專利名稱：一種太陽能積聚反射鏡面快速性能測評裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種用于太陽能積聚反射鏡快速性能測評裝置及方法，主要涉及玻璃工業和太陽能新能源領域。
背景技術：
近年來，隨著煤炭、石油等一次性能源越來越枯竭，加上溫室效應和環境污染對人類的影響越來越大，低碳環保的理念越來越深入人心，如水能、風能、太陽能、潮汝能、核能等綠色可再生資源的應用開發越來越引起人們的重視，特別是太陽能的應用也日益廣泛， 除了像硅太陽能電池，太陽能熱水器，太陽灶等傳統應用外，太陽能發電被人們日益廣泛的應用。聚光型太陽熱發電(CSP)和太陽光發電(PV)除了以太陽電磁波為能量源這一點之外，是完全不同的發電技術。CSP 一般利用反射鏡“聚集”太陽熱，然后將水轉變成高溫高壓水蒸氣，利用水蒸汽轉動蒸汽輪機進行發電。由于大部分系統即使不使用最先進的技術也能實現，因此導入成本從剛開始就比較低，也很容易實現規模效益(Scale Merit)。因此，在日照強度較高的低緯度地區，發電規模超過幾十MW的大規模系統中，以前基本采用CSP。最近，特別是在美國，發電規模的擴大正日益加速，許多輸出功率高達幾百MW的巨大發電站的建設計劃也紛紛面世。CSP還具有許多PV無法比擬的特點。比如，與火力發電站并設并共用配管系統和渦輪機、可將白天用不完的熱儲存在熔融鹽中用于夜間發電。最近，實現技術的選項也日益增多。除了使用多個平面鏡的“塔式”之外，還出現了通過每面反射鏡聚光加熱熱介質的“槽式(Trough)”、利用熱直接驅動斯特林發動機(Stirling Engine)的“碟式(Dish Engine)”
坐寸οCSP技術盡管有各種不同的類型，但有一點是相同的，那就是都需要有一個反射鏡來將陽光積聚起來。影響太陽光積聚能量的因素有三個一是積聚面的面積，面積越大積聚在一個小區域當中的能量就越大；二是反射面的反射率,反射率越高意味著陽光被反射面吸收得越少，才能獲得較高的光能轉換效率；還有一個就是反射面曲面的精度。只有保證精度，才能讓光能通過反射被盡量集中在一個小區域中，這樣才能在局部獲得較高的精度。從反射面的材料上來分，常見的反射材料可分為反射膜和玻璃鏡面兩種，顯然發射膜非常柔軟，可以貼附到任意形狀的表面，但相對來說反射率比較低一些；玻璃鏡面是通過在玻璃表面鍍上一層銀來構成反射層，反射率非常高，因而是理想的反射材料。但是從加工工藝上來看，平板玻璃相對來說工藝比較成熟，而曲面玻璃則相對來說比較難實現，因此有一些比較大的太陽光反射鏡采用了馬賽克的工藝，也就是說在曲面上貼上許多很小的平板玻璃塊，從實質上說就是用小的正方形、圓形或者其他形狀的小平面塊去近似表示一個曲面。但這樣的方式實現會帶來兩個缺點1.反射面由很多小塊組成，而這些小塊需要逐個貼裝到曲面的表面，工藝上相對麻煩2.小塊與小塊直接會存在縫隙，這些縫隙無法很好的對陽光反射，降低了反射面的總有效面積。3.由于是用一個個小平面鏡去近似一個曲面反射鏡，使得光線不能會聚在點上，實際是會聚在一個小區域中，降低了系統的熱效率。顯然，采用直接曲面成型的鍍銀反射鏡應該是一個理想的選擇，但由于工藝所限，往往會存在一定的次品率。如何快速準確的對曲面鏡面進行質量檢驗是一個非常重要的問題。要對曲面的性能進行測試，不外乎兩種方法，一種是直接法，就是直接測試反射曲面的會聚性能。 一種是間接法，通過精確測試曲面鏡的曲面幾何尺寸，并和理論值進行比較，對鏡面的加工精度和會聚性能進行評估。間接法可采用各種高精度的幾何尺寸檢測方式，例如三坐標測量機和激光跟蹤儀等，測試的精度比較高，但這些高精度的測試設備，價格十分昂貴，而且測量的速度比較慢，由于要進行世界坐標和工件坐標的復雜轉換，后期處理工作也較為復雜，無法滿足實時在線檢測的要求。一種用于太陽能反射鏡面快速性能評估裝置及檢測方法，采用直接測量的方法，用一組平行激光模擬照射到太陽能反射鏡面，并利用機械掃描的方式來多反射面區域進行掃描，通過檢測這些平行光在會聚平面上的成像特性來快速檢測太陽能反射面的會聚性能，能夠很好的滿足實時檢測的要求。

發明內容
本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種太陽能積聚反射鏡快速性能評測裝置和方法，能對太陽能反射鏡性能進行快速檢測和評估。為達到上述目的，本發明采用下述技術方案
一種太陽能積聚反射鏡快速性能測評裝置包括待測的反射鏡面、底座、龍門框架、橫梁和光靶支架，其特征在于所述底座上垂直安裝了所述龍門框架，在該龍門框架的兩側安裝有直線導軌，所述橫梁的兩端與兩直線導軌滑配，有一個驅動電機安裝在所述龍門框架的下端，該驅動電機通過傳動機構驅動橫梁在龍門框架上做垂直上下運動；橫梁上等間距平行安裝了多個小型激光發射管，這些激光管的光軸與通過待測反射鏡面母線的切平面相垂直，用以模擬平行太陽光照射到反射鏡面上匯聚的情況。在橫梁的中間，安裝有一個光靶支架，在該支架上安裝有一個光靶和一個CCD攝像頭；光靶為投射型光靶，被安裝在反射鏡面的焦點上，CCD攝像頭安裝在光靶的后面，可以獲取反射鏡面照射到光靶上的成像。CCD 攝像頭的像被傳輸到安裝于一臺PC機的圖像采集卡，并轉換為數字視頻信號，由PC機進行圖像處理和分析而對反射鏡的性能進行評估。所述傳動機構是驅動電機的輸出軸上固定一個鏈輪,該鏈輪通過一個鏈條傳動裝龍門框架上段一根橫軸端部的鏈輪，該橫軸上有兩個卷輪通過兩條繩索吊掛所述橫梁的兩端，從而拉動橫梁上下移動；或者驅動電機通過該輪傳動安裝在量直線導軌內的兩根絲桿，兩根絲桿與橫梁兩端固定連接的螺母旋配。一種太陽積聚反射快速測評方法，采用上述裝置進行測評，其特征在于基本操作步驟如下
a)控制器首先控制驅動電機，通過絲杠帶動橫梁由上向下運動。圖4為該掃描軌跡原理圖，a、b、C、d、e、f、g、h、i、j、k為激光管,安裝于橫梁上。橫梁在電機、絲杠的帶動下，從左向右做勻速運動，而與此同時，激光管受控制器控制被依次順序點亮，周而復始，而 1，2，3··· . 93，94等為激光管a被點亮時橫梁所處的位置。通過垂直方向的機械運動和水平方向的電子開關控制激光管的亮滅共同作用，從空間上來說，相當于用一個形狀為平行四邊形形狀的平行光點陣對太陽反射鏡面的進行照射。在任意時刻，只有一個激光管是亮的，這樣就可以時間為參數，建立起平行光陣上的任意一點和所成像的一一對應關系；
b)光靶和CCD攝像頭被安裝在光靶支架上，而光靶支架又被固定在橫梁上，這樣橫梁在電機驅動下，通過絲杠帶動，在龍門框架上做上下運動時，攝像頭與光靶將會與橫梁上的激光管組同步運動。圖為反射鏡面對一組平行光的靜止靶面成像示意圖，由LI、L2、L3、L4 為代表的平行光線被照射到反射鏡面A上，應該聚焦在一條線上。反射曲面在XOY平面上的投影是一個圓弧，而該曲面可看做是由改圓弧在Z方向拉伸而成。又因為入射光線為平行光，因此入射光線和反射光線所組成的平面一定與XOY平面是平行的；
c)通過計算每束平行光線在攝像頭上成像與理想焦點位置的偏差來對反射鏡的性能進行評估。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點 本發明采用直接測量方法，用一組平行激光模擬照射到太陽能反射鏡面，并利用機械掃描方式來對多反射面區域進行掃描，通過檢測這些平行光在會聚屏幕上的成像特性來快速檢測太陽能反射鏡面的會聚性能，本發明的特點是結構簡單，測量準確迅速，能夠很好地滿足大規模生產實施檢測的需要。


圖I是太陽光反射鏡測量裝置三維示意圖。
圖2是太陽光反射鏡測量裝置頂視及光路示意圖。
圖3是太陽光反射鏡測量裝置功能邏輯框圖。
圖4是太陽光反射鏡測量裝置光點掃描示意圖。
圖5是太陽光反射鏡測量裝置測量機構邏輯框圖。
圖6是太陽光反射鏡測量裝置優選實施例邏輯框圖。
具體實施方式
實施例一
參見圖1，本太陽能積聚反射鏡快速包括待測的反射鏡面(I)、底座(9)、龍門框架
(7)、橫梁(6)和光靶支架(8)，其特征在于所述底座(9)上垂直安裝了所述龍門框架(7)，在該龍門框架(7)的兩側安裝有直線導軌，所述橫梁(6)的兩端與兩直線導軌滑配，有一個驅動電機(2)安裝在所述龍門框架的下端，該驅動電機(2)通過傳動機構驅動橫梁(6)在龍門框架(7)上做垂直上下運動；橫梁(6)上等間距平行安裝了多個小型激光發射管(5)，這些激光管的光軸與通過待測反射鏡面(I)母線的切平面相垂直，用以模擬平行太陽光照射到反射鏡面(I)上匯聚的情況。在橫梁(6)的中間，安裝有一個光靶支架(8)，在該支架(8)上安裝有一個光靶(4)和一個CCD攝像頭(3);光靶(4)為投射型光靶，被安裝在反射鏡面的焦點上，CXD攝像頭(3)安裝在光靶(4)的后面，可以獲取反射鏡面(I)照射到光靶上的成像。CCD攝像頭(3 )的像被傳輸到安裝于一臺PC機(10 )的圖像采集卡(11)，并轉換為數字視頻信號，由PC機(10)進行圖像處理和分析而對反射鏡的性能進行評估。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于所述傳動機構是驅動電機(2)的輸出軸上固定一個鏈輪，該鏈輪通過一個鏈條傳動裝龍門框架(7)上段一根橫軸端部的鏈輪，該橫軸上有兩個卷輪通過兩條繩索吊掛所述橫梁(6)的兩端，從而拉動橫梁(6)上下移動；或者驅動電機(2)通過該輪傳動安裝在量直線導軌內的兩根絲桿，兩根絲桿與橫梁(6)兩端固定連接的螺母旋配。實施例三
本太陽能聚焦反射鏡快速性能測評方法，采用上述裝置進行測評，其基本步驟是a)控制器(12)首先控制驅動電機，通過傳動機構帶動橫梁(6)由上向下做勻速運動，與此同時處于橫梁(6)上的激光發射管(5)在控制器(12)的控制下依次被點亮；這樣垂直方向的機械運動和水平方向的電子開關控制激光管的亮滅共同作用，相當于二維方向上的平行光點陣對太陽反射鏡面(I)的分時照射。b)光靶(4)和CCD攝像頭(3)被安裝在光靶支架(8) 上，而光祀支架(8 )又被固定在橫梁(6 )上,這樣橫梁(6 )在電機(2 )驅動下,通過傳動機構帶動，在龍門框架(7)上做上下運動時，攝像頭(3)與光靶(4)將會與橫梁(6)上的激光發射管(5)組同步運動；c)通過PC機(10)計算每束平行光線在攝像頭(3)上成像與理想焦點位置的偏差來對反射鏡的性能進行評估。本發明的一個優選實施例結合

如下
本實施例為采用如圖I的框架結構反射鏡面(I)的高度為I. 5m，弧面弦長為2m， 焦距約為I. 5m，與地面垂直放置；測量機構的機械機構主要由底座(9)、龍門框架(7)、橫梁 (6 )和光靶支架(8 )構成。底座(9 )上垂直安裝了一個龍門框架(7 )，在龍門框架的兩側安裝有直線導軌，橫梁(6)的兩端被固定在這兩臺直線導軌上，可由驅動電機(2)(直流伺服電機)驅動絲杠在龍門框架上做垂直上下運動。橫梁上等間距平行安裝了 16個小型激光發射管(5)(發光管的間距為10cm)，這些激光管的光軸與通過待測反射鏡面母線的切平面垂直的，用以模擬平行太陽光照射到反射鏡面上匯聚的情況。在橫梁的中間，安裝有光靶支架
(8),在該支架上安裝有光靶(4)和CCD攝像頭(3)。光靶(4)為投射型光靶，被安裝在反射鏡面的焦點線上(距離反射鏡面距離為1.5m)，(XD攝像頭(3)安裝在光靶子4的后面，距離光靶距離約為5cm，在CCD上安裝有變焦鏡頭，可以方便的調節光靶上的像在CCD中成像的聚焦和大小，以便獲得較好的成像效果。圖6為實施例的控制邏輯框圖。CXD攝像頭(3)輸出的視頻信號連接到安裝于PC 機(10)上的圖像采集卡(11)輸入端；PC機(10)通過網絡與基于ARM的嵌入式控制器(12) 相連，嵌入式控制器(12)通過驅動器帶動驅動電機(6 )運動，嵌入式控制器(4 )還用以控制激光管(5)陣列的亮滅。基本的工作流程為當接受到測試任務是，作為主控和圖像處理的PC機(10)首先通過網絡將指令下達給基于ARM的嵌入式控制器(12)，由它來控制驅動電機(2)帶動橫梁運動，首先先回到最下面的起始點，完成歸零，然后以勻速方式由下向上運動，直至到達上極限點(由限位開關控制)，與此同時，嵌入式控制器4控制激光管陣列中的激光管依次從左到右點亮，待最右邊的光管點亮后再最左邊的激光管起從左到右點亮， 如此循環往復。由此完成對鏡面區域的掃描。CXD攝像頭(3)所拍攝的光靶所成的像，通過視頻捕捉卡(11)被轉換成數字圖像并被傳輸到PC機種，PC機上運行的圖像處理軟件(用 VC編寫)，獲取圖像點的坐標，并存放于一個一維數組中。在測量結束后根據坐標算出每一個點與中心線的偏差值針對這些數據進行統計處理，既可以根據總的統計結果來判斷鏡面反射率是否合格，也可以根據每一個值的偏差值來找出究竟是那些測量點所測量出來的結果超差，究竟差了多少等等，以作為對反射鏡面測量的參考。
權利要求
1.I. 一種太陽能積聚反射鏡快速性能測評裝置包括待測的反射鏡面(I)、底座(9)、 龍門框架(7)、橫梁(6)和光靶支架(8)，其特征在于所述底座(9)上垂直安裝了所述龍門框架(7)，在該龍門框架(7)的兩側安裝有直線導軌，所述橫梁(6)的兩端與兩直線導軌滑配， 有一個驅動電機(2)安裝在所述龍門框架的下端，該驅動電機(2)通過傳動機構驅動橫梁(6)在龍門框架(7)上做垂直上下運動；橫梁(6)上等間距平行安裝了多個小型激光發射管 (5)，這些激光管的光軸與通過待測反射鏡面(I)母線的切平面相垂直，用以模擬平行太陽光照射到反射鏡面(I)上匯聚的情況；在橫梁(6 )的中間,安裝有一個光祀支架(8 ),在該支架(8 )上安裝有一個光祀(4)和一個CCD攝像頭(3);光靶(4)為投射型光靶，被安裝在反射鏡面的焦點上，CCD攝像頭(3)安裝在光靶(4)的后面，可以獲取反射鏡面(I)照射到光靶上的成像；CCD攝像頭(3)的像被傳輸到安裝于一臺PC機(10)的圖像采集卡(11)，并轉換為數字視頻信號，由PC機(10)進行圖像處理和分析而對反射鏡的性能進行評估。
2.2.根據權利要求I所述的太陽能積聚發射井快速性能評測裝置，其特征在于所述傳動機構是驅動電機(2)的輸出軸上固定一個鏈輪，該鏈輪通過一個鏈條傳動裝龍門框架(7)上段一根橫軸端部的鏈輪，該橫軸上有兩個卷輪通過兩條繩索吊掛所述橫梁(6)的兩端，從而拉動橫梁(6)上下移動；或者驅動電機(2)通過該輪傳動安裝在量直線導軌內的兩根絲桿，兩根絲桿與橫梁(6)兩端固定連接的螺母旋配。
3.3. 一種太陽能積聚反射鏡快速性能測評的方法，采用權利要求I所述的太陽能積聚反射鏡快速測評裝置，其特征在于基本步驟是a)控制器(12)首先控制驅動電機，通過傳動機構帶動橫梁(6)由上向下做勻速運動，與此同時處于橫梁(6)上的激光發射管(5)在控制器(12)的控制下依次被點亮；這樣垂直方向的機械運動和水平方向的電子開關控制激光管的亮滅共同作用，相當于二維方向上的平行光點陣對太陽反射鏡面(I)的分時照射；b)光祀(4)和CCD攝像頭(3)被安裝在光祀支架(8)上,而光祀支架(8)又被固定在橫梁(6)上，這樣橫梁(6)在電機(2)驅動下，通過傳動機構帶動，在龍門框架(7)上做上下運動時，攝像頭(3 )與光靶(4 )將會與橫梁(6 )上的激光發射管(5 )組同步運動；c )通過PC機(10)計算每束平行光線在攝像頭(3)上成像與理想焦點位置的偏差來對反射鏡的性能進行評估。
全文摘要
本發明涉及一種對太陽能積聚反射鏡快速性能測評估裝置及方法。該裝置的運動機構由一個安裝在由電機驅動的可上下運動的橫梁及支架構成，在橫梁上等間距水平安裝的LED作為點光源，整個裝置通過電機驅動直線導軌做上下運動和LED的依次點亮來完成2維空間的掃描，通過安裝于鏡面焦點的攝像頭來快速檢測太陽能拋物面反射鏡面的聚焦性能。本發明的特點是結構簡單，測量準確迅速，能適應大規模生產實時檢測的需要。
文檔編號G01M11/02GK102589849SQ201210004029
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者張紅奎, 李智, 楊浩, 汪地, 汪洪 申請人:上海大學