專利名稱：一種太陽能熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，具體的說，是一種一種太陽能熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法。
背景技術(shù)：
槽式太陽能熱發(fā)電是一種基于太陽能的熱發(fā)電技術(shù)，而太陽能則屬于國家提倡的低能耗、低排放、清潔、無污染、廉價的新興能源，其開發(fā)前景十分廣泛。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，聚焦太陽直射光，加熱真空集熱管里面的工質(zhì)，產(chǎn)生高溫，再通過換熱設(shè)備加熱水產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。在槽式熱發(fā)電系統(tǒng)中，聚光、集熱系統(tǒng)非常重要，它在很大程度上決定了系統(tǒng)的效率，如何保證聚光集熱系統(tǒng)的高效率成為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵?；诠饩€反射定律，對于理想拋物面鏡，太陽光垂直入射的情況下，光線會匯聚到拋物線的焦點位置。但是，實際產(chǎn)品中，聚光支架與拋物面鏡不可能是一個理想的拋物面，因此，我們需要有一套實而有效的分析方法來分析實際中槽式太陽能熱發(fā)電的聚光集熱系統(tǒng)光吸收效率，并對其進行評估。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中對大型槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光、集熱系統(tǒng)的光吸收效率分析困難，提供一種便捷、行之有效的、科學(xué)的光吸收效率分析方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種太陽能熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法，包括以下步驟
(1)基于現(xiàn)有的照相測量技術(shù)，通過標(biāo)定相機拍攝拋物面反射鏡，以獲取拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型；
(2)將拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型導(dǎo)入計算機，得出拋物面反射鏡的圖形參數(shù)；
(3)利用拋物面反射鏡的圖形參數(shù)建立拋物面反射鏡和集熱管的相對位置關(guān)系的模型，作為光學(xué)效率分析的對象；
(4)通過計算機模擬太陽光線均勻地入射到步驟(3)所建立模型中的拋物面反射鏡的表面，經(jīng)過鏡面反射，穿過集熱管的玻璃管，投射到集熱管的鍍膜鋼管上；同時，基于光的直線傳播原理、反射定律、折射定律，通過計算機對模擬太陽光線進行追蹤；
(5)通過步驟(4)所做光線追蹤，得出投射到集熱管的鍍膜鋼管上的模擬太陽光線與入射的模擬太陽光線的數(shù)量關(guān)系，從而獲得聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率。其中，所述步驟(I)中標(biāo)定相機拍攝出拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型的具體步驟如下
(a)在拋物面反射鏡上粘貼標(biāo)記點；
(b)標(biāo)定相機，確定相機參數(shù)；
(C)對拋物面反射鏡進行至少兩次拍照，并把拍攝圖片導(dǎo)入計算機中進行處理，提取骨架點；
(d)通過三維測量系統(tǒng)掃描，對拋物面反射鏡進行多視測量；
(E)計算機進行自動拼接，獲取拋物面反射鏡的面形形體信息；
(F)通過計算機對獲取的拋物面反射鏡面形形體信息進行分析，從而獲取拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型及空間位置誤差信息。所述步驟(3)的拋物面反射鏡的圖形參數(shù)為靜態(tài)條件下的圖像參數(shù)，其與集熱管的相對位置為靜態(tài)條件下的相對位置；或者，所述步驟(3)的拋物面反射鏡的圖形參數(shù)為各種工況下的圖像參數(shù)，其與集熱管的相對位置為各種工況下的相對位置。所述步驟(C)中對拋物面反射鏡拍照時，每次拍攝都需和前一次拍攝的內(nèi)容至少有一個骨架帶點的重疊。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果
(I)本發(fā)明建立包含聚光器、集熱管的分析模型，模擬太陽光入射到模型后形成的聚光圖像，從而得到在集熱管鍍膜鋼管表面的太陽光分布情況，不僅方法簡單、分析明確，而且通過該方法分析得出的數(shù)據(jù)，更具科學(xué)性；
(2 )本發(fā)明中的拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型建立是通過標(biāo)定相機對其進行拍攝來實現(xiàn)的，其方法是在拋物面反射鏡表面粘貼專用的標(biāo)志點，通過基于圖像的三維空間定位方法，獲取離散的標(biāo)志點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；然后根據(jù)這些三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)并結(jié)合面型掃描獲得拋物面反射鏡表面的三維點云數(shù)據(jù)，從而得到實際中的拋物面反射鏡的空間位置信息；
(3)針對槽式太陽能熱發(fā)電的實際應(yīng)用情況，本發(fā)明還考慮了槽式太陽能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的實際工作情況下，周圍環(huán)境因素的影響，如環(huán)境參數(shù)溫度、風(fēng)力、光照強度等，將其所引起的鏡面變化、集熱管位置變化作為輸入值導(dǎo)入分析模型中，具體的說，該環(huán)境參數(shù)會迫使分析模型中拋物面反射鏡及集熱管出現(xiàn)一定的變形，從而得出一個較之理想狀態(tài)下不同的實際工作模型，以該實際工作模型為基礎(chǔ)，進行光效分析，從而將環(huán)境因素的影響也囊括于分析中，因此，此分析方法適用于工作情況下槽式聚光系統(tǒng)的光效分析，具有非常高的實用性和創(chuàng)造性。


圖1為入射到分析模型的模擬太陽光線進行追跡的示意圖。圖2為通過分析模型得出的集熱管上光線接受面中的光線分布情況示意圖。圖3為設(shè)有標(biāo)記點的拋物面反射鏡的示意圖。圖4為標(biāo)記點的三維坐標(biāo)示意圖。圖5為拋物面反射鏡的空間模型。圖6為獨立反射鏡的分塊示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及其附圖對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例
槽式太陽能熱發(fā)電中聚光集熱系統(tǒng)包括聚光支架、拋物面反射鏡、真空集熱管，根據(jù)光的反射定律，太陽光入射到拋物面反射鏡后，拋物面反射鏡將其反射至真空集熱管，進而完成聚光、集熱的工作。實際產(chǎn)品中，聚光支架與拋物面反射鏡不可能是一個理想的拋物面，因此，為了使槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，有必要對產(chǎn)品的聚光集熱系統(tǒng)進行分析、評估，找出影響其工作的因素，并加以嚴格控制。本實施例中，為了實現(xiàn)上述目的，采用的方法是建立包含聚光器、太陽、集熱管的在內(nèi)的分析模型，模擬太陽光入射到模型后形成的聚光圖像，從而得到在集熱管鍍膜鋼管表面的太陽光分布情況，根據(jù)該分布情況即可得出整個聚光集熱系統(tǒng)的光吸收效率，其具體步驟如下
一、基于現(xiàn)有的照相測量技術(shù)，通過標(biāo)定相機拍攝拋物面反射鏡，以獲取拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型；
二、將拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型導(dǎo)入計算機，得出拋物面反射鏡的圖形參數(shù)；其中，拋物面反射鏡的圖形參數(shù)主要包括拋物面反射鏡面積、長寬、拋物面面型誤差等；
三、利用拋物面反射鏡的圖形參數(shù)建立拋物面反射鏡和集熱管的相對位置關(guān)系的模型，作為光學(xué)效率分析的對象；
四、通過計算機模擬太陽光線均勻地入射到步驟三所建立模型中的拋物面反射鏡的表面，經(jīng)過鏡面反射，穿過集熱管的玻璃管，投射到集熱管的鍍膜鋼管上；同時，基于光的直線傳播原理、反射定律、折射定律，通過計算機對模擬太陽光線進行追蹤，如圖1所示，即可獲得分析模型中集熱管上的光線接受面中的光線分布情況，如圖2所示；
五、通過步驟(4)所做光線追蹤，得出投射到集熱管的鍍膜鋼管上的模擬太陽光線與入射的模擬太陽光線的數(shù)量關(guān)系，從而獲得聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率。其中，標(biāo)定相機拍攝出拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型的步驟如下在拋物面反射鏡表面粘貼專用的標(biāo)記點，一般地，為了測量精度盡量的精準(zhǔn)，標(biāo)記點應(yīng)盡量的多，如圖3所示中的黑色方點，但其拋物面反射鏡上下邊緣應(yīng)盡量多粘貼標(biāo)記點；然后，通過基于圖像的三維空間定位方法，獲取離散的標(biāo)記點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖4所示，值得說明的是，通過相機拍攝粘貼有標(biāo)記點的拋物面反射鏡需要有重疊部分，以確保拍攝精度；再根據(jù)標(biāo)記點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并結(jié)合面型掃描獲得拋物面反射鏡表面的三維點云數(shù)據(jù)，從而得到如圖5所示實際中的拋物面反射鏡的空間模型。完整的拋物面反射鏡成品由四塊獨立反射鏡構(gòu)成，在標(biāo)定相機拍攝出拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型前，可把獨立反射鏡看作為由N塊單元反射鏡組成，如圖6所示。在拋物面反射鏡上的不同位置的A和B點，在法線偏離相同角度的情況下，其入射到集熱管上的情況也不同，即越是靠近鏡面上下邊緣位置對拋物面反射鏡的本身要求就越高，其中，本身要求包括拋物面反射鏡的鏡面面型及安裝。根據(jù)上述，本實施例采用粘貼標(biāo)記點的方法為以每塊獨立反射鏡為基礎(chǔ)，將獨立反射鏡分割成N塊單元反射鏡，然后以每塊單元反射鏡為基準(zhǔn)進行標(biāo)記點的粘貼,且所有單元反射鏡上標(biāo)記點的粘貼方式相同；其中,NS 2。需要說明的是，不同位置的獨立反射鏡分割單元塊根據(jù)受誤差精度影響的大小可不同。針對槽式太陽能熱發(fā)電的實際應(yīng)用情況，本發(fā)明考慮周圍環(huán)境因素的影響，將環(huán)境參數(shù)溫度、風(fēng)力、光照強度等作為輸入值導(dǎo)入分析模型中，具體的說，該環(huán)境參數(shù)會迫使分析模型中拋物面反射鏡出現(xiàn)一定的變形，從而得出一個較之理想狀態(tài)下不同的實際工作模型，以該實際工作模型為基礎(chǔ)，再模擬太陽光入射到實際工作模型中，對其光線進行追跡，即可獲得實際工作模型中集熱管上的光線接受面的光線分布情況。此分析方法適用于工作情況下槽式聚光系統(tǒng)的光效分析，其尚屬國際首創(chuàng)，具有非常高的實用性和創(chuàng)造性。按照上述實施例，即可很好的實現(xiàn)本發(fā)明。值得說明的是，基于同樣的原理和技術(shù)，本發(fā)明還可以很容易的擴展到碟式太陽能聚光發(fā)電系統(tǒng)中進行系統(tǒng)光學(xué)效率分析。
權(quán)利要求
1.一種太陽能熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)基于現(xiàn)有的照相測量技術(shù)，通過標(biāo)定相機拍攝拋物面反射鏡，以獲取拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型； (2)將拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型導(dǎo)入計算機，得出拋物面反射鏡的圖形參數(shù)； (3)利用拋物面反射鏡的圖形參數(shù)建立拋物面反射鏡和集熱管的相對位置關(guān)系的模型，作為光學(xué)效率分析的對象； (4)通過計算機模擬太陽光線均勻地入射到步驟(3)所建立模型中的拋物面反射鏡的表面，經(jīng)過鏡面反射，穿過集熱管的玻璃管，投射到集熱管的鍍膜鋼管上；同時，基于光的直線傳播原理、反射定律、折射定律，通過計算機對模擬太陽光線進行追蹤； (5)通過步驟(4)所做光線追蹤，得出投射到集熱管的鍍膜鋼管上的模擬太陽光線與入射的模擬太陽光線的數(shù)量關(guān)系，從而獲得聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法，其特征在于，所述步驟(I)中標(biāo)定相機拍攝出拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型的具體步驟如下: (a)在拋物面反射鏡上粘貼標(biāo)記點； (b)標(biāo)定相機，確定相機參數(shù)； (c)對拋物面反射鏡進行至少兩次拍照，并把拍攝圖片導(dǎo)入計算機中進行處理，提取骨架點； Cd)通過三維測量系統(tǒng)掃描，對拋物面反射鏡進行多視測量； (E)計算機進行自動拼接，獲取拋物面反射鏡的面形形體信息； (F)通過計算機對獲取的拋物面反射鏡面形形體信息進行分析，從而獲取拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型及空間位置誤差信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法，其特征在于:所述步驟(3)的拋物面反射鏡的圖形參數(shù)為靜態(tài)條件下的圖像參數(shù)，其與集熱管的相對位置為靜態(tài)條件下的相對位置； 或者，所述步驟(3)的拋物面反射鏡的圖形參數(shù)為各種工況下的圖像參數(shù)，其與集熱管的相對位置為各種工況下的相對位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種太陽能 熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法，其特征在于:所述步驟(C)中對拋物面反射鏡拍照時，每次拍攝都需和前一次拍攝的內(nèi)容至少有一個骨架帶點的重疊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能熱發(fā)電之聚光集熱系統(tǒng)的光學(xué)效率分析方法，解決了對大型槽式太陽能熱發(fā)電的聚光集熱系統(tǒng)的光吸收效率分析方法的難題。本發(fā)明包括以下步驟通過標(biāo)定相機拍攝拋物面反射鏡，以獲取拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型；將拋物面反射鏡的三維數(shù)字化模型導(dǎo)入計算機，得出拋物面反射鏡的圖形參數(shù)；通過拋物面反射鏡的圖形參數(shù)建立拋物面反射鏡和集熱管的分析模型；通過計算機模擬太陽光入射到所建立的分析模型中，從而獲取模擬分析結(jié)果。本發(fā)明還考慮了實際工作情況下，環(huán)境因素的影響，既可以作為集熱系統(tǒng)的理論分析工具又可以作為實際工況下的驗證性分析工具，具有非常高的實用性、便捷性、創(chuàng)造性與經(jīng)濟性。
文檔編號G01M11/00GK103076154SQ20121057991
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者周學(xué)斌, 魏東, 馮長波, 王思平, 毛琨 申請人:天威(成都)太陽能熱發(fā)電開發(fā)有限公司