一种太阳能热发电之聚光集热系统的光学效率分析方法

摘要

本发明公开了一种太阳能热发电之聚光集热系统的光学效率分析方法，解决了对大型槽式太阳能热发电的聚光集热系统的光吸收效率分析方法的难题。本发明包括以下步骤：通过标定相机拍摄抛物面反射镜，以获取抛物面反射镜的三维数字化模型；将抛物面反射镜的三维数字化模型导入计算机，得出抛物面反射镜的图形参数；通过抛物面反射镜的图形参数建立抛物面反射镜和集热管的分析模型；通过计算机模拟太阳光入射到所建立的分析模型中，从而获取模拟分析结果。本发明还考虑了实际工作情况下，环境因素的影响，既可以作为集热系统的理论分析工具又可以作为实际工况下的验证性分析工具，具有非常高的实用性、便捷性、创造性与经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是太阳能热发电领域，具体的说，是一种一种太阳能热发电之聚光集热系统的光学效率分析方法。

背景技术

槽式太阳能热发电是一种基于太阳能的热发电技术，而太阳能则属于国家提倡的低能耗、低排放、清洁、无污染、廉价的新兴能源，其开发前景十分广泛。槽式太阳能热发电系统是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，聚焦太阳直射光，加热真空集热管里面的工质，产生高温，再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。在槽式热发电系统中，聚光、集热系统非常重要，它在很大程度上决定了系统的效率，如何保证聚光集热系统的高效率成为整个系统的关键。

基于光线反射定律，对于理想抛物面镜，太阳光垂直入射的情况下，光线会汇聚到抛物线的焦点位置。但是，实际产品中，聚光支架与抛物面镜不可能是一个理想的抛物面，因此，我们需要有一套实而有效的分析方法来分析实际中槽式太阳能热发电的聚光集热系统光吸收效率，并对其进行评估。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中对大型槽式太阳能热发电系统的聚光、集热系统的光吸收效率分析困难，提供一种便捷、行之有效的、科学的光吸收效率分析方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

    一种太阳能热发电之聚光集热系统的光学效率分析方法，包括以下步骤：

（1）基于现有的照相测量技术，通过标定相机拍摄抛物面反射镜，以获取抛物面反射镜的三维数字化模型；

（2）将抛物面反射镜的三维数字化模型导入计算机，得出抛物面反射镜的图形参数；

（3）利用抛物面反射镜的图形参数建立抛物面反射镜和集热管的相对位置关系的模型，作为光学效率分析的对象；

（4）通过计算机模拟太阳光线均匀地入射到步骤（3）所建立模型中的抛物面反射镜的表面，经过镜面反射，穿过集热管的玻璃管，投射到集热管的镀膜钢管上；同时，基于光的直线传播原理、反射定律、折射定律，通过计算机对模拟太阳光线进行追踪；

（5）通过步骤（4）所做光线追踪，得出投射到集热管的镀膜钢管上的模拟太阳光线与入射的模拟太阳光线的数量关系，从而获得聚光集热系统的光学效率。

其中，所述步骤（1）中标定相机拍摄出抛物面反射镜的三维数字化模型的具体步骤如下：

（a）在抛物面反射镜上粘贴标记点；

（b）标定相机，确定相机参数；

（c）对抛物面反射镜进行至少两次拍照，并把拍摄图片导入计算机中进行处理，提取骨架点；

（d）通过三维测量系统扫描，对抛物面反射镜进行多视测量；

（E）计算机进行自动拼接，获取抛物面反射镜的面形形体信息；

（F）通过计算机对获取的抛物面反射镜面形形体信息进行分析，从而获取抛物面反射镜的三维数字化模型及空间位置误差信息。

所述步骤（3）的抛物面反射镜的图形参数为静态条件下的图像参数，其与集热管的相对位置为静态条件下的相对位置；或者，所述步骤（3）的抛物面反射镜的图形参数为各种工况下的图像参数，其与集热管的相对位置为各种工况下的相对位置。

所述步骤（C）中对抛物面反射镜拍照时，每次拍摄都需和前一次拍摄的内容至少有一个骨架带点的重叠。

    本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明建立包含聚光器、集热管的分析模型，模拟太阳光入射到模型后形成的聚光图像，从而得到在集热管镀膜钢管表面的太阳光分布情况，不仅方法简单、分析明确，而且通过该方法分析得出的数据，更具科学性；

（2）本发明中的抛物面反射镜的三维数字化模型建立是通过标定相机对其进行拍摄来实现的，其方法是在抛物面反射镜表面粘贴专用的标志点，通过基于图像的三维空间定位方法，获取离散的标志点的三维坐标数据；然后根据这些三维坐标数据并结合面型扫描获得抛物面反射镜表面的三维点云数据，从而得到实际中的抛物面反射镜的空间位置信息；

（3）针对槽式太阳能热发电的实际应用情况，本发明还考虑了槽式太阳能热发电聚光系统的实际工作情况下，周围环境因素的影响，如环境参数：温度、风力、光照强度等，将其所引起的镜面变化、集热管位置变化作为输入值导入分析模型中，具体的说，该环境参数会迫使分析模型中抛物面反射镜及集热管出现一定的变形，从而得出一个较之理想状态下不同的实际工作模型，以该实际工作模型为基础，进行光效分析，从而将环境因素的影响也囊括于分析中，因此，此分析方法适用于工作情况下槽式聚光系统的光效分析，具有非常高的实用性和创造性。

附图说明

    图1为入射到分析模型的模拟太阳光线进行追迹的示意图。

图2为通过分析模型得出的集热管上光线接受面中的光线分布情况示意图。

图3为设有标记点的抛物面反射镜的示意图。

图4为标记点的三维坐标示意图。

图5为抛物面反射镜的空间模型。

图6为独立反射镜的分块示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

槽式太阳能热发电中聚光集热系统包括聚光支架、抛物面反射镜、真空集热管，根据光的反射定律，太阳光入射到抛物面反射镜后，抛物面反射镜将其反射至真空集热管，进而完成聚光、集热的工作。实际产品中，聚光支架与抛物面反射镜不可能是一个理想的抛物面，因此，为了使槽式太阳能热发电系统达到设计标准，有必要对产品的聚光集热系统进行分析、评估，找出影响其工作的因素，并加以严格控制。

本实施例中，为了实现上述目的，采用的方法是建立包含聚光器、太阳、集热管的在内的分析模型，模拟太阳光入射到模型后形成的聚光图像，从而得到在集热管镀膜钢管表面的太阳光分布情况，根据该分布情况即可得出整个聚光集热系统的光吸收效率，其具体步骤如下：

一、基于现有的照相测量技术，通过标定相机拍摄抛物面反射镜，以获取抛物面反射镜的三维数字化模型；

二、将抛物面反射镜的三维数字化模型导入计算机，得出抛物面反射镜的图形参数；其中，抛物面反射镜的图形参数主要包括：抛物面反射镜面积、长宽、抛物面面型误差等；

三、利用抛物面反射镜的图形参数建立抛物面反射镜和集热管的相对位置关系的模型，作为光学效率分析的对象；

四、通过计算机模拟太阳光线均匀地入射到步骤三所建立模型中的抛物面反射镜的表面，经过镜面反射，穿过集热管的玻璃管，投射到集热管的镀膜钢管上；同时，基于光的直线传播原理、反射定律、折射定律，通过计算机对模拟太阳光线进行追踪，如图1所示，即可获得分析模型中集热管上的光线接受面中的光线分布情况，如图2所示；

五、通过步骤（4）所做光线追踪，得出投射到集热管的镀膜钢管上的模拟太阳光线与入射的模拟太阳光线的数量关系，从而获得聚光集热系统的光学效率。

其中，标定相机拍摄出抛物面反射镜的三维数字化模型的步骤如下：在抛物面反射镜表面粘贴专用的标记点，一般地，为了测量精度尽量的精准，标记点应尽量的多，如图3所示中的黑色方点，但其抛物面反射镜上下边缘应尽量多粘贴标记点；然后，通过基于图像的三维空间定位方法，获取离散的标记点的三维坐标数据，如图4所示，值得说明的是，通过相机拍摄粘贴有标记点的抛物面反射镜需要有重叠部分，以确保拍摄精度；再根据标记点的三维坐标数据，并结合面型扫描获得抛物面反射镜表面的三维点云数据，从而得到如图5所示实际中的抛物面反射镜的空间模型。

完整的抛物面反射镜成品由四块独立反射镜构成，在标定相机拍摄出抛物面反射镜的三维数字化模型前，可把独立反射镜看作为由N块单元反射镜组成，如图6所示。在抛物面反射镜上的不同位置的A和B点，在法线偏离相同角度的情况下，其入射到集热管上的情况也不同，即越是靠近镜面上下边缘位置对抛物面反射镜的本身要求就越高，其中，本身要求包括抛物面反射镜的镜面面型及安装。根据上述，本实施例采用粘贴标记点的方法为以每块独立反射镜为基础，将独立反射镜分割成N块单元反射镜，然后以每块单元反射镜为基准进行标记点的粘贴，且所有单元反射镜上标记点的粘贴方式相同；其中，N≥2。需要说明的是，不同位置的独立反射镜分割单元块根据受误差精度影响的大小可不同。

针对槽式太阳能热发电的实际应用情况，本发明考虑周围环境因素的影响，将环境参数：温度、风力、光照强度等作为输入值导入分析模型中，具体的说，该环境参数会迫使分析模型中抛物面反射镜出现一定的变形，从而得出一个较之理想状态下不同的实际工作模型，以该实际工作模型为基础，再模拟太阳光入射到实际工作模型中，对其光线进行追迹，即可获得实际工作模型中集热管上的光线接受面的光线分布情况。此分析方法适用于工作情况下槽式聚光系统的光效分析，其尚属国际首创，具有非常高的实用性和创造性。

按照上述实施例，即可很好的实现本发明。值得说明的是，基于同样的原理和技术，本发明还可以很容易的扩展到碟式太阳能聚光发电系统中进行系统光学效率分析。