基于圖像識別的定日鏡振動誤差檢測*

孫 楠 閆克丁

（1.上海晶電新能源有限公司 上海 201112）（2.西安工業(yè)大學電子信息工程學院 西安 710021）

1 引言

聚光太陽能熱發(fā)電（Concentrated Solar Power，CSP）技術是將一定范圍的太陽光匯聚至一個較小區(qū)域，通過儲能介質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過汽輪機等熱機將熱能轉(zhuǎn)化為電能［1~3］。目前CSP技術在全球范圍已經(jīng)得到了很廣泛的商業(yè)化應用，國家能源局于2016年啟動包括玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目在內(nèi)的第一批20個光熱發(fā)電示范項目建設［4］。

塔式太陽能熱發(fā)電技術是CSP的一種主要技術，該技術通過控制數(shù)量龐大的兩軸轉(zhuǎn)動定日鏡實現(xiàn)太陽光的匯聚，所以定日鏡需要較高的指向精度（精確地轉(zhuǎn)動）以保證太陽光的有效匯聚。

在室外環(huán)境下定日鏡的實際控制運維過程中主要會受到由風引起的鏡面振動情況［5~7］。鏡面振動會造成定日鏡鏡面的反射法線出現(xiàn)晃動，使得接收面處的太陽光斑會出現(xiàn)晃動情況［8~9］。由于風對定日鏡鏡面的影響是隨機的，目前檢測定日鏡受風振動影響的方法主要有三種：1）通過流體仿真軟件計算［10~11］；2）通過風洞對定日鏡模型進行檢測［12~13］；3）通過在定日鏡鏡面布置風壓傳感器進行檢測［14］。通過流體仿真軟件能夠計算定日鏡鏡面被風吹時的受力情況，但是受限于邊界條件設置、定日鏡模型建立、算力等情況，使得計算結果精確度不夠，甚至會出現(xiàn)一些異常情況，所以流體仿真軟件的計算結果通常只作為參考。通過風洞進行檢測需要制作定日鏡的等比例模型，雖然比較精確地反映定日鏡在不同風速下的變形情況，但是由于等比例模型與實際定日鏡在質(zhì)量、材料剛性等方面存在差異，使得風洞檢測的結果與實際結果也會存在一定差異。通過在定日鏡鏡面布置風壓傳感器進行檢測雖然能夠反饋定日鏡鏡面的實際受力變形情況，但是不能直接反映定日鏡鏡面反射法線的晃動情況，需要將變形情況進行轉(zhuǎn)化計算，在計算過程中容易引入新的誤差。

因此，本文通過安裝在定日鏡鏡面上的圖像采集器采集特定標志物的圖像，然后基于圖像識別結果直接反映鏡面反射法線的晃動情況，并基于圖像識別的統(tǒng)計結果建立定日鏡的振動誤差模型，為定日鏡的控制運維策略制定提供有效的理論支持，以保證定日鏡的指向精度，確保整個光熱發(fā)電鏡場的聚光效率和發(fā)電效率。

2 定日鏡振動情況檢測

2.1 系統(tǒng)設置

在定日鏡四個角處的子鏡中心處分別安裝一臺圖像采集器，用于對準標志物。如圖1（a）所示，圓圈處表示圖像采集器的安裝位置；圖1（b）為試驗現(xiàn)場圖像，方塊處為圖像采集器的安裝位置，右側小圖為圖像采集器示意圖。圖像采集器使用25mm焦距鏡頭，通過千兆網(wǎng)線連接至計算機并由計算機控制拍照并存儲圖像，采集同時使用風速儀記錄風速情況。

圖1 圖像采集器布置示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

當定日鏡鏡面與水平面平行時，定日鏡的反射法線與水平面垂直，此時定日鏡俯仰角為0°。選取兩種定日鏡俯仰角姿態(tài)，其中俯仰角30°為定日鏡單日有效俯仰角轉(zhuǎn)動范圍的平均值，俯仰角70°為定日鏡單日有效俯仰角轉(zhuǎn)動范圍的最大有效值。

如圖2所示，以1號圖像采集器采集的部分圖像為例，單張圖像中以左上角為原點，通過圖像分割識別的方式獲得標志物中心在圖像中相對坐標［15］，再將像素偏移量轉(zhuǎn)換為偏差角用于描述定日鏡振動誤差的程度，轉(zhuǎn)換公式如下所示：

圖2 1號圖像采集器部分采集圖像示意圖

式中ΔAz表示繞方位軸偏差角（單位：弧度），ΔAt表示繞俯仰軸偏差角（單位：弧度），ΔL表示列方向偏差量（單位：像素），ΔH表示行方向偏差量（單位：像素），PixSize表示像元尺寸（單位：像素/m），f表示鏡頭焦距（單位：m）。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 檢測姿態(tài)為俯仰角30°情況

如圖3所示，俯仰角30°時有效風速范圍可認為是0m/s~6m/s。俯仰角30°時基于方位軸偏差角結果，3#圖像采集器對應有效結果的方位軸偏差角相對變化較大。基于俯仰軸偏差角結果，3#圖像采集器對應有效結果的俯仰軸偏差角也相對變化較大。

圖3 俯仰角30°振動情況

2.3.2 檢測姿態(tài)為俯仰角70°情況

如圖4所示，俯仰角70°時有效風速范圍也可認為是0m/s~6m/s。俯仰角70°時基于方位軸偏差角結果，1#圖像采集器對應有效結果的方位軸偏差角相對變化最大?；诟┭鲚S偏差角結果，4#圖像采器對應有效結果的俯仰軸偏差角相對變化最大。

圖4 俯仰角70°時風速統(tǒng)計情況

2.3.3 振動誤差模型

單臺定日鏡可以將照射至其鏡面上的太陽光反射至目標區(qū)域，而單面子鏡的晃動會直接影響整臺定日鏡的一次反射精度，所以根據(jù)晃動程度相對最大子鏡對應的圖像采集器數(shù)據(jù)建立有效風速范圍為0m/s~6m/s時的定日鏡振動誤差模型。

如圖5所示，根據(jù)2.3.2節(jié)，1#圖像采集器對應子鏡繞方位軸晃動情況相對最大，數(shù)據(jù)擬合結果為N( -0.2693，0.464322)；4#圖像采集器對應子鏡繞俯仰軸晃動情況相對最大，數(shù)據(jù)擬合結果為N( -0.16108，0.618752)。

圖5 俯仰角為70°時圖像采集器方位軸偏差角統(tǒng)計直方示意圖

以晃動程度相對最大作為建立定日鏡振動誤差模型的標準，均值影響偏差角的整體偏移情況，為了不失一般性，定日鏡振動誤差模型如下所示：

3 定日鏡振動試驗

3.1 環(huán)境及定日鏡信息

在玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目中選取兩臺定日鏡進行定日鏡振動試驗，項目地為甘肅省玉門市。試驗用定日鏡信息如表1所示，其中以鏡場吸熱器焦平面中心為原點，X軸為平行水平面指向正南方向，Y軸為平行水平面指向正東方向，Z軸為垂直水平面指向天空。

表1 試驗用定日鏡信息

3.2 試驗系統(tǒng)設置

塔式太陽能熱發(fā)電技術中定日鏡通常使用標定白板評估定日鏡的指向精度［16］。如圖6所示，試驗系統(tǒng)包括標定白板、圖像采集器、風速儀和核心單元。標定白板為安裝在高處的漫反射接收面，用于接收定日鏡反射的太陽光；圖像采集器的視場能夠覆蓋整個標定白板，用于采集標定白板處的光斑圖像；風速儀用于采集試驗地的風速信息，并將風速信息保存至核心單元；核心單元負責光斑圖像數(shù)據(jù)分析和風速數(shù)據(jù)記錄。

圖6 試驗系統(tǒng)示意圖

3.3 仿真實驗

根據(jù)如表1所示試驗用定日鏡中心坐標和對應的標定白板中心坐標，引入如式所示振動誤差模型生成隨機誤差，兩臺試驗用定日鏡仿真光斑中心偏差統(tǒng)計結果如圖7所示。

3.4 現(xiàn)場試驗

為了驗證振動誤差模型的準確性，在玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目中兩臺試驗用定日鏡按照圖7布置試驗系統(tǒng)。試驗風速結果如圖8所示，主要集中在0m/s~6m/s，與仿真實驗風速條件相似。

圖7 仿真光斑中心偏差統(tǒng)計結果（直方圖）

圖8 現(xiàn)場試驗風速統(tǒng)計結果示意圖

如圖9所示，藍色直方圖表示現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，橙色直方圖表示仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果。對比正態(tài)分布擬合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和仿真實驗數(shù)據(jù)中的標準差，在基于水平方向偏差距離的統(tǒng)計結果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結果的標準差sigma值為0.094283m，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)數(shù)值差距較??；在基于豎直方向偏差距離的統(tǒng)計結果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結果的標準差sigma值為0.13489m，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的數(shù)值十分接近。根據(jù)圖9所示，在不考慮均值的情況下，定日鏡1現(xiàn)場試驗結果與仿真結果十分接近。

圖9 定日鏡1試驗結果示意圖

如圖10所示，在基于定日鏡2水平方向偏差距離的統(tǒng)計結果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結果的標準差sigma值為0.082124m，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的數(shù)值十分接近；在豎直方向偏差距離的統(tǒng)計結果中，仿真數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合結果的標準差sigma值為0.13482m，與現(xiàn)場測試數(shù)值差距較小。根據(jù)圖10所示，在不考慮均值的情況下，定日鏡2現(xiàn)場試驗結果與仿真結果十分接近。

圖10 定日鏡2和定日鏡3試驗結果示意圖

4 結語

綜上所述，本文通過圖像識別特定標志的方法檢測定日鏡的振動誤差，通過對采集的一系列圖像進行分析識別，將振動誤差分解為繞方位軸偏差角（由圖像列方向偏差量轉(zhuǎn)化）和繞俯仰軸偏差角（由圖像行方向偏差量轉(zhuǎn)化）分別進行分析，并依據(jù)分析結果建立對應的振動誤差模型，包括繞方位軸偏差振動誤差模型和繞俯仰軸振動誤差模型?；谡駝诱`差模型對玉門某塔式5萬千瓦光熱發(fā)電項目中兩臺試驗用定日鏡進行仿真計算，獲得反射至對應標定白板上的仿真太陽光斑中心分布情況，然后與現(xiàn)場實際采集的太陽光斑中心分布情況進行對比。對比結果表明，在不考慮正態(tài)分布擬合結果中均值的情況下，仿真結果的標志差數(shù)值與實際試驗結果的標準差數(shù)值十分接近，即基于圖像的定日鏡振動誤差模型能夠準確地描述實際的定日鏡鏡面反射法線的振動情況，為光熱發(fā)電鏡場中定日鏡的控制運維策略制定提供了有效的理論支持，確保整個光熱發(fā)電鏡場的聚光效率和發(fā)電效率。