定日镜指向偏差校正方法研究

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光热电站二次反射镜的制造误差和施工误差，以及定日镜的运动姿态会导致来自定日镜的二次反射光无法准确落入吸热器区域，从而使吸热器的截断率无法满足要求。鑫晨光热（上海）新能源有限公司的研究人员沈志华，在2021年第4期《电气技术》上撰文，通过分析二次反射的光路原理与定日镜在二次反射镜面的成像原理，确定定日镜指向偏差的校正方法，设计相应的硬件系统，并经过实际的工程验证，为光热电站同类系统的成功投运提供参考。

在二次反射塔式光热发电站中，太阳光经定日镜和二次反射镜盘的两次反射后照射至吸热器处，二次反射镜盘安装于镜场中心高处，属于非运动光学设备，且存在一定的制造与安装误差，而定日镜为运动机构，因此需要对定日镜的指向精度和跟踪精度进行校正以保证太阳光能的截断率和汇聚效率。

定日镜的一次反射指向精度和跟踪精度可通过标定白板等方法进行校正，而受二次反射镜盘的安装误差影响，定日镜的二次反射指向可能存在偏差，导致经二次反射后的太阳光无法有效汇聚于吸热器内，影响电站发电效率。因此，需要一种能够校正定日镜二次反射指向的方法。

1  国内外指向校正方法比较

国内外现有校正方法主要通过对二次反射镜盘的实际安装姿态进行间接校正，而二次反射镜盘的实际安装姿态主要通过测距方式获得，即通过二次反射镜盘上各点至观测点的距离信息和角度信息拟合出二次反射镜盘的实际空间姿态。

常用的远距离测距方法主要包括飞时测距法和双目测距法。

飞时测距法的本质是通过计算激光脉冲发出和返回的时间差来获得设备到被测点的距离。该方法属于点测量方法，由于需要接收来自激光脉冲的回波信号，且需要布置基于漫反射的大量标识测位，所以该方法对表面反射率较高的待测件应用较差，不建议用其对二次反射镜盘进行直接检测。

双目测距法的本质是利用双目视差原理，即被测物上的某个特征点在两台图像采集器的像平面上所处的位置不同，根据位置偏差和图像采集器的参数信息解算被测点的空间坐标。双目测距法的测距精度受图像采集器参数和物距的影响，测量远距离的物体时，需要使用长焦镜头，但有效视场会变小，导致测量二次反射镜盘时需要多次调整设备位置。

上述两种方法均属于间接方法，需要先通过各个测点拟合出二次反射镜盘的空间姿态，再根据定日镜中心坐标和吸热器中心坐标解算每台定日镜的二次反射指向，易在计算中引入新的误差。

在判断定日镜反射光时，目前主要通过人眼辨识定日镜二次反射光是否落入吸热器内的方法对定日镜二次反射指向校正结果进行验证，该方法操作不便，且主观误差较大。另有基于辐照度计的测量方法，在吸热器面上方建立一个检测平面，将该平面离散化成方形单元，每个单元中心设置一个辐照度计，用于测量每个点的二次反射光斑强度，以此描述整个检测平面上的二次反射光斑分布情况，该方法操作不便，且成本较高。

针对以上问题，本文提出一种基于图像的定日镜二次反射指向校正方法和验证方法，即利用图像识别技术校正定日镜的二次反射指向偏差，以及验证定日镜的二次反射指向校正效果。

2  指向偏差校正系统设计

2.1  系统整体设计

太阳入射光照射到塔式光热电站镜场的数千台定日镜，经过定日镜镜面反射后，到达光热电站镜场中心位置的二次反射镜镜盘，再经过二次反射后，到达位于镜场中心、二次反射镜盘正下方的吸热器。吸热器采集整个镜场收集的二次反射太阳光后，加热吸热器内部管路的熔盐，然后驱动常规岛汽轮机发电。太阳光二次反射指向偏差校正成像光路原理如图1所示。

图1  二次反射指向偏差校正成像光路原理图

吸热器顶部焦平面中心附近装有图像采集系统，用于拍摄从二次反射镜返回的定日镜成像，此时需要通过控制系统调节定日镜镜面的旋转角度，确保入射光实时进入吸热器。

2.2  二次反射镜面成像原理

二次反射镜面成像方式如图2所示。定日镜在二次反射镜面上存在两个像：一个为定日镜的一次反射光斑像，另一个为定日镜的自身虚像。

图2  二次反射镜面成像方式

若将图像采集器置于吸热器中心，则可在图像采集器视野中看到两个像：一次反射光斑像的中心是定日镜中心实际反射光线与二次反射镜镜面的交点，该交点相当于定日镜在二次反射镜面上的实际指向点；定日镜虚像中心则是定日镜的理想指向点，当一次反射光斑像的中心与理想指向点重合时，则二次反射光斑中心恰好落在吸热器中心，才能加热熔盐并驱动发电。

2.3  控制系统设计

定日镜指向偏差校正系统采用可编程逻辑控制器（PLC）作为中央控制器，配套高分辨率工业相机作为图像采集输入，其硬件原理与构成如图3所示。图像采集系统包含图像信息采集用的工业相机及图像数据计算与存储模块，中央控制器则配置了用于指令输入与状态显示的人机交互模块、定日镜旋转的姿态执行模块及电源等功能模块。

图3  控制系统硬件框图

3  自动偏差校正定日流程

根据定日镜每日跟踪太阳位置的运营表，中央控制器控制定日镜镜面反射太阳光至二次反射镜，从而在二次反射镜上形成太阳光斑。置于熔盐吸热器顶部的图像采集系统通过工业相机采集到二次反射镜面的定日镜虚像和其反射的太阳光斑后，直接按照特定的图像处理算法进行数据计算，分析定日镜虚像与太阳光斑的偏差，然后将分析结果发送到中央控制器。

当虚像与光斑两者不完全重合时，控制定日镜方位轴和俯仰轴旋转，经过多次图像采集反馈与控制，最终实现定日镜虚像与太阳光斑重合，确保定日镜能实时调整姿态。整个偏差校正定日流程如图4所示，其实现了整体控制的全自动化、远程化，节省了大量人力资源，且其硬件系统和线路设计为模块化功能分区，具有结构紧凑、升级迭代灵活、故障查找和线路维修快捷等优势。

图4  偏差校正定日流程

4  工程应用

西北某国家首批光热示范电站项目为50MW光热电站，计划配置15个镜场聚光系统及太阳光反射塔，每个镜场系统配置2000余台定日镜，整个光热电站总计约40000台定日镜。在定日镜聚光调试过程中，发现个别定日镜在跟随太阳光反射时，入射光经过反射后不能实时射入吸热器内，导致系统的整体输入光功率略有下降。

应用本文的校正系统后，对二次反射镜面光斑和虚像光斑未重合的目标定日镜进行了调节试验。二次反射镜面图像如图5所示。根据图5调节该定日镜的方位角和俯仰角，使其二次反射镜面光斑和虚像光斑基本重合，且达到亮度最大和面积最大。

图5  二次反射镜面图像

通过试验发现，当目标定日镜的二次反射镜面光斑和其虚像重合时，该定日镜的二次反射光斑照射在吸热器中心附近。以某台定日镜为例，当二次反射镜面上的光斑逐渐向目标定日虚像靠近时，两个光斑像在图像中的亮度同时提高，且从二次反射镜塔顶相机可观察到目标定日镜的二次反射光斑逐渐向吸热器盖板中心移动，当两个光斑像基本重合时，该定日镜的二次反射光斑正好处于吸热器中心区域的设计光斑点，吸热器截断率大大提高，试验结果完全符合设计预期。

5  结论

定日镜在镜场中的位置一定，则其二次反射镜面上的虚像位置也不变，因而可以不断调整定日镜的转角，使该定日镜二次反射镜面光斑逐渐向其虚像靠拢，当两者光斑中心重合时，则该定日镜二次反射指向校正完毕，即该定日镜二次反射光斑中心落在了吸热器中心附近。

实际应用表明，本文提出的基于图像的定日镜二次反射指向校正方法，不仅可以用于定日镜的二次反射指向偏差校正，而且可以用于定日镜二次反射指向校正后的结果验证。

本文编自2021年第4期《电气技术》，论文标题为“定日镜指向偏差校正方法研究”，作者为沈志华。