一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，旨在提供一種能夠進(jìn)行快速高效進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試的多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法。它通過外部成像設(shè)備探知當(dāng)前拋物面鏡實(shí)際焦點(diǎn)與目標(biāo)位置點(diǎn)間的偏移，結(jié)合光學(xué)成像原理計(jì)算出拋物面鏡的各個(gè)軸向調(diào)節(jié)量，然后通過控制架設(shè)在鏡面上的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)拋物面鏡焦點(diǎn)的自動(dòng)精確調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果是：通過計(jì)算機(jī)的分析處理來控制伺服電機(jī)進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能聚光板的自動(dòng)對(duì)焦，能夠進(jìn)行快速高效進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試，大大減小了工作量和調(diào)試周期，提高了安裝精度，受環(huán)境干擾較小。
【專利說明】一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能聚光板相關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我們國(guó)家對(duì)能源的需求也在逐漸增大。根據(jù)國(guó)家能源局的估算，到2015年，我國(guó)的一次能源消費(fèi)量將達(dá)到42億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中化石能源仍占到90%左右?；茉词且环N不可再生資源。對(duì)其大規(guī)模的開采利用，即不利于國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)又會(huì)對(duì)我們的生存環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。例如，對(duì)空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響的PM2.5 (空氣中直徑小于2.5的微小顆粒)主要來源于化石燃料的大量使用。為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前的能源危機(jī)，太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，是未來15年我國(guó)能源發(fā)展的重點(diǎn)戰(zhàn)略方向。
[0003]我國(guó)的太陽(yáng)能資源豐富，特別是在中西部地區(qū)就著巨大的開發(fā)利用前景。例如在寧夏、甘肅、新疆、青海和西藏等地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為3200-3300h，即每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射總量約為8400MJ，相當(dāng)于285kg標(biāo)準(zhǔn)燃燒所發(fā)出的熱量。如果能加以有效利用，將為國(guó)家能源戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)大的保障。目前在我國(guó)，太陽(yáng)能的主要利用形式是光伏發(fā)電及太陽(yáng)能供熱。光伏發(fā)電的效率相對(duì)較低，大約為13%-15%。同時(shí)由于半導(dǎo)體本身物理性質(zhì)及制造工藝的限制，效率很難在短時(shí)間提高。而后者的效率則可以通過拋物面鏡聚光得以大大提高。
[0004]雖然太陽(yáng)能的分布范圍廣，但是能量分布相對(duì)比較分散，單位面積上的太陽(yáng)輻射功率為僅為1353W。因此，對(duì)于大規(guī)模在集中利用開發(fā)，都需要建造大面積的采光板。特別是在IOKW或更高的碟式太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，聚光板的面積要求大于30平方米。對(duì)于如此巨大的拋物面反射鏡，工藝上很難加工整體部件，而且難以整體運(yùn)輸安裝。通常的做法是將拋物面鏡分割成若干塊曲面。
[0005]在應(yīng)用過程中，為了保證太陽(yáng)能的利用效率，每塊曲面鏡要求被放在特定的位置，使得它們的焦點(diǎn)都落在相同的位置?，F(xiàn)有的安裝方法主要以人工調(diào)試為主，因此普遍存在工作量大，調(diào)試周期長(zhǎng)，受環(huán)境干擾強(qiáng)，安裝精度差等問題。
[0006]中國(guó)專利申請(qǐng)公布號(hào):CN102455499A，申請(qǐng)公布日2012年5月16日，公開了一種超級(jí)聚光設(shè)備的制作方法及設(shè)備，包括拋物面形聚光器、微型反光鏡片，聚光器設(shè)備支架及一個(gè)二維太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)，所述的聚光器設(shè)備支架安裝在二維太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)上，所述的拋物面形聚光器安裝在聚光器設(shè)備支架上，所述的微型反光鏡片按照一定規(guī)則安裝在拋物面形聚光器上，所述的二維太陽(yáng)光跟蹤器由電子控制器、步進(jìn)電機(jī)等組合而成的電子控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，拋物面形聚光器通過二維太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)始終對(duì)著太陽(yáng)，超級(jí)聚光設(shè)備的聚光、對(duì)焦都是通過電子控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成的。該發(fā)明的不足之處在于，雖然超級(jí)聚光設(shè)備的聚光、對(duì)焦都是通過電子控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成的，但是并未涉及到如何通過電子控制系統(tǒng)檢測(cè)，以及如何控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來 完成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中以人工調(diào)試為主，普遍存在工作量大、調(diào)試周期長(zhǎng)、受環(huán)境干擾強(qiáng)、安裝精度差等的不足，提供了一種能夠進(jìn)行快速高效進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試的多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，通過外部成像設(shè)備探知當(dāng)前拋物面鏡實(shí)際焦點(diǎn)與目標(biāo)位置點(diǎn)間的偏移，結(jié)合光學(xué)成像原理計(jì)算出拋物面鏡的各個(gè)軸向調(diào)節(jié)量，然后通過控制架設(shè)在鏡面上的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)拋物面鏡焦點(diǎn)的自動(dòng)精確調(diào)節(jié)，其具體步驟如下:
[0010]a)初始焦點(diǎn)位置信號(hào)采集:利用一臺(tái)安裝在拋物面鏡軸向上的照相機(jī)按預(yù)置頻率采集經(jīng)過目標(biāo)調(diào)節(jié)鏡面反射的且與拋物面鏡軸向平行的平行光在位于目標(biāo)點(diǎn)處的屏上光斑；
[0011]b)光斑中心位置計(jì)算:對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行處理，計(jì)算出光斑強(qiáng)度中心，以此作為該塊拋物面鏡當(dāng)前狀態(tài)下的實(shí)際焦點(diǎn)位置；
[0012]c)與目標(biāo)位置偏差量的計(jì)算:在采集到的圖像上建立坐標(biāo)系統(tǒng)，確定實(shí)際焦點(diǎn)位置與目標(biāo)位置之間在各個(gè)軸向上的偏差量SX、5y ；
[0013]d)伺服電機(jī)位移計(jì)算:計(jì)算實(shí)際焦點(diǎn)位置與目標(biāo)坐標(biāo)位置間距離的差值，這樣就得到了實(shí)際焦點(diǎn)位置需要移動(dòng)的距離和方向，然后將需要移動(dòng)的距離折算成為伺服電機(jī)的信號(hào);
[0014]e)控制伺服電機(jī)，移動(dòng)相應(yīng)距離。
[0015]這樣設(shè)計(jì)能夠完全相機(jī)的圖像采集，通過計(jì)算機(jī)的分析處理，來控制伺服電機(jī)進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，以此來實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能聚光板的自動(dòng)對(duì)焦，達(dá)到了能夠進(jìn)行快速高效進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試的目的。
[0016]作為優(yōu)選，在b)光斑中心位置計(jì)算的步驟中，計(jì)算光斑強(qiáng)度中心的具體步驟如下:
[0017](I)將所得圖像灰度化，得到光照分布圖；
[0018](2)利用閾值分割方法，選擇有效光斑所在位置；
[0019](3)利用公式計(jì)算處光斑強(qiáng)度中心。
[0020]作為優(yōu)選，在步驟(I)中，得到的光照分布圖為S，其中S為一個(gè)二維矩陣；在步驟
(2)中，有效光斑所在位置為P，其中P按如下定義取值:在光斑強(qiáng)度大于一定值時(shí)，P = 1，否則P=O ;在步驟(3)中，光斑強(qiáng)度中心的計(jì)算公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，通過外部成像設(shè)備探知當(dāng)前拋物面鏡實(shí)際焦點(diǎn)與目標(biāo)位置點(diǎn)間的偏移，結(jié)合光學(xué)成像原理計(jì)算出拋物面鏡的各個(gè)軸向調(diào)節(jié)量，然后通過控制架設(shè)在鏡面上的伺服電機(jī)(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)拋物面鏡焦點(diǎn)的自動(dòng)精確調(diào)節(jié)，其具體步驟如下: a)初始焦點(diǎn)位置信號(hào)采集:利用一臺(tái)安裝在拋物面鏡軸向上的照相機(jī)按預(yù)置頻率采集經(jīng)過目標(biāo)調(diào)節(jié)鏡面反射的且與拋物面鏡軸向平行的平行光在位于目標(biāo)點(diǎn)處的屏(4)上光斑； b)光斑中心位置計(jì)算:對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行處理，計(jì)算出光斑強(qiáng)度中心，以此作為該塊拋物面鏡當(dāng)前狀態(tài)下的實(shí)際焦點(diǎn)位置； c)與目標(biāo)位置偏差量的計(jì)算:在采集到的圖像上建立坐標(biāo)系統(tǒng)，確定實(shí)際焦點(diǎn)位置與目標(biāo)位置之間在各個(gè)軸向上的偏差量δ X、δ y ； d)伺服電機(jī)(3)位移計(jì)算:計(jì)算實(shí)際焦點(diǎn)位置與目標(biāo)坐標(biāo)位置間距離的差值，這樣就得到了實(shí)際焦點(diǎn)位置需要移動(dòng)的距離和方向，然后將需要移動(dòng)的距離折算成為伺服電機(jī)(3)的信號(hào)； e)控制伺服電機(jī)(3)，移動(dòng)相應(yīng)距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，在b)光斑中心位置計(jì)算的步驟中，計(jì)算光斑強(qiáng)度中心的具體步驟如下: (1)將所得圖像灰度化，得到光照分布圖； (2)利用閾值分割方法，選擇有效光斑所在位置； (3)利用公式計(jì)算處光斑強(qiáng)度中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，在步驟(1)中，得到的光照分布圖為S，其中S為一個(gè)二維矩陣；在步驟(2)中，有效光斑所在位置為P，其中P按如下定義取值:在光斑強(qiáng)度大于一定值時(shí)，P = 1，否則P = O ;
f'N

Σ Σ (尸 K.JvJ
I=Y.--


Σζ,在步驟(3)中，光斑強(qiáng)度中心的計(jì)算公式為:"=°。

Σ Σ(尸

_ A=OVv=0 J

y- Vrr




Λ-=ο
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，在步驟(2)中，通過光斑的能量分布，來求取有效光斑所在位置區(qū)域，在計(jì)算之前對(duì)光斑進(jìn)行能量上的裁邊處理，定義忽略接收?qǐng)D像邊緣占總能量E約8%的區(qū)域能量對(duì)光斑中心的影響，具體操作方法如下: (1)定義光斑的能量和光斑圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)成正比，將圖像中點(diǎn)的灰度值作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的能量值； (2)計(jì)算得到整個(gè)圖像中的最大灰度值gray(max)，整個(gè)圖像中的最小灰度值gray (min)和整個(gè)圖像中的平均灰度值gray (d)；(3)計(jì)算[gray(d)，255]范圍內(nèi)的光斑能量El，El必須滿足的條件是86% E < El<92% E ； (4)求取最佳閾值，利用這個(gè)閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化，獲取有效光斑所在位置區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，在步驟(4)中，求取最佳閾值是一個(gè)不斷尋優(yōu)的過程，采用如下方法進(jìn)行， a)當(dāng)El > 92% E 時(shí)，
gray(min) = gray(d), gray (d) = (gray (max)-gray(min))/2+gray(min)； b)當(dāng)El < 86% E 時(shí)，
gray(max) = gray(d), gray (d) = (gray(max)-gray(min))/2+gray(min)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，在步驟d)中，伺服電機(jī)(3)位移計(jì)算的具體步驟如下: a)在拋物面鏡上定義一個(gè)點(diǎn)A，A點(diǎn)的坐標(biāo)為(xA，yA，zA)，可以得到如下方程:z=a(x2+y2)，當(dāng)有轉(zhuǎn)動(dòng)量δχ、6 7時(shí)，可以得到如下方程:
Za = a ( (ΧΑ- δ χ) 2+ (yA- δ y)2)； b)每個(gè)伺服電機(jī)(3)轉(zhuǎn) 動(dòng)之后在Z軸的方向上走動(dòng)的距離為Aza，可以得到如下方程:Za+ Aza = a (x/+yA2)； c)比較(a)和(b)兩個(gè)公式可以得到:ΔzA = a(2xA δ x+2yA δ y- δ χ2- δ y2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或6所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，所述的照相機(jī)為工業(yè)照相機(jī)(2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或6所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，所述的拋物面鏡具有相同的曲率半徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或6所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽(yáng)能聚光板自動(dòng)對(duì)焦方法，其特征是，所述的伺服電機(jī)(3)和照相機(jī)均連接PC上位機(jī)(I)。
【文檔編號(hào)】G02B19/00GK103487924SQ201310393319
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】萬斌, 陳勝勇 申請(qǐng)人:萬斌, 陳勝勇