專利名稱：一種球面太陽定日鏡的面形校準方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用人工光源校準太陽定日鏡面形的方法，特別涉及到球形反射面太陽定日 鏡面形校準方法。
背景技術：
定日鏡是太陽能塔式聚光系統(tǒng)中的聚光裝置，它通過跟蹤機構將太陽光反射并聚集到某 一固定目標處。定日鏡包括反射鏡、支撐框架、立柱、傳動和跟蹤控制系統(tǒng)等五大部分。
一般定日鏡的整體反射面設計成球面或近似球面。實際應用中，大型定日鏡反射面是由 若干子鏡復合而成。各子鏡通過在鏡面中心的單點或在鏡面邊緣的多點支撐機構安裝在支撐 框架上，形成定日鏡的反射機構。通過定日鏡支撐框架可以設置一個安裝基準平面，下稱基 準面。
對理想的球面定日鏡來說，要求各子鏡的幾何中心落在球面上，法線與整體球面上對應 點處的法線相一致。
太陽定曰鏡面形校準，是指通過子鏡的支撐機構，把各個子鏡中心點相對基準面的高度 和其法線相對基準面的方位角和高度角，調整到設計要求的位置上，以完成精確定位反射聚 光的功能。
面形校準的對象，或者是完成初始安裝的定日鏡，或者是經(jīng)過面形校準，可以正常工作 的定日鏡。在定日鏡初始安裝時，要求各個子鏡的中心基本在設計的整體反射面上，各子鏡 的傾角大致到位，這方便于定日鏡的面形校準。
校準太陽定日鏡的面形， 一般是通過觀察定日鏡反射在靶面上的太陽光斑位置來調節(jié)各 個子鏡相對基準面的角度。即在定日鏡理論焦點位置安裝漫反射靶，調整定日鏡各子鏡傾角， 使得光斑到達靶心，并且面積最小。由于定日鏡的運行速度很慢，如果太陽角度合適，完全 可以在定日鏡自動跟蹤的狀態(tài)下調整所有的子鏡。定日鏡的面形校準， 一般選在晴天的上午
10時到下午2時的太陽時時間段內(nèi)。該種定日鏡面形校準方法以下簡稱太陽光斑法。
2003年發(fā)表在《Solar Energy》第75期上的文章"A novel procedure for the optical characterization of solar concentrators",介紹在夜間用無窮遠的星光代替太陽檢測定日鏡的面形，文中假設定日鏡的面形是球面或旋轉拋物面。由于太陽能塔式聚光系統(tǒng)中，定日鏡的焦 距相對定日鏡鏡面的直徑的比值在10以上，因而拋物面與球面的差別甚小。該檢測方法，用 星光代替太陽，在定日鏡的焦平面上放置CCD相機，除了定日鏡自動跟蹤外，CCD相機在 焦平面內(nèi)上下移動，掃描拍攝定日鏡面上的星光影像，通過對圖像序列的分析重建定日鏡復 合反射面形的曲率分布圖。此定日鏡面形檢測方法已于2002年向西班牙專利局申請了專利 (P200201771),方法本身還在進一步完善中。從定日鏡面的曲率分布圖，也可以分析得出單 個子鏡相對定日鏡基準面的傾角，因此該方法可以考慮用來校準定日鏡的面形。由于定曰鏡 鏡面上星光影像的序列圖像采集用時在2個小時以上，因此可以考慮根據(jù)已有的定日鏡面形 檢測結果，校準定日鏡的面形，之后再重新檢測校驗。這里把用定日鏡面形的星光檢測法校 準定日鏡的面形的方法，簡稱為星光法。
上面的太陽光斑法，必須在有日照時進行。定日鏡跟蹤誤差對定日鏡的面形校準結果有 影響。定日鏡支撐框架的形變以及子鏡的變形誤差對定日鏡的面形校準也有影響。
雖然星光法有用來校準定日鏡的面形的潛力，正適合在夜間進行，但是在定日鏡面形檢 測的2個小時以上的時間內(nèi)，是不能校準定日鏡的面形的，方法本身還需要完善。星光法需 要太陽能塔式聚光系統(tǒng)當?shù)靥炜罩卸鄶?shù)恒星體的季節(jié)運行規(guī)律的知識，方法顯得復雜。
在太陽能塔式聚光熱利用系統(tǒng)中，有成百上千套的定日鏡，而每套定日鏡又由幾十個子 鏡組成，因此定日鏡反射面面形校準工作量很大，再加上天氣原因，鏡場定日鏡實際裝調周 期會相當長。若需要對定日鏡的面形作定期校準，則工作量更大。因此需要有簡單、高效、 不依賴于日照的定日鏡面形校準方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的克服上述現(xiàn)有技術的不足，針對球面定日鏡，提供一種簡單、高效的定日 鏡面形校準方法。
球面定日鏡的整體反射面形是球面，由若干按行列或圈層方式布置的子鏡復合成近似球 面。校準球面定日鏡的面形，要求各子鏡的中心在整體球面上，且子鏡在其中心處的法向與 整體球面上相同點處的法向一致。子鏡可以是平面、球面、圓柱面或其他面形。
本發(fā)明的原理是，對面形是球面或接近球面的太陽定曰鏡，利用球面鏡的幾何光學性質， 即從球心發(fā)出的同心發(fā)散光束經(jīng)球面反射后匯聚于球心，選定定日鏡的一個朝向，在定曰鏡 整體球面的球心位置放置人工光源，在靠近光源的位置，或者肉眼直接觀察，或者通過望遠 鏡，觀察定日鏡反射鏡面上的光源影像位置；通過子鏡的支撐機構，調整子鏡相對于基準面 的傾斜角度，直到子鏡中心區(qū)域出現(xiàn)光源影像，表明子鏡調整到位，鎖緊子鏡的支撐機構； 所有子鏡一個接一個地順序調整到位，便完成了定日鏡的面形校準。本發(fā)明面形校準方法的步驟如下
1. 初始安裝定曰鏡時，要保證定日鏡各子鏡的中心在整體球面上，各子鏡相對于定曰鏡 基準面的傾角大致到位，即各子鏡的復合反射面整體成凹面。
2. 確定的定日鏡的朝向和光源的位置。根據(jù)待調定日鏡的位置、周圍的可能遮擋物、定 日鏡運轉的角度范圍、定日鏡整體球面的半徑和可能的光源放置位置，選擇定日鏡的一個朝 向，即基準面的法向。通過跟蹤控制系統(tǒng)在手動操作模式下把定日鏡運轉到選定朝向。可從 定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)上位機的屏幕上，或跟蹤控制系統(tǒng)自帶的LED顯示屏上，讀得定日鏡的 當前朝向，即定日鏡的方位角和俯仰角。也可以用測距測角儀測得定日鏡的當前朝向，即基 準面的法向。用測距測角儀測得定日鏡旋轉中心，即兩個旋轉軸的交點的空間坐標北-東-高，又已知了整體球面中心(即頂點)到旋轉中心的距離，再通過測距測角儀沿著定日鏡的 朝向，確定光源的位置。光源到定日鏡旋轉中心的距離等于整體球面的半徑加上球面中心到 旋轉中心的距離。此時在光源位置可以觀察到定日鏡的整個反射鏡面，沒有遮擋物。
3. 架設人工光源。在夜里，在指定位置架設人工光源(如氙燈)，調整光源的發(fā)散角度， 使出射光束能覆蓋整個定日鏡反射面，其出射光柱近似同心發(fā)散光束。光源固定好后，光束 的發(fā)射方向保持不變。
4. 安裝望遠鏡。取靠近光源的位置作為觀察點，如果人眼直接觀察可以看清定日鏡反射 鏡面上的光源影像，則不必安裝望遠鏡。否則在指定的觀察點，安裝望遠鏡。望遠鏡調焦后 可觀察到定日鏡的整個反射面。通過望遠鏡觀察定日鏡反射鏡面上的光源影像亮斑或零星 的亮點?；蛘哂脭z像頭代替望遠鏡，觀察人員在顯示屏上觀察反射鏡面上的光源影像位置。
5. 定日鏡面形校準。通過望遠鏡觀察某子鏡中心區(qū)域是否有光源影像，若有則說明當前 子鏡中心相對基準面的高度和傾斜角度正好，否則調整子鏡相對定日鏡基準面的傾角，把光 源影像調移到子鏡中心。由于不同的支撐機構對應的調整方式有所差別，故這里不涉及具體 的角度調整細節(jié)，只作原理性描述。這里的子鏡是方形或矩形或圓形或正六邊形或其他形狀， 面形是平面或球面或圓柱面或其他面形。若鏡面的平整度好，在定日鏡整體球面的球心處觀 察到，在子鏡的鏡面上的光源影像是明亮的區(qū)域，即亮斑；若鏡面的平整度差，子鏡的鏡面 上的光源影像是零星的亮點。定日鏡面形校準完畢后，通過望遠鏡可見整個定日鏡鏡面在光 源的對面閃閃發(fā)亮。定曰鏡的面形校準不改變子鏡的反射面形。
本發(fā)明具有如下特點-
第一，適于在夜間操作校準定日鏡的面形。
第二，針對面形是球面或接近球面的定日鏡。子鏡是方形、矩形、圓形、正六邊形或其 他形狀，面形是平面、球面、圓柱面或其他面形。第三，主要用到人工光源、望遠鏡和測距測角儀。光源放置在定日鏡的整體球面的球心 處，其發(fā)出的同心光束覆蓋定日鏡采光口。光源的位置和出射光的方向保持不變，方便定日 鏡的面形校準。
第四，本發(fā)明方法對子鏡變形誤差沒有嚴格要求，對子鏡的平整度沒有嚴格要求，也可 以用來調整鏡面中心有缺陷的子鏡。
第五，本發(fā)明方法只要求在初始安裝定日鏡時，盡量使各子鏡的中心點在整體球面上。 在定日鏡面形校準時，無需計算各子鏡中心點處的法向。而只通過觀察光源在定日鏡反射鏡 面上的影像位置，即可校準定日鏡的面形。
第六，本發(fā)明是一種簡單、高效的球面定日鏡面形校準方法。
圖l是定日鏡結構的主視圖，圖中l(wèi)子鏡、2支撐框架、3傳動系統(tǒng)、4立柱； 圖2是球面鏡幾何光學原理圖，圖中l(wèi)l球面鏡、12從球面鏡球心發(fā)出的同心光束； 圖3是當定日鏡的子鏡相對基準面的傾角正好時，在鏡面中心的光源影像示意圖。圖3a 示意鏡面平整度好的情形，鏡面上的光源影像是明亮的區(qū)域，即亮斑；圖3b示意鏡面平整度 差的情形，鏡面上的光源影像是零星的亮點，圖中16定日鏡子鏡、17鏡面平整度好時的光 源影像、18鏡面平整度差時的光源影像；
圖4是子鏡的單點和多點G 4點)點支撐機構示意圖，圖4a是點支撐機構示意圖， 圖4b是3點支撐機構示意圖，圖4c是4點支撐機構示意圖，圖中，l子鏡、21子鏡支撐機 構的支撐桿、22支撐框架的一部分；
圖5是球面定日鏡面形校準方法示意圖，圖中，l子鏡，31定日鏡旋轉中心，32定日鏡 反射面的基準面，33子鏡的中心，34人工光源，35光源發(fā)散光束，36觀察定日鏡反射鏡面 上光源影像的望遠鏡，37定日鏡整體球面中心(即頂點)，38定日鏡整體球面，39定日鏡子 鏡中心到基準面的高度，40定日鏡整體球面的半徑R， 41定日鏡整體球面中心到旋轉中心的 距離d， 42定日鏡整體球面中心到基準面的高度2。。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。
本發(fā)明實施例是64!112的球面定日鏡，球面半徑R是600m，人工光源是光出射口徑為 150mm氤燈。
定曰鏡結構如圖l所示，定日鏡包括反射鏡、支撐框架2、傳動系統(tǒng)3和跟蹤控制系統(tǒng)， 傳動系統(tǒng)3連接支撐框架2與立柱4。傳動系統(tǒng)3通過水平-俯仰雙軸旋轉跟蹤方式，實現(xiàn)定日跟蹤。定日鏡整體反射面是球面，實際反射面形由16個2mX2m的球面子鏡l復合而成， 每個子鏡l與整體球面具有相同的面形。各子鏡通過在鏡面中心的單點支撐機構，如圖4a， 安裝在支撐框架上，形成定日鏡的反射鏡。
如圖2所示，從球心發(fā)出的同心發(fā)散光束12經(jīng)球面鏡11反射后原路返回，匯聚于球心。 對實際的球面定曰鏡.，從球心發(fā)出的同心光束經(jīng)定日鏡反射后，匯聚于一個包含球心的空間 區(qū)域，因而可以考慮在球面定日鏡球心處光源34的正下方且靠近光源的位置架安裝望遠鏡 36，觀察定日鏡反射鏡面16上的光源影像17或18，以此來校準球面定日鏡的面形。
對球面定日鏡的面形校準，要求各子鏡的中心33在整體球面38上，而后通過子鏡1的 支撐機構，調整各子鏡1相對定日鏡基準面32的傾角，使子鏡中心33的法向指向球心。也 就是說，對傾角正好的子鏡l，可通過在球心附近的望遠鏡36，觀察到子鏡鏡面中心區(qū)域的 光源影像17或18。
定日鏡子鏡的支撐機構的支撐桿21連接子鏡1與支撐框架22,如圖4a、圖4b、圖4c 所示。對如圖4a的單點支撐方式，直接通過調整支撐機構改變子鏡1相對基準面32的傾角。 對如圖4b、圖4c所示的多點支撐方式，通過調整支撐機構的支撐桿21的長度，實現(xiàn)對子鏡 1相對基準面32的角度調整。不過本例中定日鏡子鏡采用單點支撐方式。
1.為了快速完成球面定日鏡的面形校準，需要子鏡的幾何中心33在整體球面38上。 把基準面32作為XY平面，根據(jù)各子鏡1的布置方式，可以求得子鏡中心33的坐標 (x"乂 )，由定且鏡的整體球面方程(l)
計算得到各子鏡中心點33相對基準面32的高度39。這里，z。是定日鏡整體球面中心到 基準面32的高度42， R是定日鏡整體球面38的半徑40， d是定日鏡整體球面中心(即頂點) 37到旋轉中心31的距離41。由此把子鏡中心點33的高度39調整到位。
2. 如圖5所示，選定定日鏡的一個朝向，使得在整體球面的球心處放人工光源34后， 人工光源34發(fā)出的發(fā)散光束35能覆蓋整個定日鏡鏡面。定日鏡的控制跟蹤系統(tǒng)把定日鏡運 轉到要求朝向，并從中讀出定日鏡當前的朝向，即定日鏡基準面的法向。根據(jù)定日鏡的當前 朝向、球面中心37到旋轉中心31的距離41和定日鏡整體球面的半徑40，使用測距儀確定 整體球面球心的空間位置。球心處安裝光源34。取光源正下方且靠近光源的位置為觀察點， 觀察定日鏡反射鏡面上的光源影像位置。如果人眼直接觀察不夠清楚，則在觀察點位置安裝 望遠鏡36。
3. 在夜間校準定日鏡的面形。觀察子鏡鏡面16上的光源影像17或18。 17對應鏡面平整度好的光源影像，是連續(xù)的亮斑，18對應鏡面平整度差的光源影像，是一些零星的亮點。 通過子鏡1的支撐機構調整其角度，直到把子鏡鏡面16上的光源影像調移到子鏡的中心區(qū)域， 如圖3a和圖3b。
按順序調整過每個子鏡的相對基準面的傾角后，定日鏡面形校準完畢，此時可觀察到整 個定日鏡中每個子鏡鏡面均閃閃發(fā)亮。
權利要求
1. 一種球面太陽定日鏡的面形校準方法。其特征在于，選定定日鏡的一個朝向，在定日鏡球心位置放置發(fā)散光源(34)，通過肉眼直接觀察，或安裝在靠近光源的望遠鏡(36)，觀察定日鏡子鏡面上的光源影像，來確定各子鏡相對基準面的傾斜角度和位置；當子鏡中心區(qū)域出現(xiàn)光源影像時，即表明該子鏡已處于正確位置，否則通過動作支撐機構來調節(jié)子鏡相對定日鏡基準面的角度，使得子鏡中心均有光源影像出現(xiàn)；定日鏡所有子鏡的傾斜角度調整后，即完成定日鏡的面形校準。
2、 按照權利要求l所述的球面太陽定日鏡的面形校準方法，其特征在于發(fā)散光源(34) 發(fā)出的發(fā)散光束近似同心光束，光束覆蓋定日鏡的采光口；在定日鏡的面形校準過程中，在 光束的發(fā)射方向保持不變。
3、 按照權利要求l所述的球面太陽定日鏡的面形校準方法，其特征在于，對面形是球面 或接近球面的定日鏡，其中子鏡外形可以是方形、矩形、圓形、正六邊形或其他形狀，子鏡 曲面可以是平面、球面、圓柱面、拋物面或其他面形。
4、 按照權利要求l所述的球面太陽定日鏡的面形校準方法，其特征在于定日鏡中所有子 鏡相對基準面的傾斜角度和離基準面的高度均可調節(jié)。5按照權利要求1所述的球面太陽定日鏡的面形校準方法，其特征在于在光源的近旁 的觀察點，或者人眼直接觀察或者通過望遠鏡觀察或者用帶顯示屏的有調焦功能的攝像頭代 替望遠鏡，來觀察鏡面上的光源影像。
全文摘要
一種球面太陽定日鏡面形校準方法。選定定日鏡的朝向，在定日鏡的球心位置放置人工光源(34)，其發(fā)出的近似同心發(fā)散光束(35)覆蓋定日鏡采光口。取光源靠近光源的位置為觀察點，通過肉眼或望遠鏡(36)觀察定日鏡反射鏡面上的光源影像位置。利用子鏡的支撐機構，調整子鏡(1)相對基準面(32)的傾斜角度，當子鏡中心區(qū)域出現(xiàn)光源影像，即表明該子鏡的角度合適。按此依次調整所有子鏡角度，即可完成整個定日鏡面形校準。本發(fā)明簡單、高效，對鏡面的平整度和面形誤差沒有特別要求。本發(fā)明可在夜間調整和校準定日鏡。
文檔編號G01B11/00GK101303270SQ200810112610
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月26日 優(yōu)先權日2008年5月26日
發(fā)明者鴻 劉, 劉曉冰, 剛 孫, 張喜良, 梁文峰, 王志峰, 王曉宇, 郭明煥 申請人:中國科學院電工研究所