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一種碟式Stirling太陽能聚光質量檢測方法與流程

文檔序號:11727005閱讀:178來源:國知局

本發(fā)明屬于太陽能中聚光熱發(fā)電領域,涉及碟式stirling熱發(fā)電技術中的聚光器技術方面,尤其是一種碟式stirling太陽能聚光質量檢測方法。



背景技術:

由于傳統(tǒng)能源的不斷消耗和空氣的嚴重污染,太陽能以其清潔性和無窮性,受到了越來越多的關注。在多種太陽能利用技術中,碟式stirling技術具有最高的光電轉化效率。該技術利用巨型的拋物碟面匯聚平行其光軸的陽光于焦點附近,形成高能量密度的光斑,即輻射源,該輻射源作為stirling發(fā)動機動力源推動其運轉,發(fā)動機帶動與其連接的發(fā)電機運轉,進而實現光能到電能的轉化。在此過程中,高質量的光斑是保證設備安全與高效運轉的關鍵,因此,在設備投入使用前,碟面匯聚光斑的質量需要進行檢測。

光斑的質量主要由以下四個方面組成:聚光效率、光斑的形狀、大小和能量密度分布的均勻性。聚光效率就是指經碟面匯聚的陽光輻射可有效用于發(fā)動機的比例,該參數決定了設備的光電轉化的效率。光斑的形狀和大小應該與發(fā)動機接收輻射的加熱頭的參數保持一致。光斑能量密度分布的均勻性直接決定了設備能否用于發(fā)電,不均勻的光斑將會導致發(fā)動機不能正常工作,甚至損毀設備。由于光斑溫度較高,傳統(tǒng)的接觸式測量方式難以滿足其質量的測量,所以它需要一種特殊的非接觸式測量方式,以實現設備發(fā)電前的碟面聚光質量檢測。



技術實現要素:

為了克服已有技術無法有效檢測碟式stirling太陽能聚光質量的不足,本發(fā)明提供了一種有效檢測碟式stirling太陽能聚光質量、安全性高、可信性較高的碟式stirling太陽能聚光質量檢測方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:

一種碟式stirling太陽能聚光質量檢測方法,包括以下步驟:

1)以分段擬合的方式對相機像素響應進行校準

校準的設備為一臺可由電腦控制亮度的lcd顯示屏和相機,lcd屏幕顯示的亮度與電腦的控制量間存在線性關系,校準過程為:電腦將屏幕的亮度分為256個梯度,并分別顯示出來,操作人員設置相機參數與拍攝光斑圖像時的參數一致后,拍攝每個梯度屏幕亮度圖像;之后,將相機拍攝的圖像亮度與電腦控制屏幕顯示的亮度繪制成曲線,并在拐點處將其分為三段,然后分別以高階方程對其進行擬合,至此完成了相機響應曲線的擬合;

2)拍攝碟面匯聚陽光產生的光斑圖像

3)根據擬合的相機響應曲線對圖像進行校準

在得到光斑圖像后,根據步驟1)中得到的相機響應曲線,將圖像中的像素值映射到對應的亮度值上,即得到了新的光斑亮度分布圖,此校準后的圖片用于物體表面照度的估算;

4)估算光斑的照度分布

光斑圖片經相機響應校準后得到光斑亮度分布圖片,亮度圖中像素值與光斑表面輻照度成線性關系,設圖片某處亮度值為i,其對應的光斑上的輻照度為i,則:

i=n×i

其中,n為比例系數;

5)估算光斑的能量密度分布

由物體表面輻射強度與輻照度的轉化關系可知,設輻射強度為

其中,m為常數;

設碟面單位面積上反射的太陽輻射強度為1000kw·m-2;又因為碟面覆蓋的總面積已知,所以計算出其反射的總輻射功率為m,則光斑上單個像素區(qū)域內的功率θ表示為:

其中,i表示校準后的圖片像素亮度;

至此,光斑圖像轉化為功率分布圖像;

6)根據聚光的效率、光斑的形狀、大小和分布均勻性判斷光斑的質量

輻射功率分布圖中,加熱頭區(qū)域內的輻射為有效輻射,其占總輻射量的比例,這里稱之為碟面的聚光效率;輻射功率分布圖的形狀應與發(fā)動機加熱頭形狀相似,過大或者過小都將影響聚光效率;在加熱頭區(qū)域內,各像素位置上對應的輻射功率與區(qū)域內平均功率的差值不能過大,當其大于設定閾值時,則認為能量分布不均勻。

進一步,所述步驟2)中,接收光斑的屏幕需要帶有水冷系統(tǒng),并預先架設在發(fā)動機位置上;相機需要預先設置拍攝參數,并加上中性濾光片,架設于光斑接收屏前方沒有陽光照射到的支架上;圖像的拍攝采用遙控的方式,在天氣晴朗的條件下,操作人員控制碟面的追日系統(tǒng)運行,使得碟面正對太陽,平行于碟面光軸的陽光經碟面匯聚后投射到接收屏上,此時控制相機拍攝光斑圖像。

碟面的聚光質量檢測是保證發(fā)電設備正常運行的重要步奏。如果碟面聚光質量合格,則設備可以直接用于發(fā)電。反之,聚光碟面需要進行重新調整或者替換部分組成鏡面。但是由于被匯聚光斑溫度較高,危險性較大,所以其質量難以采用接觸式的方法進行直接測量,而需要一種特殊的非接觸式測量方法。

本發(fā)明,基于圖像處理技術,提出了一種有效的非接觸式光斑質量檢測方法。該方法利用相機采集碟面匯聚光斑的圖片,并通過相機響應曲線對圖片進行校準,得到光斑亮度分布圖,進而估算出光斑功率分布圖。光斑的功率分布圖可直接用于聚光效率、光斑形狀、大小和能量分布均勻性的分析。至此,實現了碟面聚光質量的檢測。

本發(fā)明的有益效果主要表現在:通過帶有水冷系統(tǒng)的平面接收碟面匯聚的光斑,通過遙控的方式控制相機拍攝光斑照片,安全性高。并且,該發(fā)明利用高質量lcd顯示平面對相機的響應進行校準,以分段擬合的方式實現相機響應曲線的擬合,保證了光斑功率分布圖估算的準確性。通過光斑功率分布圖估算光斑的質量,該方法具有具有較高的可信性。

附圖說明

圖1是碟式stirling太陽能聚光質量檢測方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1,一種碟式stirling太陽能聚光質量檢測方法,包括以下步驟:

1)以分段擬合的方式對相機像素響應進行校準

相機的像素響應與被拍照物體表面的照度間存在非線性關系,因此,如果欲從圖像的亮度來估算物體表面的照度,需要預先對相機的響應進行校準;采用分段擬合的方式實現此校準。校準的設備為一臺可由電腦控制亮度的lcd顯示屏和相機,該校準對lcd屏幕的質量有一定要求,即屏幕顯示的亮度與電腦的控制量間存在線性關系,校準過程為:電腦將屏幕的亮度分為256個梯度,并分別顯示出來,操作人員設置相機參數與拍攝光斑圖像時的參數一致后,拍攝每個梯度屏幕亮度圖像;之后,將相機拍攝的圖像亮度與電腦控制屏幕顯示的亮度繪制成曲線,并在拐點處將其分為三段,然后分別以高階方程對其進行擬合,擬合方法為最小二乘法;常用的高階方程為6階;至此完成了相機響應曲線的擬合。

2)拍攝碟面匯聚陽光產生的光斑圖像

光斑的拍攝是一個相對復雜的過程,由于光斑的溫度較高,該過程既需要考慮設備的安全問題,又需要考慮圖片質量的問題;接收光斑的屏幕需要帶有水冷系統(tǒng),并預先架設在發(fā)動機位置上;相機需要預先設置拍攝參數,并加上中性濾光片,架設于光斑接收屏前方沒有陽光照射到的支架上;圖像的拍攝采用遙控的方式,在天氣晴朗的條件下,操作人員控制碟面的追日系統(tǒng)運行,使得碟面正對太陽,平行于碟面光軸的陽光經碟面匯聚后投射到接收屏上,此時控制相機拍攝光斑圖像;

3)根據擬合的相機響應曲線對圖像進行校準

在得到光斑圖像后,根據步驟1)中得到的相機響應曲線,將圖像中的像素值映射到對應的亮度值上,即得到了新的光斑亮度分布圖,此校準后的圖片可直接用于物體表面照度的估算。

4)估算光斑的照度分布

光斑圖片經相機響應校準后得到光斑亮度分布圖片,因為接受屏幕的材料與顏色一致,亮度圖中像素值與光斑表面輻照度成線性關系。設圖片某處亮度值為i,其對應的光斑上的輻照度為i,則:

i=n×i

其中,n為比例系數,因接收屏表面的材料特性可認為一致,所以它可以近似為常數。

5)估算光斑的能量密度分布。由物體表面輻射強度與輻照度的轉化關系可知,設輻射強度為

其中,m為常數。因為太陽輻射到地球表面的輻射強度為1000kw·m-2,所以這里設碟面單位面積上反射的太陽輻射強度為1000kw·m-2。又因為碟面覆蓋的總面積已知,所以可以計算出其反射的總輻射功率為m。則光斑上單個像素區(qū)域內的功率可表示為:

至此,光斑圖像轉化為了功率分布圖像。

6)根據聚光的效率、光斑的形狀、大小和分布均勻性判斷光斑的質量

stirling發(fā)動機采用圓環(huán)型的加熱頭來接收太陽輻射,即只有被匯聚到加熱頭上的輻射能量才能被發(fā)動機利用;在輻射功率分布圖中,加熱頭區(qū)域內的輻射為有效輻射,其占總輻射量的比例,這里稱之為碟面的聚光效率;輻射功率分布圖的形狀應與發(fā)動機加熱頭形狀相似,過大或者過小都將影響聚光效率;在加熱頭區(qū)域內,各像素位置上對應的輻射功率與區(qū)域內平均功率的差值不能過大,當其大于一定閾值時,則認為能量分布不均勻。

碟面的聚光質量檢測是保證發(fā)電設備正常運行的重要環(huán)節(jié)。如果碟面聚光質量合格,則設備可以直接用于發(fā)電。反之,聚光碟面需要進行重新調整或者替換部分組成鏡面。但是,由于被匯聚光斑溫度較高,危險性較大,其質量難以采用接觸式的方法進行直接測量,而需要一種特殊的非接觸式測量方法。

本發(fā)明,基于圖像處理技術,提出了一種有效的非接觸式光斑質量檢測方法。該方法利用相機采集碟面匯聚光斑的圖片,并通過相機響應曲線對圖片進行校準,得到光斑亮度分布圖,進而估算出光斑功率分布圖。光斑的功率分布圖可直接用于碟面聚光效率、光斑形狀、大小和能量分布均勻性的分析。至此,實現了碟面聚光質量的檢測。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發(fā)明構思的實現形式的列舉,本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式,本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。

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