一种适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统的制作方法

本发明涉及摄影测量
技术领域：
，特别涉及一种适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统。
背景技术：
：能源是人类赖以生存的物质基础，随着社会、经济的发展进步，人们对能源的要求也越来越高。太阳能作为一种清洁、绿色的新能源，得到了广泛的推广与应用。太阳能热发电技术主要分为槽式、塔式、碟式和菲涅尔式四种方式，其中槽式太阳能热发电技术最为成熟、最具商业化运行条件。目前，槽式太阳能热发电技术关注的焦点问题是如何提高热发电效率。热效率表达式为：η热效率＝ρ·γ·(τ·α)其中，为抛物镜面反射率，为集热器的截断因子，为吸热管表面涂层吸收率，为吸热管表面玻璃罩透射率。由此，槽式太阳能热发电效率取决于四个影响因素，而当集热器的材料属性确定以后，抛物镜面反射率、吸热管表面涂层吸收率、吸热管表面玻璃罩透射率也就确定，因而在后期的装配运行中，影响槽式太阳能热发电效率的因素只有集热器的截断因子，而一个聚光良好的槽式太阳能集热器，其截断因子应保证在0.95以上。对于槽式太阳能集热器来说，截断因子的影响因素主要是镜面面形精度和支架精度。在过去的几十年中，人们提出了大量测量镜面面形的方法。包括视频扫描Hartmann光学测量法；将近景摄影测量法应用到槽式太阳能集热器的测量上；黑白条纹的条纹反射法；彩色条纹反射法。相比较为成熟的镜面面形测量来说，支架测量研究较少。目前，应用最广泛的是德国航空航天中心(DLR)在2008年研制出的专门针对槽式太阳能集热器面形以及支架的摄影测量系统QFoto系统。然而，现有技术中辅助测量系统本身精度较低，其难以保证对支架测量的精度。因此，为了解决上述问题，需要一种适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统，所述系统包括测量附件、摄影设备和计算装置，所述测量附件包括:托片测量附件、吸热管测量附件、旋转轴测量附件，其中所述托片测量附件，用于安装于槽式太阳能集热器支架的托片上，辅助测量槽式太阳能集热器支架的托片的位置；托片测量附件包括一连接部，所述连接部向外辐射形成三个测量臂，所述三个测量臂端部分别开设第一标志点定位孔，利用三个所述第一标志点定位孔定位所述托片的位置；所述吸热管测量附件，用于安装于槽式太阳能集热器支架的吸热管支架上，辅助测量槽式太阳能集热器支架的吸热管的支撑点坐标；所述吸热管测量附件呈半圆形，在所述半圆形的一侧面具有突出部，所述吸热管测量附件截面对应于所述突出部的位置设有第二标志点定位孔；所述旋转轴测量附件，用于安装于槽式太阳能集热器支架旋转轴上，辅助测量槽式太阳能集热器支架旋转轴的位置；所述摄像装置架设于槽式太阳能集热器支架前端，用于采集图片，所述计算装置内置图像处理指令，所述摄像装置采集的图片传输给所述计算装置进行图像处理，得到槽式太阳能集热器支架的几何量。优选地，所述连接部一侧面设有安装平键。优选地，所述托片测量附件确定所述托片的位置包括托片支撑点坐标和托片角度。优选地，所述第一标定点定位孔为沉孔。优选地，所述托片测量附件上下表面的平行度误差为0.022mm，第一标志点定位孔的位置度误差为0.09mm。优选地，所述吸热管测量附件与吸热管支架接触表面的平面度误差为0.20mm，标志点定位孔的位置度误差为0.15mm。优选地，所述旋转轴测量附件呈柱状结构件，所述柱状结构一端面具有用于卡接旋转轴的盖板，所述盖板中心处设有第三标志点定位孔。优选地，所述旋转轴测量附件的第三标志点定位孔的同轴度误差为0.10mm。优选地，所述旋转轴测量附件为带有底板的环形套件，所述环形套件底板的中心处设有第四标志点定位孔。优选地，所述旋转轴测量附件的第四标志点定位孔的同轴度误差为0.075mm。本发明针对现有技术中槽式太阳能集热器支架测量方面的缺陷，提出一种适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统，利用摄影测量法，测量槽式太阳能集热器支架的各个待测几何量，具有以下优势：设计托片测量附件，通过控制托片测量附件的加工误差，提高对托片支撑点坐标、托片角度的测量精度。设计吸热管测量附件，通过控制吸热管测量附件的加工误差，提高对吸热管支撑点坐标的测量精度。设计旋转轴测量附件，通过控制旋转轴测量附件的加工误差，提高对旋转轴中心轴线位置和方向的测量精度。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出了槽式太阳能集热器支架的示意图；图2示出了本发明托片测量附件的结构示意图；图3示出了本发明托片与托片测量附件安装的示意图；图4示出了本发明吸热管测量附件的结构示意图；图5示出了本发明吸热管支架与吸热管测量附件安装的示意图；图6示出了本发明一个实施例中旋转轴测量附件的结构示意图；图7示出了本发明一个实施例中旋转轴与旋转轴测量附件安装的示意图；图8示出了本发明另一个实施例中旋转轴测量附件的结构示意图；图9示出了本发明另一个实施例中旋转轴与旋转轴测量附件安装的示意图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体实施例对本发明的内容进行说明，首先对本发明所针对的槽式太阳能集热器支架进行说明，如图1所示槽式太阳能集热器支架的示意图，槽式太阳能集热器支架包括扭力盒105，在扭力盒105中安装旋转轴103，旋转轴103伸出扭力盒105。槽式太阳能集热器支架还包括悬臂梁104，悬臂梁104内包含有托片101。在旋转轴103安装吸热管支架102。吸热管支架102上安装吸热管。本发明适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统，对槽式太阳能集热器支架的几何参量进行测量，几何参量分别有：托片101支撑点坐标、托片101角度、吸热管位置以及旋转轴103的位置和方向。在实际测量中，由于上述几何参量无法通过摄影测量直接测得，需要借助测量附件进行间接测量。针对槽式太阳能集热器支架间接测量时，测量附件自身精度较低导致的上述几何参量测量精度低的缺陷，实施例中采用本发明提供的一种适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统，包括测量附件、摄影设备和计算装置，测量附件包括:托片测量附件、吸热管测量附件、旋转轴测量附件。摄像装置架设于槽式太阳能集热器支架前端，用于采集图片，所述计算装置内置图像处理指令，所述摄像装置采集的图片传输给所述计算装置进行图像处理，得到槽式太阳能集热器支架的几何量。如图2所示本发明托片测量附件的结构示意图，图3所示本发明托片与托片测量附件安装的示意图，托片测量附件用于安装于槽式太阳能集热器支架的托片101上，辅助测量槽式太阳能集热器支架的托片的位置。托片测量附件确定托片101的位置包括托片支撑点坐标和托片角度。托片测量附件的加工误差由槽式太阳能集热器支架的待测几何量求出，具体地：托片测量附件上下表面的平行度误差为0.022mm，第一标志点定位孔的位置度误差为0.09mm。托片测量附件包括一连接部201，连接部201向外辐射形成三个测量臂202，所述三个测量臂端部分别开设第一标志点定位孔203，利用三个第一标志点定位孔203定位托片的位置，第一标定点定位孔203为沉孔。实施例中连接部201一侧面设有安装平键204，托片测量附件通过平键204与托片101安装。在具体的测量过程中，设通过摄影测量得到3个第一标志点圆心坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)，则可通过三个点的重心确定托片位置(xp,yp,zp)，通过三点拟合平面来确定托片法向量(xn,yn,zn)。图4所示本发明吸热管测量附件的结构示意图，图5所示本发明吸热管支架与吸热管测量附件安装的示意图，吸热管测量附件，用于安装于槽式太阳能集热器支架的吸热管支架上102，辅助测量槽式太阳能集热器支架的吸热管的支撑点坐标。吸热管测量附件呈半圆形301，在半圆形的一侧面具有突出部302，吸热管测量附件截面对应于突出部302的位置设有第二标志点定位孔303。吸热管测量附件通过突出部302嵌入到吸热管支架102的中心孔内进行安装。吸热管测量附件的加工误差由槽式太阳能集热器支架的待测几何量求出，吸热管测量附件与吸热管支架接触表面的平面度误差为0.20mm，标志点定位孔的位置度误差为0.15mm。在具体测量过程中通过第二标志点的圆心坐标确定吸热管支撑点坐标(xa,ya,za)，具体地：设摄影测量的到的第二标标志点圆心坐标为(xm,ym,zm)，则：图6所示本发明一个实施例中旋转轴测量附件的结构示意图，图7所示本发明一个实施例中旋转轴与旋转轴测量附件安装的示意图，在一个实施例中旋转轴测量附件，用于安装于槽式太阳能集热器支架旋转轴上，辅助测量槽式太阳能集热器支架旋转轴的位置。旋转轴测量附件呈柱状结构件，柱状结构401一端面具有用于卡接旋转轴的盖板402，盖板中心处设有第三标志点定位孔403。旋转轴测量附件嵌入到旋转轴103的中心通孔内，由盖板402与旋转轴103进行卡接。旋转轴测量附件的加工误差由槽式太阳能集热器支架的待测几何量求出，在一个实施例中旋转轴测量附件的第三标志点定位孔的同轴度误差为0.10mm。针对具有中心通孔的旋转轴，通过第三标志点的圆心坐标确定旋转轴中心轴线上一点坐标图8所示本发明另一个实施例中旋转轴测量附件的结构示意图，图9示出了本发明另一个实施例中旋转轴与旋转轴测量附件安装的示意图，在另一个实施例中针对特定的旋转轴，旋转轴测量附件为带有底板502的环形套件501，环形套件底板502的中心处设有第四标志点定位孔503。旋转轴测量附件通过环形套件套件401与旋转轴103上。旋转轴测量附件的加工误差由槽式太阳能集热器支架的待测几何量求出，在另一个实施例中旋转轴测量附件的第四标志点定位孔的同轴度误差为0.075mm。在另一个实施例中针对未开设中心通孔的旋转轴，通过第四标志点的圆心坐标确定旋转轴中心轴线上一点坐标具体地，由旋转轴中心轴线上的两个点可以求出旋转轴中心轴线方程，从而确定中心轴线与y轴夹角θa：本发明上述实施例中测量附件的最大、最小极限尺寸分别向公差带内移动一个安全裕度，即：上验收极限＝最大极限尺寸-安全裕度(A)下验收极限＝最小极限尺寸+安全裕度(A)其中，安全裕度A值按被测工件的尺寸公差来确定，A值可以取工件公差的1/10。安全裕度A相当于测量中的不确定度(μ)，其中含有计量器具的不确定度μ1和其他引起的不确定度，且μ1＝0.9A。由此可以确定附件加工精度为几何参量误差的9/100倍。下面对采用本发明提供的适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统进行摄影测量得到的测量结果进行分析。槽式太阳能集热器支架测量的几何量分别有：托片支撑点坐标、托片角度、吸热管位置以及旋转轴位置和方向。总体来说，构建世界坐标系Oxyz，由托片支撑点坐标和对应的托平面法向量拟合出抛物镜面f(x,y,z)，然后再由吸热管支撑点坐标拟合出吸热管中心轴线，并计算该中心轴线的方向向量。向镜面投射大量入射光线，计算反射光线与吸热管中心轴线之间的距离，统计该距离小于吸热管半径的反射光线条数，计算截断因子，最后分析在截断因子大于0.95的情况下，各几何量的误差。镜面拟合模型镜面是由托片支撑点坐标(xp,yp,zp)和对应的托平面法向量(xn,yn,zn)拟合得到的，设镜面方程为：f(x,y,z)＝a0x2+b0y2+j0z2+c0xy+d0yz+e0xz+f0x+g0y-z+i0＝0(1)由式上式对x,y,z求偏导，可以求得镜面法向量为：由式上式可得：假设托片支撑点第i点坐标为(xpi,ypi,zpi)，对应的托平面法向量为(xni,yni,zni)，带入上式式中，即可求得：将所有托片支撑点联立，得到方程：P＝(ATA)-1ATB(5)其中，由式(5)可以确定镜面方程的系数，从而得到镜面方程。吸热管模型设吸热管中心轴线上任一点坐标为(x0,y0,z0)，则吸热管中心轴线的方程为：令y0＝0,且由上式变形得：由此可以将空间非线性拟合问题转化为两个平面的线性拟合问题。设吸热管支撑点坐标为(xa,ya,za)，第i个支撑点坐标为则：令m＝1，则：由式(9)可确定吸热管中心轴线的方向向量光线描述槽式太阳能镜面光线反射原理图如图3所示。入射光线垂直入射到抛物镜面，经由镜面反射到吸热管上。其中，为反射光线方向向量。反射光线方向向量为：其中，为入射光线的方向向量。截断因子计算模型的建立反射光线与吸热管中心轴线之间的距离d是：其中，为反射光线与吸热管中心轴线上的任意一点构成的向量。待所有反射光线与吸热管中心轴线之间的距离确定后，统计截断距离小于吸热管半径的反射光线条数，从而得到截断因子γ。需要说明的是，有的反射光线与吸热管中心轴线之间的距离虽然小于吸热管半径，但是这些反射光线并没有射到吸热管上，理论上它们只是射到了吸热管的延长线上，因此，需要将反射光线和吸热管中心轴线投影到yOz平面，计算两条投影光线的交点，通过限制交点在y方向上的坐标，将这部分不满足要求的反射光线去除。槽式太阳能集热器支架各几何量的误差托片支撑点坐标和托片角度直接影响镜面的位置和曲率，导致反射光线发生变化；吸热管支撑点坐标直接影响吸热管的位置，导致部分光线无法反射到吸热管上；当旋转轴的位置和方向改变时，入射光线的入射角度会发生变化，导致反射光线发生变化，从而影响截断因子。托片误差仿真分析托片误差包括托片角度误差和托片支撑点坐标误差。托片角度在局部坐标系中，当托片旋转时，有绕x轴旋转和绕y轴旋转两种情况，绕z轴旋转时不影响最终的截断因子。设绕x轴的旋转角度为dθx，绕y轴的旋转角度为dθy。为托平面的法向量，因此可以通过计算在世界坐标系xyz下的坐标，即可得到拟合曲面所要求的托平面法向量。在局部坐标系下的坐标为(0,0,1)。将托片旋转角度带入到旋转矩阵中，求得托平面法向量在世界坐标系下的描述(xn,yn,zn)为：其中，θ为理想情况下两坐标系绕y轴的旋转角度。由该法向量可以反推出托片的角度。托片支撑点坐标误差设托片支撑点理想坐标为向托片支撑点坐标叠加随机误差时，有两种情况，分别为在托平面x′O′y′上叠加随机误差和在托平面法线方向o′z′上叠加随机误差，在理想坐标上叠加随机误差(dx,dy,dz),得到托片支撑点坐标在世界坐标系xyz下的坐标(xp,yp,zp)，即：吸热管位置误差仿真分析设吸热管支撑点的理想坐标为叠加随机误差(dxa,dya,dza)，则吸热管支撑点的坐标为(xa,ya,za)为：将所有吸热管支撑点坐标带入式(7)，求得吸热管中心轴线方向向量。旋转轴的位置和方向误差仿真分析设旋转轴中心轴线与y轴的夹角为θr，那么入射光线的方向向量由理想情况下的(0,0,-1)变为(0,sinθr,cosθr)，即：按照上方法叠加误差，然后利用公式(13-16)计算托片支撑点坐标、法向量、吸热管位置以及入射光线方向向量，再代入公式(11-12)，进行截断因子的仿真分析。独立分析各几何量对截断因子的影响程度，即一次只在其中一个几何量上叠加误差，分析在截断因子大于0.95的情况下，支架各几何量的误差。独立分析各几何量对截断因子的影响程度对各几何量做独立分析，仿真结果为：托片支撑点坐标在托平面内的误差的标准差σxy为3.0mm；托片支撑点坐标在托平面法线方向的误差的标准差σz为0.02mm；托片角度的误差的标准差σ托片角度为170；吸热管支撑点坐标的误差的标准差σ吸热管为12mm；旋转轴中心轴线与y轴夹角的误差的标准差σ旋转轴为1.50。综合分析各几何量对截断因子的影响程度实际情况中，各几何量的误差项是同时存在的，因此除了需要独立分析各几何量对截断因子的影响外，还需要分析各几何量之间的关系，然后在此基础上分析所有几何量对截断因子的综合影响程度。由实际结构可知，旋转轴位置和方向与吸热管支撑点坐标两个几何量之间是相互独立的，而且它们与托片支撑点坐标、托片角度之间分别也是独立的，但托片支撑点坐标与托片角度之间的关系是非独立的，两者之间是相关联的，所以这里需要分析托片角度与托片支撑点坐标之间的几何关系。实际情况中，托片旋转分为两种情况，分别是托片整体绕y轴旋转和托片与镜面的接触部分绕x轴旋转。当托片支撑点绕y轴旋转θy角后，支撑点坐标差为：Δx＝xn-xt,Δz＝zn-zt。托片整体绕y轴的旋转角度为：当托片支撑点绕x轴旋转θx角后，支撑点坐标差为：Δy＝yn-yt,Δz＝zn-zt。与镜面接触部分绕x轴旋转的角度为:在综合分析时，首先将单独分析得到的各几何量误差同时叠加在各几何量上，然后在此基础上，减小误差，进行仿真分析，最后得到截断因子大于0.95的情况下，槽式抬太阳能集热器支架各几何量的误差。由于托片支撑点坐标和托片角度相关联，因此σxy或σz改变时，σ托片角度会跟着发生变化。所以改变误差水平时，只需改变σxy、σz、σ吸热管和σ旋转轴四个变量即可。本发明测量的各几何量的误差如表1所示。表1本发明测量的各几何量的误差支架待测几何量误差项误差托片支撑点坐标在托平面内存在误差±1.5mm托片支撑点坐标在托平面法线方向存在误差±0.36mm吸热管支撑点坐标误差±2.4mm旋转轴与y轴夹角误差±2.4°根据上述分析，采用本发明的系统，在满足聚热效率时，托片支撑点坐标在托平面内的误差为±1.5mm、托片支撑点坐标在托平面法线方向的误差为±0.36mm、托片角度的误差为2.4°、旋转轴中心轴线与y轴夹角的误差为2.4°，。在保证槽式太阳能集热器的集热效率的情况下，测量得到的槽式太阳能集热器的各几何量误差较低，提高了测量精度。本发明针对现有技术中槽式太阳能集热器支架测量方面的缺陷，提出一种适用于槽式太阳能集热器支架的测量系统，利用摄影测量法，测量槽式太阳能集热器支架的各个待测几何量，具有以下优势：设计托片测量附件，通过控制托片测量附件的加工误差，提高对托片支撑点坐标、托片角度的测量精度。设计吸热管测量附件，通过控制吸热管测量附件的加工误差，提高对吸热管支撑点坐标的测量精度。设计旋转轴测量附件，通过控制旋转轴测量附件的加工误差，提高对旋转轴中心轴线位置和方向的测量精度。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。当前第1页1 2 3