聚焦光 斑移動到平面接收祀的外面并采集接收祀表面此時的光斑圖像1，再將待調焦鏡面單元進 行初步安裝，將聚集的光斑調整至接收祀區域內，圖像采集系統采集接收祀表面此時的光 斑圖像2,將光斑圖像1的灰度值減去光斑圖像2的灰度值就可W得到待調焦鏡面單元的單 獨聚光的聚焦光斑圖像； 或先將待調焦鏡面單元進行初步安裝，并將聚集的光斑調整至接收祀區域內，圖像采 集系統采集此時的接收祀表面的光斑圖像1，而后將待調焦鏡面單元進行遮擋，并采集此時 的接收祀表面的光斑圖像2,將光斑圖像1的灰度值減去光斑圖像2的灰度值就可W得到待 調焦鏡面單元的單獨聚光的聚焦光斑圖像。10. 根據權利要求2所述的太陽能碟式聚光器鏡面單元安裝的快速調焦方法，步驟1.2) 中的球較中屯、A~C的位置矢量通過設計圖紙中直接獲得。
【文檔編號】F24J2/40GK105972836SQ201610348429
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】顏健, 彭佑多
【申請人】湖南科技大學