专利名称：一种太阳能积聚反射镜面快速性能测评装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于太阳能积聚反射镜快速性能测评装置及方法，主要涉及玻璃工业和太阳能新能源领域。
背景技术：
近年来，随着煤炭、石油等一次性能源越来越枯竭，加上温室效应和环境污染对人类的影响越来越大，低碳环保的理念越来越深入人心，如水能、风能、太阳能、潮汝能、核能等绿色可再生资源的应用开发越来越引起人们的重视，特别是太阳能的应用也日益广泛， 除了像硅太阳能电池，太阳能热水器，太阳灶等传统应用外，太阳能发电被人们日益广泛的应用。聚光型太阳热发电(CSP)和太阳光发电(PV)除了以太阳电磁波为能量源这一点之外，是完全不同的发电技术。CSP 一般利用反射镜“聚集”太阳热，然后将水转变成高温高压水蒸气，利用水蒸汽转动蒸汽轮机进行发电。由于大部分系统即使不使用最先进的技术也能实现，因此导入成本从刚开始就比较低，也很容易实现规模效益(Scale Merit)。因此，在日照强度较高的低纬度地区，发电规模超过几十MW的大规模系统中，以前基本采用CSP。最近，特别是在美国，发电规模的扩大正日益加速，许多输出功率高达几百MW的巨大发电站的建设计划也纷纷面世。CSP还具有许多PV无法比拟的特点。比如，与火力发电站并设并共用配管系统和涡轮机、可将白天用不完的热储存在熔融盐中用于夜间发电。最近，实现技术的选项也日益增多。除了使用多个平面镜的“塔式”之外，还出现了通过每面反射镜聚光加热热介质的“槽式(Trough)”、利用热直接驱动斯特林发动机(Stirling Engine)的“碟式(Dish Engine)”
坐寸οCSP技术尽管有各种不同的类型，但有一点是相同的，那就是都需要有一个反射镜来将阳光积聚起来。影响太阳光积聚能量的因素有三个一是积聚面的面积，面积越大积聚在一个小区域当中的能量就越大；二是反射面的反射率,反射率越高意味着阳光被反射面吸收得越少，才能获得较高的光能转换效率；还有一个就是反射面曲面的精度。只有保证精度，才能让光能通过反射被尽量集中在一个小区域中，这样才能在局部获得较高的精度。从反射面的材料上来分，常见的反射材料可分为反射膜和玻璃镜面两种，显然发射膜非常柔软，可以贴附到任意形状的表面，但相对来说反射率比较低一些；玻璃镜面是通过在玻璃表面镀上一层银来构成反射层，反射率非常高，因而是理想的反射材料。但是从加工工艺上来看，平板玻璃相对来说工艺比较成熟，而曲面玻璃则相对来说比较难实现，因此有一些比较大的太阳光反射镜采用了马赛克的工艺，也就是说在曲面上贴上许多很小的平板玻璃块，从实质上说就是用小的正方形、圆形或者其他形状的小平面块去近似表示一个曲面。但这样的方式实现会带来两个缺点1.反射面由很多小块组成，而这些小块需要逐个贴装到曲面的表面，工艺上相对麻烦2.小块与小块直接会存在缝隙，这些缝隙无法很好的对阳光反射，降低了反射面的总有效面积。3.由于是用一个个小平面镜去近似一个曲面反射镜，使得光线不能会聚在点上，实际是会聚在一个小区域中，降低了系统的热效率。显然，采用直接曲面成型的镀银反射镜应该是一个理想的选择，但由于工艺所限，往往会存在一定的次品率。如何快速准确的对曲面镜面进行质量检验是一个非常重要的问题。要对曲面的性能进行测试，不外乎两种方法，一种是直接法，就是直接测试反射曲面的会聚性能。 一种是间接法，通过精确测试曲面镜的曲面几何尺寸，并和理论值进行比较，对镜面的加工精度和会聚性能进行评估。间接法可采用各种高精度的几何尺寸检测方式，例如三坐标测量机和激光跟踪仪等，测试的精度比较高，但这些高精度的测试设备，价格十分昂贵，而且测量的速度比较慢，由于要进行世界坐标和工件坐标的复杂转换，后期处理工作也较为复杂，无法满足实时在线检测的要求。一种用于太阳能反射镜面快速性能评估装置及检测方法，采用直接测量的方法，用一组平行激光模拟照射到太阳能反射镜面，并利用机械扫描的方式来多反射面区域进行扫描，通过检测这些平行光在会聚平面上的成像特性来快速检测太阳能反射面的会聚性能，能够很好的满足实时检测的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种太阳能积聚反射镜快速性能评测装置和方法，能对太阳能反射镜性能进行快速检测和评估。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案
一种太阳能积聚反射镜快速性能测评装置包括待测的反射镜面、底座、龙门框架、横梁和光靶支架，其特征在于所述底座上垂直安装了所述龙门框架，在该龙门框架的两侧安装有直线导轨，所述横梁的两端与两直线导轨滑配，有一个驱动电机安装在所述龙门框架的下端，该驱动电机通过传动机构驱动横梁在龙门框架上做垂直上下运动；横梁上等间距平行安装了多个小型激光发射管，这些激光管的光轴与通过待测反射镜面母线的切平面相垂直，用以模拟平行太阳光照射到反射镜面上汇聚的情况。在横梁的中间，安装有一个光靶支架，在该支架上安装有一个光靶和一个CCD摄像头；光靶为投射型光靶，被安装在反射镜面的焦点上，CCD摄像头安装在光靶的后面，可以获取反射镜面照射到光靶上的成像。CCD 摄像头的像被传输到安装于一台PC机的图像采集卡，并转换为数字视频信号，由PC机进行图像处理和分析而对反射镜的性能进行评估。所述传动机构是驱动电机的输出轴上固定一个链轮,该链轮通过一个链条传动装龙门框架上段一根横轴端部的链轮，该横轴上有两个卷轮通过两条绳索吊挂所述横梁的两端，从而拉动横梁上下移动；或者驱动电机通过该轮传动安装在量直线导轨内的两根丝杆，两根丝杆与横梁两端固定连接的螺母旋配。一种太阳积聚反射快速测评方法，采用上述装置进行测评，其特征在于基本操作步骤如下
a)控制器首先控制驱动电机，通过丝杠带动横梁由上向下运动。图4为该扫描轨迹原理图，a、b、C、d、e、f、g、h、i、j、k为激光管,安装于横梁上。横梁在电机、丝杠的带动下，从左向右做匀速运动，而与此同时，激光管受控制器控制被依次顺序点亮，周而复始，而 1，2，3··· . 93，94等为激光管a被点亮时横梁所处的位置。通过垂直方向的机械运动和水平方向的电子开关控制激光管的亮灭共同作用，从空间上来说，相当于用一个形状为平行四边形形状的平行光点阵对太阳反射镜面的进行照射。在任意时刻，只有一个激光管是亮的，这样就可以时间为参数，建立起平行光阵上的任意一点和所成像的一一对应关系；
b)光靶和CCD摄像头被安装在光靶支架上，而光靶支架又被固定在横梁上，这样横梁在电机驱动下，通过丝杠带动，在龙门框架上做上下运动时，摄像头与光靶将会与横梁上的激光管组同步运动。图为反射镜面对一组平行光的静止靶面成像示意图，由LI、L2、L3、L4 为代表的平行光线被照射到反射镜面A上，应该聚焦在一条线上。反射曲面在XOY平面上的投影是一个圆弧，而该曲面可看做是由改圆弧在Z方向拉伸而成。又因为入射光线为平行光，因此入射光线和反射光线所组成的平面一定与XOY平面是平行的；
c)通过计算每束平行光线在摄像头上成像与理想焦点位置的偏差来对反射镜的性能进行评估。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点 本发明采用直接测量方法，用一组平行激光模拟照射到太阳能反射镜面，并利用机械扫描方式来对多反射面区域进行扫描，通过检测这些平行光在会聚屏幕上的成像特性来快速检测太阳能反射镜面的会聚性能，本发明的特点是结构简单，测量准确迅速，能够很好地满足大规模生产实施检测的需要。
图I是太阳光反射镜测量装置三维示意图。
图2是太阳光反射镜测量装置顶视及光路示意图。
图3是太阳光反射镜测量装置功能逻辑框图。
图4是太阳光反射镜测量装置光点扫描示意图。
图5是太阳光反射镜测量装置测量机构逻辑框图。
图6是太阳光反射镜测量装置优选实施例逻辑框图。
具体实施方式
实施例一
参见图1，本太阳能积聚反射镜快速包括待测的反射镜面(I)、底座(9)、龙门框架
(7)、横梁(6)和光靶支架(8)，其特征在于所述底座(9)上垂直安装了所述龙门框架(7)，在该龙门框架(7)的两侧安装有直线导轨，所述横梁(6)的两端与两直线导轨滑配，有一个驱动电机(2)安装在所述龙门框架的下端，该驱动电机(2)通过传动机构驱动横梁(6)在龙门框架(7)上做垂直上下运动；横梁(6)上等间距平行安装了多个小型激光发射管(5)，这些激光管的光轴与通过待测反射镜面(I)母线的切平面相垂直，用以模拟平行太阳光照射到反射镜面(I)上汇聚的情况。在横梁(6)的中间，安装有一个光靶支架(8)，在该支架(8)上安装有一个光靶(4)和一个CCD摄像头(3);光靶(4)为投射型光靶，被安装在反射镜面的焦点上，CXD摄像头(3)安装在光靶(4)的后面，可以获取反射镜面(I)照射到光靶上的成像。CCD摄像头(3 )的像被传输到安装于一台PC机(10 )的图像采集卡(11)，并转换为数字视频信号，由PC机(10)进行图像处理和分析而对反射镜的性能进行评估。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于所述传动机构是驱动电机(2)的输出轴上固定一个链轮，该链轮通过一个链条传动装龙门框架(7)上段一根横轴端部的链轮，该横轴上有两个卷轮通过两条绳索吊挂所述横梁(6)的两端，从而拉动横梁(6)上下移动；或者驱动电机(2)通过该轮传动安装在量直线导轨内的两根丝杆，两根丝杆与横梁(6)两端固定连接的螺母旋配。实施例三
本太阳能聚焦反射镜快速性能测评方法，采用上述装置进行测评，其基本步骤是a)控制器(12)首先控制驱动电机，通过传动机构带动横梁(6)由上向下做匀速运动，与此同时处于横梁(6)上的激光发射管(5)在控制器(12)的控制下依次被点亮；这样垂直方向的机械运动和水平方向的电子开关控制激光管的亮灭共同作用，相当于二维方向上的平行光点阵对太阳反射镜面(I)的分时照射。b)光靶(4)和CCD摄像头(3)被安装在光靶支架(8) 上，而光祀支架(8 )又被固定在横梁(6 )上,这样横梁(6 )在电机(2 )驱动下,通过传动机构带动，在龙门框架(7)上做上下运动时，摄像头(3)与光靶(4)将会与横梁(6)上的激光发射管(5)组同步运动；c)通过PC机(10)计算每束平行光线在摄像头(3)上成像与理想焦点位置的偏差来对反射镜的性能进行评估。本发明的一个优选实施例结合
如下
本实施例为采用如图I的框架结构反射镜面(I)的高度为I. 5m，弧面弦长为2m， 焦距约为I. 5m，与地面垂直放置；测量机构的机械机构主要由底座(9)、龙门框架(7)、横梁 (6 )和光靶支架(8 )构成。底座(9 )上垂直安装了一个龙门框架(7 )，在龙门框架的两侧安装有直线导轨，横梁(6)的两端被固定在这两台直线导轨上，可由驱动电机(2)(直流伺服电机)驱动丝杠在龙门框架上做垂直上下运动。横梁上等间距平行安装了 16个小型激光发射管(5)(发光管的间距为10cm)，这些激光管的光轴与通过待测反射镜面母线的切平面垂直的，用以模拟平行太阳光照射到反射镜面上汇聚的情况。在横梁的中间，安装有光靶支架
(8),在该支架上安装有光靶(4)和CCD摄像头(3)。光靶(4)为投射型光靶，被安装在反射镜面的焦点线上(距离反射镜面距离为1.5m)，(XD摄像头(3)安装在光靶子4的后面，距离光靶距离约为5cm，在CCD上安装有变焦镜头，可以方便的调节光靶上的像在CCD中成像的聚焦和大小，以便获得较好的成像效果。图6为实施例的控制逻辑框图。CXD摄像头(3)输出的视频信号连接到安装于PC 机(10)上的图像采集卡(11)输入端；PC机(10)通过网络与基于ARM的嵌入式控制器(12) 相连，嵌入式控制器(12)通过驱动器带动驱动电机(6 )运动，嵌入式控制器(4 )还用以控制激光管(5)阵列的亮灭。基本的工作流程为当接受到测试任务是，作为主控和图像处理的PC机(10)首先通过网络将指令下达给基于ARM的嵌入式控制器(12)，由它来控制驱动电机(2)带动横梁运动，首先先回到最下面的起始点，完成归零，然后以匀速方式由下向上运动，直至到达上极限点(由限位开关控制)，与此同时，嵌入式控制器4控制激光管阵列中的激光管依次从左到右点亮，待最右边的光管点亮后再最左边的激光管起从左到右点亮， 如此循环往复。由此完成对镜面区域的扫描。CXD摄像头(3)所拍摄的光靶所成的像，通过视频捕捉卡(11)被转换成数字图像并被传输到PC机种，PC机上运行的图像处理软件(用 VC编写)，获取图像点的坐标，并存放于一个一维数组中。在测量结束后根据坐标算出每一个点与中心线的偏差值针对这些数据进行统计处理，既可以根据总的统计结果来判断镜面反射率是否合格，也可以根据每一个值的偏差值来找出究竟是那些测量点所测量出来的结果超差，究竟差了多少等等，以作为对反射镜面测量的参考。
权利要求
1.I. 一种太阳能积聚反射镜快速性能测评装置包括待测的反射镜面(I)、底座(9)、 龙门框架(7)、横梁(6)和光靶支架(8)，其特征在于所述底座(9)上垂直安装了所述龙门框架(7)，在该龙门框架(7)的两侧安装有直线导轨，所述横梁(6)的两端与两直线导轨滑配， 有一个驱动电机(2)安装在所述龙门框架的下端，该驱动电机(2)通过传动机构驱动横梁(6)在龙门框架(7)上做垂直上下运动；横梁(6)上等间距平行安装了多个小型激光发射管 (5)，这些激光管的光轴与通过待测反射镜面(I)母线的切平面相垂直，用以模拟平行太阳光照射到反射镜面(I)上汇聚的情况；在横梁(6 )的中间,安装有一个光祀支架(8 ),在该支架(8 )上安装有一个光祀(4)和一个CCD摄像头(3);光靶(4)为投射型光靶，被安装在反射镜面的焦点上，CCD摄像头(3)安装在光靶(4)的后面，可以获取反射镜面(I)照射到光靶上的成像；CCD摄像头(3)的像被传输到安装于一台PC机(10)的图像采集卡(11)，并转换为数字视频信号，由PC机(10)进行图像处理和分析而对反射镜的性能进行评估。
2.2.根据权利要求I所述的太阳能积聚发射井快速性能评测装置，其特征在于所述传动机构是驱动电机(2)的输出轴上固定一个链轮，该链轮通过一个链条传动装龙门框架(7)上段一根横轴端部的链轮，该横轴上有两个卷轮通过两条绳索吊挂所述横梁(6)的两端，从而拉动横梁(6)上下移动；或者驱动电机(2)通过该轮传动安装在量直线导轨内的两根丝杆，两根丝杆与横梁(6)两端固定连接的螺母旋配。
3.3. 一种太阳能积聚反射镜快速性能测评的方法，采用权利要求I所述的太阳能积聚反射镜快速测评装置，其特征在于基本步骤是a)控制器(12)首先控制驱动电机，通过传动机构带动横梁(6)由上向下做匀速运动，与此同时处于横梁(6)上的激光发射管(5)在控制器(12)的控制下依次被点亮；这样垂直方向的机械运动和水平方向的电子开关控制激光管的亮灭共同作用，相当于二维方向上的平行光点阵对太阳反射镜面(I)的分时照射；b)光祀(4)和CCD摄像头(3)被安装在光祀支架(8)上,而光祀支架(8)又被固定在横梁(6)上，这样横梁(6)在电机(2)驱动下，通过传动机构带动，在龙门框架(7)上做上下运动时，摄像头(3 )与光靶(4 )将会与横梁(6 )上的激光发射管(5 )组同步运动；c )通过PC机(10)计算每束平行光线在摄像头(3)上成像与理想焦点位置的偏差来对反射镜的性能进行评估。
全文摘要
本发明涉及一种对太阳能积聚反射镜快速性能测评估装置及方法。该装置的运动机构由一个安装在由电机驱动的可上下运动的横梁及支架构成，在横梁上等间距水平安装的LED作为点光源，整个装置通过电机驱动直线导轨做上下运动和LED的依次点亮来完成2维空间的扫描，通过安装于镜面焦点的摄像头来快速检测太阳能抛物面反射镜面的聚焦性能。本发明的特点是结构简单，测量准确迅速，能适应大规模生产实时检测的需要。
文档编号G01M11/02GK102589849SQ201210004029
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者张红奎, 李智, 杨浩, 汪地, 汪洪 申请人:上海大学