一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試方法及測試平臺的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試方法，首先利用模擬點光源來產生垂直入射到太陽能聚光鏡上的光線，然后使用圖像檢測技術來獲取接收器上的匯聚光的位置和形狀等幾何信息，并在計算機上進行重建和識別，再利用帶伺服步進電機的電動導軌將固定在導軌上的模擬點光源沿太陽能聚光鏡外徑平行移動，每移動一步后，重新構建并存儲匯聚光的位置和形狀，模擬點光源移動一周后，測試軟件自動分析出接收器上光斑形狀和位置，從而得到精確的收光形狀。本發明還提供了一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試平臺。本發明可以直接測量聚光后的實際光斑尺寸，而且得到的光斑尺寸精度高，并且測試過程自動化，從而測試效率高。
【專利說明】一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試方法及測試平臺
【技術領域】
[0001]本發明屬于太陽能光伏發電【技術領域】，具體涉及到一種對太陽能聚光鏡光斑形狀的測試方法及測試平臺。
【背景技術】
[0002]太陽能聚光是將能量密度稀薄的太陽能，通過光線聚焦原理，匯集為能量密度很高的光束，以便能夠更廣泛，更有效的利用太陽能。
[0003]一般而言，太陽能聚光方式分反射式聚光和折射式聚光，所謂反射式聚光，即入射陽光經過聚光器，按照光反射定律匯聚到接收器上；而所謂折射式聚光則是利用入射光線透過透明材料產生折射的原理將陽光匯聚。
[0004]光伏發電技術則是通過聚光鏡或透鏡的聚光作用把陽光幾十倍甚至幾百倍的匯聚到焦斑并投射到光電池上，從而增加發電量，降低電池成本。
[0005]對于反射式聚光發電來說，入射到接收器的光斑形狀對最優化系統效率起到關鍵作用，對于給定的接收器，系統的最優化程度取決于最好的接收位置和最均勻的光斑分布，這些因素是通過修改跟蹤參數和反射表面曲率來決定的，然而在實際制造中，往往存在一些影響系統效率的問題:
[0006]首先，由于實際系統中的聚光器經常用到各種不同形狀的聚光放射鏡，如槽式拋物面反射鏡，曲面拋物面反射鏡和球面反射鏡等，而這些反射鏡的成形工藝也不盡相同，主要是采用高溫熱變形和機械冷變形制造，但無論采用哪種方式制造，其曲率在實際成型中都容易受到加工條件變化而產生微小變化，這些變化對整個系統效率的影響不可忽視，需要分析其表面曲率微小變化帶來的光斑形狀變化差異。
[0007]其次，由于發電量越高，需要的聚光鏡反射面積也越大，而采用一次壓鑄成形來制造一個巨型聚光器非常困難，因此一般采用分別制造若干塊尺寸和曲率一樣的小型聚光單元再拼接而成，這樣降低了巨型聚光器的制造難度和生產成本。但是對于這種方式，實際生產中往往無法保證所有的小型聚光單元尺寸和曲率完全一樣，為了獲取最佳系統效率，則需要分別分析這些單元的實際曲率變化情況。
[0008]此外，傳統制造高反射率表面主要有表面陽極氧化電鍍鋁膜方式，表面電鍍銀方式和表面貼高反射率壓克力鏡面方式，由于制造工藝的因素，利用這些方式來批量制造聚光鏡的高反射率表面時也會存在一些制造缺陷，而這些缺陷給光斑形狀也會帶來一些誤差，如何考慮這些缺陷帶來的影響，就總體需要分析整個聚光鏡對光斑形狀帶來的影響。
[0009]最后，在最終安裝固定系統各個組件前，需要對實際收光性能進行模擬試驗，并根據試驗結果對接收器和聚光器進行位置和角度的補償修正，從而來尋找一個最佳位置，因此，也需要一種可以分析整個聚光器的聚光光斑形狀的測試平臺。
【發明內容】
[0010]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試方法，包括:
[0011 ] 步驟I，將待測拋物面聚光器放置在龍骨支架上，龍骨支架水平放置以保證待測拋物面聚光器和地面平行；
[0012]步驟2，將模擬光源放置在電動導軌的鞍座夾具上，并與待測拋物面聚光器的平面垂直放置，計算機通過串行接口控制模擬光源沿電動導軌步進移動；
[0013]步驟3，將光斑接收屏與電動導軌放置于同一平面，且中心軸與待測拋物面聚光器中軸線重合，以保證反射光斑可以在光斑接收屏上顯示；
[0014]步驟4，模擬光源垂直入射點光線進入待測拋物面聚光器，經過聚光鏡反射后，匯聚光線入射到光斑接收屏上；
[0015]步驟5，計算機通過線性CXD對光斑接收屏掃描圖像處理，先用二值化和全局閥值法進行光斑的粗定位，然后利用平均灰度值法計算得到匯聚光線在光斑接收屏上形成的光斑的精確位置坐標；
[0016]步驟6，模擬光源通過步進伺服電機以步進方式沿電動導軌移動，每次移動一步后，重復步驟5操作，直到走完整個導軌量程；
[0017]步驟7，計算機得到一系列的匯聚光斑位置坐標后，計算形成光斑最大尺寸后存儲到對應數據庫中。
[0018]優選地，所述模擬光源為陣列面光源。
[0019]優選地，所述模擬光源為點光源。
[0020]優選地，所述點光源是波長為532nm的固體泵浦的綠光激光器，或者波長為650的紅光點狀激光器，功率值在50mW以下。
[0021 ] 優選地，所述光斑接收屏為白色無光幕。
[0022]按照本發明的另一方面，還提供了一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試平臺，包括:
[0023]放置于龍骨支架上的待測拋物面聚光器，龍骨支架水平放置以保證待測拋物面聚光器和地面平行；
[0024]放置在電動導軌的鞍座夾具上的模擬光源，模擬光源與待測拋物面聚光器的平面垂直放置，計算機通過串行接口控制模擬光源沿電動導軌步進移動；
[0025]與電動導軌放置于同一平面的光斑接收屏，光斑接收屏的中心軸與待測拋物面聚光器的中軸線重合，以保證反射光斑可以在光斑接收屏上顯示；
[0026]模擬光源用于垂直入射點光線進入待測拋物面聚光器，經過聚光鏡反射后，匯聚光線入射到光斑接收屏上，并通過步進伺服電機以步進方式沿電動導軌移動，每次移動一步后，由計算機重新構建并存儲匯聚光的位置和形狀，直到走完整個導軌量程；
[0027]計算機用于在模擬光源在電動導軌上每走一步時，通過線性CCD對光斑接收屏掃描圖像處理，先用二值化和全局閥值法進行光斑的粗定位，然后利用平均灰度值法計算得到匯聚光線在接收屏上形成的光斑的精確位置坐標；
[0028]計算機得到一系列的匯聚光斑位置坐標后，計算形成光斑最大尺寸后存儲到對應數據庫中。
[0029]優選地，所述模擬光源為陣列面光源。
[0030]優選地，所述模擬光源為點光源。[0031]優選地，所述點光源是波長為532nm的固體泵浦的綠光激光器，或者波長為650的紅光點狀激光器，功率值在50mW以下。
[0032]優選地，所述光斑接收屏為白色無光幕。
[0033]總體而言，相比較傳統方案，本方案所提出的測量太陽能聚光器光斑形狀的方法具有以下優點:
[0034]I采用本方案可以直接測量聚光后的實際光斑尺寸。即使是同一模具壓鑄而成的聚光鏡也可能具有不一樣的光斑尺寸，而根據實際測量的光斑尺寸，則可以修正聚光器角度和接收器尺寸，從而得到更為優化的能流密度分布。
[0035]2采用本方案可以靈活實際測量聚光器任意位置反射光線，從而可以分析聚光器表面缺陷給接收器上帶來的影響，降低聚光器的制造精度難度。
[0036]3采用本方案得到的光斑尺寸精度高，并且測試過程自動化，從而測試效率高，適
合批量生產聚光鏡。
[0037]4采用本方案可以在批量生產中將每一塊聚光鏡光斑數據自動存儲到數據庫中，從而得到批量生產聚光鏡匯聚光斑數據。
[0038]5采用本方案可以在最終組裝大型光伏發電系統前，得到其接收器光斑大小，從而可以修正各個聚光鏡角度和位置來得到更高系統效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1是現有技術中幾種不同的太陽能聚光器結構示意圖；
[0040]圖2是本發明中的對于拋物面聚光器測量光斑形狀的結構示意圖；
[0041 ] 圖3是采用圖2結構所測試得到的光斑圖；
[0042]圖4是本發明另一種采用陣列面光源來替代圖2中單光源的結構示意圖；
[0043]圖5是采用圖4結構所測試得到的光斑圖；
[0044]圖6是采用多塊雙曲矩形聚光器拼接成一個聚光系統的結構示意圖；
[0045]圖7是基于本發明對圖6中雙曲矩形聚光器測量光斑形狀的結構示意圖；
[0046]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0047](I)是帶有拋物面的矩形聚光器；(2)是槽形聚光器；(3)是拋物面聚光器；(4)是電動導軌；(5)是光斑接收屏；(6)是模擬點光源；(7a)、(7b)、(7c)和(7d)是點光源(6)移動到不同位置時的入射光線；(8a)、(Sb)、(8c)和(8d)分別是入射光線經過聚光器后的反射光線；(9a)和(9b)分別是處于不同位置的線性電荷耦合元件CCD ;(10)是待測拋物面聚光器；(11)是計算機；(12)是陣列面光源；(13)是4塊雙曲矩形聚光器；(14)是光接收面；(15)是待測試的雙曲矩形聚光器；(16)是排列成十字形狀的陣列光源。
【具體實施方式】
[0048]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0049]傳統太陽能聚光鏡往往具有各種形狀，圖1給出了幾種常見的太陽能聚光器，其中(I)是帶有一定拋物面的矩形聚光器，(2)是槽形聚光器，(3)是拋物面聚光器，各種聚光器特點各不相同，但總的思想都是利用一個相對大的聚光表面將垂直入射的太陽光匯聚在一個相對小的接收面上，從而在單位面積上取得更高的能流密度，提高利用率。
[0050]這些聚光器的制造方法不盡相同，但是都是從平面鏡或平面玻璃的變形工藝衍生而成的，成形工藝主要是高溫熱變形制造方法和機械冷加工制造方法。高溫熱變形制造方法就是先把玻璃加熱到軟化狀態，然后再在模具里成形，成形后玻璃胚料再進行反射層鍍膜和保護層噴涂。機械冷加工方法是將鏡子用機械擠壓的方式緊貼在曲面的鏡托上，鏡子按照鏡托的曲面形狀發生機械變形，然后鏡子和鏡托之間由粘接劑或機械固定。無論采用哪種工藝，都容易在模具成形和表面反射層鍍膜過程中產生微小缺陷，影響系統效率。
[0051]而常規檢測物體表面形狀精度的方法主要有觸針式表面形狀測量法和非接觸光觸針測量法，由于聚光器一般面積較大，而采用上述方法需要來返多次，從而導致測量和處理時間長，此外，需要考慮被測物體表面是否允許接觸問題，并且這兩種方法都只是對物體表面形狀測量，而在太陽能應用中，更多的關心是在經過聚光器后匯聚光線在接收器上的能流密度分布情況，因此傳統方法并不適合對太陽能聚光鏡的測量，更不適合在批量生產中使用。
[0052]為了解決這些問題，我們提出了一種自動測試太陽能聚光器光斑形狀的方法，更進一步而言，采用該方法可以制作一個針對太陽能聚光器來模擬實際收光效果的自動測試平臺，從而解決上述生產中的問題。
[0053]本發明采用的具體技術方案是:首先利用模擬點光源來產生垂直入射到太陽能聚光鏡上的光線，然后使用圖像檢測技術來獲取接收器上的匯聚光的位置和形狀等幾何信息，并在計算機上進行重建和識別，再利用帶伺服步進電機的電動導軌將固定在導軌上的模擬點光源沿太陽能聚光鏡外徑平行移動，每移動一步后，重新構建并存儲匯聚光的位置和形狀，模擬點光源移動一周后，測試軟件自動分析出接收器上光斑形狀和位置，從而得到精確的模擬收光效果。
[0054]更進一步，可以根據上述原理，也可以采用面陣光源替換點光源，來制作模擬實際收光效果的自動測試平臺，從而得到各個太陽能聚光器的收光效果。
[0055]圖2是針對拋物面聚光器光斑形狀測試平臺的一種實施實例，其中(4)是電動導軌，以步進伺服電機驅動；(5)是光斑接收屏；(6)是模擬點光源；(7a)、(7b)、(7c)和(7d)是點光源(6)移動到不同位置時的入射光線；(8a)、(Sb)、(8c)和(8d)分別是入射光線經過聚光器后的反射光線；(9a)和(9b)分別是處于不同位置的線性電荷耦合元件CXD ;(10)是待測拋物面聚光器；(11)是控制計算機。
[0056]所述測量平臺組成結構具體包括:
[0057]放置于龍骨支架上的待測拋物面聚光器(10)，龍骨支架水平放置以保證待測拋物面聚光器(10)和地面平行；
[0058]放置在電動導軌(4)的鞍座夾具上的模擬光源(6)，模擬光源(6)與待測拋物面聚光器(10)的平面垂直放置，計算機(11)通過串行接口控制模擬光源(6)沿電動導軌(4)步進移動；
[0059]與電動導軌(4)放置于同一平面的光斑接收屏(5)，光斑接收屏(5)的中心軸與待測拋物面聚光器(10)的中軸線重合，以保證反射光斑可以在光斑接收屏(5)上顯示；[0060]模擬光源(6)用于垂直入射點光線進入待測拋物面聚光器(10)，經過聚光鏡反射后，匯聚光線入射到光斑接收屏(5)上，并通過步進伺服電機以步進方式沿電動導軌(4)移動，每次移動一步后，由計算機(11)重新構建并存儲匯聚光的位置和形狀，直到走完整個導軌量程；
[0061]計算機(11)用于在模擬光源在電動導軌上每走一步時,通過線性(XD對光斑接收屏(5)掃描圖像處理，先用二值化和全局閥值法進行光斑的粗定位，然后利用平均灰度值法計算得到匯聚光線在接收屏上形成的光斑的精確位置坐標；
[0062]計算機(11)得到一系列的匯聚光斑位置坐標后，計算形成光斑最大尺寸后存儲到對應數據庫中。
[0063]利用上述測量平臺的測試方法，其測試步驟為:
[0064]A首先將待測拋物面聚光器(10)放置在龍骨支架(未畫出)上，通過水平放置的龍骨支架可以保證待測拋物面聚光器(10)和地面平行。
[0065]B將模擬點光源(6)被放置在電動導軌(4)的鞍座夾具(未畫出)上，并與待測拋物面聚光器(10 )平面垂直放置，計算機(I I)可以通過串行接口控制模擬光源(6 )沿電動導軌
(4)步進移動。
[0066]C光斑接收屏(5)與電動導軌(4)處于同一平面，且中心軸與待測拋物面聚光器
(10)中軸線重合，從而保證反射光斑可以在光斑接收屏(5)上顯示。
[0067]D模擬點光源(6)垂直入射點光線(7a)進入待測拋物面聚光器(10)，經過聚光鏡反射后，匯聚光線(8a)入射到光斑接收屏(5 )上。
[0068]E計算機(11)通過線性CXD (9a)或(9b)對光斑接收屏(5)掃描圖像處理，先用二值化和全局閥值法進行光斑的粗定位，然后利用平均灰度值法計算得到匯聚光線(8a)在光斑接收屏(5)上形成的光斑的精確位置坐標。
[0069]F點光源(6)通過步進伺服電機以步進方式沿電動導軌(4)移動，每次移動一步后，重復E操作，直到走完整個導軌量程，(7b)、(7c)和(7d)是分別移動到不同位置時的入射光線，(Sb)、(Sc)和(8d)是入射光線經過待測拋物面聚光器(10)后的反射光線。
[0070]G計算機(11)得到一系列的匯聚光斑位置坐標后，計算形成光斑最大尺寸后存儲到對應數據庫中。
[0071]圖3是經過上述操作后由計算機程序繪制出的光斑形狀，根據這個形狀可以計算出聚光器的光斑尺寸。
[0072]具體而言，本方案模擬點光源可以采用波長為532nm的固體泵浦的綠光激光器，也可以采取波長為650的紅光點狀激光器，功率取值可以在50mW以下。
[0073]具體而言，本方案光斑接收屏宜選擇白色無光幕，與點光源顏色形成比較大的反差。
[0074]具體而言，本方案線性CCD位置應該放在聚光器中軸線上，且與光斑接收屏中線重合，如果由于聚光鏡結構設計而導致CXD無法安置在聚光器中軸線上，可以將CXD放置在聚光鏡邊沿(9b)處，但在計算光斑大小時，應該考慮到采集的畸形誤差。
[0075]另外一種改進后的測試方法是用陣列面光源來代替上述案例中的點光源，如圖4所示，利用陣列面光源(12)來代替點光源(6)，從而取代了電動導軌。
[0076]采用這樣的測試方法能夠提高測試效率，圖5是采用這樣的方式得到的光斑形狀。
[0077]此外，對于其它形狀的聚光鏡構成的聚光系統，如圖6是采用4塊雙曲矩形聚光器構成的聚光系統，其中(13)是4塊同樣曲率的雙曲矩形聚光器，(14)是光接收面，為了保證在光接收面(14)上有比較均勻的光能流密度分布，需要保證各片雙曲矩形聚光器在光接收面(14)上的光斑形狀盡量一致。因此可以同樣采用本專利提出的測試方法來進行檢測。
[0078]圖7是測試平臺示意圖，其中，(15)是待測試的雙曲矩形聚光器，(16)是排列成十字形狀的陣列光源，同樣可以按照上述步驟來測試出各個單片聚光器的光斑形狀，從而在系統構建前可以更加優化設計。
[0079]通過上述發明思想，可以針對太陽能聚光器得到一種有效的測試方法，從而能夠更加精確的保證系統效率。
[0080]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試方法，其特征在于，所述方法包括: 步驟1，將待測拋物面聚光器(10)放置在龍骨支架上，龍骨支架水平放置以保證待測拋物面聚光器(10)和地面平行； 步驟2，將模擬光源(6)放置在電動導軌(4)的鞍座夾具上，并與待測拋物面聚光器(10)的平面垂直放置，計算機(11)通過串行接口控制模擬光源(6)沿電動導軌(4)步進移動； 步驟3，將光斑接收屏(5)與電動導軌(4)放置于同一平面，且中心軸與待測拋物面聚光器(10)中軸線重合，以保證反射光斑可以在光斑接收屏(5)上顯示； 步驟4，模擬光源(6)垂直入射點光線進入待測拋物面聚光器(10)，經過聚光鏡反射后，匯聚光線入射到光斑接收屏(5)上； 步驟5，計算機(11)通過線性CXD對光斑接收屏(5 )掃描圖像處理，先用二值化和全局閥值法進行光斑的粗定位，然后利用平均灰度值法計算得到匯聚光線在光斑接收屏(5)上形成的光斑的精確位置坐標； 步驟6，模擬光源(6)通過步進伺服電機以步進方式沿電動導軌(4)移動，每次移動一步后，重復步驟5操作，直到走完整個導軌量程； 步驟7，計算機(11)得到一系列的匯聚光斑位置坐標后，計算形成光斑最大尺寸后存儲到對應數據庫中。
2.如權利要求1所述 的測試方法，其特征在于，所述模擬光源(6)為陣列面光源。
3.如權利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述模擬光源(6)為點光源。
4.如權利要求3所述的測試方法，其特征在于，所述點光源是波長為532nm的固體泵浦的綠光激光器，或者波長為650的紅光點狀激光器，功率值在50mW以下。
5.如權利要求1至4任一項所述的測試方法，其特征在于，所述光斑接收屏(5)為白色無光幕。
6.一種對太陽能聚光器光斑形狀的測試平臺，其特征在于，所述測試平臺包括: 放置于龍骨支架上的待測拋物面聚光器(10)，龍骨支架水平放置以保證待測拋物面聚光器(10)和地面平行； 放置在電動導軌(4)的鞍座夾具上的模擬光源(6)，模擬光源(6)與待測拋物面聚光器(10)的平面垂直放置，計算機(11)通過串行接口控制模擬光源(6)沿電動導軌(4)步進移動； 與電動導軌(4)放置于同一平面的光斑接收屏(5)，光斑接收屏(5)的中心軸與待測拋物面聚光器(10)的中軸線重合，以保證反射光斑可以在光斑接收屏(5)上顯示； 模擬光源(6)用于垂直入射點光線進入待測拋物面聚光器(10)，經過聚光鏡反射后，匯聚光線入射到光斑接收屏(5)上，并通過步進伺服電機以步進方式沿電動導軌(4)移動，每次移動一步后，由計算機(11)重新構建并存儲匯聚光的位置和形狀，直到走完整個導軌
口里fe ； 計算機(11)用于在模擬光源在電動導軌上每走一步時，通過線性C⑶對光斑接收屏(5)掃描圖像處理，先用二值化和全局閥值法進行光斑的粗定位，然后利用平均灰度值法計算得到匯聚光線在接收屏上形成的光斑的精確位置坐標； 計算機(11)得到一系列的匯聚光斑位置坐標后，計算形成光斑最大尺寸后存儲到對應數據庫中。
7.如權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述模擬光源(6)為陣列面光源。
8.如權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述模擬光源(6)為點光源。
9.如權利要求8所述的測試方法，其特征在于，所述點光源是波長為532nm的固體泵浦的綠光激光器，或者波長為650的紅光點狀激光器，功率值在50mW以下。
10.如權利要求6至9任一項所述的測試方法，其特征在于，所述光斑接收屏(5)為白色無光幕。`
【文檔編號】G01M11/02GK103822772SQ201410086953
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】官成鋼, 劉 文, 王雙保, 吳展翔, 李樹輝, 溫晨龍, 嚴興隆 申請人:華中科技大學