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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。

在二次(ci)反(fan)射塔式光熱(re)發電(dian)站中，太陽光經(jing)定日鏡(jing)(jing)和(he)二次(ci)反(fan)射鏡(jing)(jing)盤(pan)的兩次(ci)反(fan)射后照射至吸熱(re)器(qi)處(chu)，二次(ci)反(fan)射鏡(jing)(jing)盤(pan)安裝(zhuang)于鏡(jing)(jing)場中心(xin)高處(chu)，屬于非運(yun)動光學設備，且存(cun)在一定的制(zhi)造與安裝(zhuang)誤差，而定日鏡(jing)(jing)為運(yun)動機構，因此需要對定日鏡(jing)(jing)的指向精度和(he)跟蹤精度進(jin)行校正以保證(zheng)太陽光能(neng)的截斷(duan)率(lv)和(he)匯聚效率(lv)。

定(ding)日(ri)鏡(jing)的一次(ci)(ci)反射(she)指向精(jing)度和跟(gen)蹤精(jing)度可通過標(biao)定(ding)白板(ban)等方法(fa)進(jin)行校(xiao)正，而受(shou)二(er)次(ci)(ci)反射(she)鏡(jing)盤的安裝誤差(cha)影響，定(ding)日(ri)鏡(jing)的二(er)次(ci)(ci)反射(she)指向可能存在(zai)偏(pian)差(cha)，導(dao)致(zhi)經二(er)次(ci)(ci)反射(she)后(hou)的太陽光無法(fa)有(you)效匯聚于吸熱器內，影響電(dian)站發(fa)電(dian)效率(lv)。因(yin)此，需要一種能夠(gou)校(xiao)正定(ding)日(ri)鏡(jing)二(er)次(ci)(ci)反射(she)指向的方法(fa)。

1國內外指向校正方法比較

國內外現(xian)有校(xiao)(xiao)正方法主(zhu)要通(tong)過(guo)對二次(ci)(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)實(shi)際安裝姿態(tai)進行(xing)間接校(xiao)(xiao)正，而(er)二次(ci)(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)實(shi)際安裝姿態(tai)主(zhu)要通(tong)過(guo)測(ce)距方式獲得，即通(tong)過(guo)二次(ci)(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)盤(pan)(pan)(pan)上各點至觀測(ce)點的(de)(de)(de)距離信息和角(jiao)度信息擬合出(chu)二次(ci)(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)實(shi)際空(kong)間姿態(tai)。

常(chang)用的(de)遠距(ju)離測距(ju)方法主要(yao)包(bao)括飛(fei)時測距(ju)法和(he)雙目測距(ju)法。

飛時(shi)測距法(fa)的(de)本質(zhi)是(shi)通過計算激(ji)光脈沖發出和返(fan)回的(de)時(shi)間差來獲得(de)設備到被測點的(de)距離。該方(fang)法(fa)屬于點測量方(fang)法(fa)，由于需要(yao)接收來自激(ji)光脈沖的(de)回波信號，且(qie)需要(yao)布置基于漫反射(she)的(de)大量標(biao)識測位(wei)，所以該方(fang)法(fa)對(dui)表面反射(she)率較(jiao)高的(de)待(dai)測件應用較(jiao)差，不(bu)建(jian)議用其對(dui)二次反射(she)鏡盤進行直(zhi)接檢測。

雙目測(ce)(ce)距(ju)法的(de)本質是利用(yong)雙目視差(cha)原(yuan)理，即被測(ce)(ce)物(wu)(wu)上的(de)某個特征點(dian)在兩臺圖像采(cai)集(ji)(ji)器(qi)的(de)像平面上所(suo)處的(de)位(wei)(wei)置(zhi)不同，根據位(wei)(wei)置(zhi)偏差(cha)和圖像采(cai)集(ji)(ji)器(qi)的(de)參數信(xin)息解算被測(ce)(ce)點(dian)的(de)空(kong)間(jian)坐(zuo)標。雙目測(ce)(ce)距(ju)法的(de)測(ce)(ce)距(ju)精度受圖像采(cai)集(ji)(ji)器(qi)參數和物(wu)(wu)距(ju)的(de)影響，測(ce)(ce)量遠距(ju)離的(de)物(wu)(wu)體時(shi)(shi)，需(xu)要使用(yong)長焦(jiao)鏡頭，但有效(xiao)視場會變小，導(dao)致測(ce)(ce)量二次反(fan)射鏡盤時(shi)(shi)需(xu)要多次調整設備位(wei)(wei)置(zhi)。

上述兩種方法均屬于(yu)間(jian)接方法，需要先通過各個測點擬合出二(er)次(ci)反(fan)射(she)鏡盤的(de)空間(jian)姿態，再根據定(ding)日鏡中(zhong)心坐(zuo)標和(he)吸熱(re)器中(zhong)心坐(zuo)標解算每(mei)臺定(ding)日鏡的(de)二(er)次(ci)反(fan)射(she)指向，易(yi)在計算中(zhong)引入新的(de)誤(wu)差(cha)。

在判斷定(ding)日鏡(jing)反(fan)(fan)射(she)光時，目前主要通過人眼辨識定(ding)日鏡(jing)二(er)次反(fan)(fan)射(she)光是否落入吸(xi)熱器內(nei)的方(fang)(fang)法(fa)對定(ding)日鏡(jing)二(er)次反(fan)(fan)射(she)指向校正結果進行驗證(zheng)，該方(fang)(fang)法(fa)操作(zuo)不便(bian)，且(qie)(qie)主觀誤差較大(da)。另有基(ji)于輻照(zhao)度計的測(ce)(ce)量方(fang)(fang)法(fa)，在吸(xi)熱器面(mian)上方(fang)(fang)建立一個(ge)檢測(ce)(ce)平面(mian)，將該平面(mian)離散化成方(fang)(fang)形單(dan)元(yuan)，每(mei)(mei)個(ge)單(dan)元(yuan)中心設(she)置一個(ge)輻照(zhao)度計，用于測(ce)(ce)量每(mei)(mei)個(ge)點的二(er)次反(fan)(fan)射(she)光斑(ban)強度，以此描述整個(ge)檢測(ce)(ce)平面(mian)上的二(er)次反(fan)(fan)射(she)光斑(ban)分(fen)布(bu)情況，該方(fang)(fang)法(fa)操作(zuo)不便(bian)，且(qie)(qie)成本較高(gao)。

針(zhen)對以(yi)上(shang)問(wen)題，本文提出一種基于圖像(xiang)的定日(ri)鏡二次反射(she)指向(xiang)(xiang)校正(zheng)方(fang)(fang)法和驗證方(fang)(fang)法，即利用圖像(xiang)識別技術校正(zheng)定日(ri)鏡的二次反射(she)指向(xiang)(xiang)偏差(cha)，以(yi)及驗證定日(ri)鏡的二次反射(she)指向(xiang)(xiang)校正(zheng)效果(guo)。

2指向偏差校正系統設計

2.1系統整體設計

太(tai)(tai)(tai)陽入射光照射到塔式光熱(re)電(dian)(dian)站(zhan)鏡場(chang)的數千臺定日鏡，經過(guo)定日鏡鏡面反(fan)射后(hou)(hou)，到達(da)光熱(re)電(dian)(dian)站(zhan)鏡場(chang)中心位置的二次(ci)(ci)反(fan)射鏡鏡盤，再經過(guo)二次(ci)(ci)反(fan)射后(hou)(hou)，到達(da)位于鏡場(chang)中心、二次(ci)(ci)反(fan)射鏡盤正下方的吸(xi)熱(re)器。吸(xi)熱(re)器采集整個鏡場(chang)收集的二次(ci)(ci)反(fan)射太(tai)(tai)(tai)陽光后(hou)(hou)，加熱(re)吸(xi)熱(re)器內部(bu)管路的熔鹽(yan)，然后(hou)(hou)驅動常規島汽輪機發電(dian)(dian)。太(tai)(tai)(tai)陽光二次(ci)(ci)反(fan)射指向偏差校正成像光路原理如圖(tu)1所(suo)示(shi)。

圖(tu)1二次反射指(zhi)向偏差(cha)校正成(cheng)像(xiang)光路原(yuan)理圖(tu)

吸(xi)熱器頂部焦平面中(zhong)心(xin)附近裝有圖像采集系統，用于拍攝(she)從二(er)次反射鏡返回的(de)定日(ri)(ri)鏡成像，此時需要通過控制(zhi)系統調節定日(ri)(ri)鏡鏡面的(de)旋轉角(jiao)度，確(que)保入射光實時進入吸(xi)熱器。

2.2二次(ci)反射鏡面成像原理(li)

二(er)次(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)(jing)面成像(xiang)方式(shi)如圖2所示。定日鏡(jing)(jing)在(zai)二(er)次(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)(jing)面上存在(zai)兩個(ge)像(xiang)：一個(ge)為(wei)定日鏡(jing)(jing)的一次(ci)反(fan)射(she)(she)光斑像(xiang)，另(ling)一個(ge)為(wei)定日鏡(jing)(jing)的自(zi)身虛像(xiang)。

圖(tu)2二次反射鏡面(mian)成像方(fang)式

若將圖像(xiang)(xiang)(xiang)采集器(qi)置于吸熱(re)器(qi)中(zhong)(zhong)心(xin)，則(ze)可(ke)在圖像(xiang)(xiang)(xiang)采集器(qi)視野中(zhong)(zhong)看到兩個像(xiang)(xiang)(xiang)：一(yi)(yi)次(ci)反(fan)射(she)(she)光斑像(xiang)(xiang)(xiang)的中(zhong)(zhong)心(xin)是定(ding)(ding)日鏡(jing)中(zhong)(zhong)心(xin)實(shi)際反(fan)射(she)(she)光線與二(er)次(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)鏡(jing)面的交點，該交點相(xiang)當于定(ding)(ding)日鏡(jing)在二(er)次(ci)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)面上的實(shi)際指向點；定(ding)(ding)日鏡(jing)虛像(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)心(xin)則(ze)是定(ding)(ding)日鏡(jing)的理想指向點，當一(yi)(yi)次(ci)反(fan)射(she)(she)光斑像(xiang)(xiang)(xiang)的中(zhong)(zhong)心(xin)與理想指向點重合時，則(ze)二(er)次(ci)反(fan)射(she)(she)光斑中(zhong)(zhong)心(xin)恰好落在吸熱(re)器(qi)中(zhong)(zhong)心(xin)，才能加(jia)熱(re)熔鹽(yan)并驅(qu)動發(fa)電。

2.3控制系統設計

定(ding)日鏡指(zhi)向偏差校正(zheng)系統采(cai)用可編程邏(luo)輯控(kong)制(zhi)器(qi)（PLC）作為中央(yang)(yang)控(kong)制(zhi)器(qi)，配套高分(fen)辨率工(gong)業相機作為圖(tu)(tu)(tu)像采(cai)集(ji)(ji)輸入，其硬件原理與(yu)構成如圖(tu)(tu)(tu)3所示。圖(tu)(tu)(tu)像采(cai)集(ji)(ji)系統包含(han)圖(tu)(tu)(tu)像信息采(cai)集(ji)(ji)用的工(gong)業相機及圖(tu)(tu)(tu)像數據計算與(yu)存(cun)儲(chu)模(mo)(mo)塊，中央(yang)(yang)控(kong)制(zhi)器(qi)則配置(zhi)了用于指(zhi)令輸入與(yu)狀態顯示的人(ren)機交互(hu)模(mo)(mo)塊、定(ding)日鏡旋轉的姿態執行模(mo)(mo)塊及電(dian)源(yuan)等功能(neng)模(mo)(mo)塊。

圖3控制(zhi)系統硬(ying)件框圖

3自動偏差校正定日流程

根據定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)每(mei)日(ri)跟蹤太(tai)陽位置的(de)運營(ying)表，中央控(kong)制(zhi)器(qi)控(kong)制(zhi)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)鏡(jing)(jing)面反(fan)射(she)太(tai)陽光(guang)至二(er)次反(fan)射(she)鏡(jing)(jing)，從(cong)而在(zai)二(er)次反(fan)射(she)鏡(jing)(jing)上形成(cheng)太(tai)陽光(guang)斑。置于(yu)熔鹽吸(xi)熱器(qi)頂部的(de)圖像采(cai)集系統通過工業相機采(cai)集到二(er)次反(fan)射(she)鏡(jing)(jing)面的(de)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)虛像和其反(fan)射(she)的(de)太(tai)陽光(guang)斑后，直接(jie)按照(zhao)特定(ding)的(de)圖像處理算(suan)法(fa)進行(xing)數據計算(suan)，分析(xi)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)虛像與太(tai)陽光(guang)斑的(de)偏差，然后將分析(xi)結(jie)果發送到中央控(kong)制(zhi)器(qi)。

當虛像(xiang)與(yu)(yu)光(guang)(guang)斑(ban)兩者不完全(quan)(quan)重合(he)時，控(kong)制定(ding)日鏡(jing)(jing)方位軸(zhou)和(he)俯仰(yang)軸(zhou)旋轉，經(jing)過(guo)多次圖像(xiang)采集反饋與(yu)(yu)控(kong)制，最終實現(xian)定(ding)日鏡(jing)(jing)虛像(xiang)與(yu)(yu)太陽光(guang)(guang)斑(ban)重合(he)，確保(bao)定(ding)日鏡(jing)(jing)能實時調整(zheng)姿態(tai)。整(zheng)個偏差校正定(ding)日流(liu)程(cheng)如(ru)圖4所示，其實現(xian)了整(zheng)體控(kong)制的全(quan)(quan)自動化(hua)、遠程(cheng)化(hua)，節省了大量人力資源，且其硬(ying)件系統和(he)線路設計為模(mo)塊化(hua)功能分區(qu)，具有(you)結(jie)構(gou)緊湊、升級迭代靈活、故(gu)障查找和(he)線路維(wei)修(xiu)快(kuai)捷等(deng)優勢。

圖(tu)4偏差校正(zheng)定日流程

4工程應用

西北(bei)某國家首批光(guang)熱(re)示范電站(zhan)項目(mu)為50MW光(guang)熱(re)電站(zhan)，計(ji)劃配置15個(ge)鏡(jing)場聚(ju)光(guang)系統及太陽(yang)光(guang)反(fan)射(she)塔(ta)，每(mei)個(ge)鏡(jing)場系統配置2000余(yu)臺定日(ri)鏡(jing)，整個(ge)光(guang)熱(re)電站(zhan)總計(ji)約40000臺定日(ri)鏡(jing)。在(zai)定日(ri)鏡(jing)聚(ju)光(guang)調試過程中，發現個(ge)別(bie)定日(ri)鏡(jing)在(zai)跟隨(sui)太陽(yang)光(guang)反(fan)射(she)時，入射(she)光(guang)經過反(fan)射(she)后不能實時射(she)入吸熱(re)器內，導致系統的整體輸入光(guang)功率(lv)略有下降(jiang)。

應(ying)用本文的校正系統后，對二(er)次反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)面(mian)光斑(ban)和(he)虛像(xiang)光斑(ban)未重(zhong)合(he)的目(mu)標定日鏡(jing)(jing)進行(xing)了調節試驗。二(er)次反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)面(mian)圖(tu)像(xiang)如圖(tu)5所示。根據圖(tu)5調節該定日鏡(jing)(jing)的方位角和(he)俯仰角，使其(qi)二(er)次反(fan)(fan)射(she)鏡(jing)(jing)面(mian)光斑(ban)和(he)虛像(xiang)光斑(ban)基(ji)本重(zhong)合(he)，且達(da)到亮度最大(da)和(he)面(mian)積最大(da)。

圖5二次反(fan)射鏡面圖像

通(tong)過試驗(yan)發現，當(dang)目標(biao)定日鏡的二次(ci)反(fan)(fan)射(she)(she)鏡面(mian)光(guang)斑(ban)(ban)和其虛像(xiang)(xiang)重合(he)時，該(gai)定日鏡的二次(ci)反(fan)(fan)射(she)(she)光(guang)斑(ban)(ban)照(zhao)射(she)(she)在(zai)吸(xi)熱(re)(re)器中心附近。以某(mou)臺定日鏡為例，當(dang)二次(ci)反(fan)(fan)射(she)(she)鏡面(mian)上的光(guang)斑(ban)(ban)逐漸向(xiang)目標(biao)定日虛像(xiang)(xiang)靠近時，兩(liang)個光(guang)斑(ban)(ban)像(xiang)(xiang)在(zai)圖(tu)像(xiang)(xiang)中的亮度同時提(ti)高，且從二次(ci)反(fan)(fan)射(she)(she)鏡塔頂相(xiang)機(ji)可觀(guan)察到目標(biao)定日鏡的二次(ci)反(fan)(fan)射(she)(she)光(guang)斑(ban)(ban)逐漸向(xiang)吸(xi)熱(re)(re)器蓋(gai)板中心移動，當(dang)兩(liang)個光(guang)斑(ban)(ban)像(xiang)(xiang)基本重合(he)時，該(gai)定日鏡的二次(ci)反(fan)(fan)射(she)(she)光(guang)斑(ban)(ban)正好(hao)處于吸(xi)熱(re)(re)器中心區域(yu)的設計光(guang)斑(ban)(ban)點，吸(xi)熱(re)(re)器截斷率大(da)大(da)提(ti)高，試驗(yan)結果完全(quan)符(fu)合(he)設計預(yu)期。

5結論

定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)在鏡(jing)(jing)場(chang)中的(de)位置一定(ding)，則其(qi)二(er)次(ci)(ci)(ci)反射鏡(jing)(jing)面上的(de)虛像位置也不變，因而可以(yi)不斷調整定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)轉角，使(shi)該(gai)定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)二(er)次(ci)(ci)(ci)反射鏡(jing)(jing)面光斑(ban)逐(zhu)漸向其(qi)虛像靠攏，當兩者(zhe)光斑(ban)中心(xin)重合時，則該(gai)定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)二(er)次(ci)(ci)(ci)反射指(zhi)向校(xiao)正(zheng)完畢，即該(gai)定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)二(er)次(ci)(ci)(ci)反射光斑(ban)中心(xin)落在了吸熱器中心(xin)附近。

實(shi)際應用表明(ming)，本文(wen)提出(chu)的(de)(de)(de)基于圖像(xiang)的(de)(de)(de)定日(ri)鏡(jing)二(er)(er)(er)次反射指(zhi)向校正(zheng)方(fang)法，不僅(jin)可以用于定日(ri)鏡(jing)的(de)(de)(de)二(er)(er)(er)次反射指(zhi)向偏差校正(zheng)，而且可以用于定日(ri)鏡(jing)二(er)(er)(er)次反射指(zhi)向校正(zheng)后的(de)(de)(de)結果(guo)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。