基于CCD傳感器的定日鏡積塵密度檢測(cè)方法

宋海翔， 陳 樂， 孟思圓， 王圣彬

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310008)

0 引 言

定日鏡場(chǎng)是塔式太陽(yáng)能光熱電站的光能收集系統(tǒng)，對(duì)電站的最終發(fā)電效率具有較大影響[1]。造成定日鏡場(chǎng)聚光效率損失的因素有許多，如余弦損失、陰影損失、大氣衰減損失等[2]，對(duì)于這些影響因素，已有許多研究人員進(jìn)行了大量研究，但如何制定較優(yōu)的清潔策略以在獲得較高發(fā)電收入的同時(shí)降低清潔作業(yè)的成本仍是一項(xiàng)難題[3]。目前，有效可行的方法是根據(jù)鏡面清潔程度對(duì)定日鏡進(jìn)行清潔[4]，為提升清潔策略的針對(duì)性，提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，需要根據(jù)定日鏡清潔程度制定清潔周期。

當(dāng)前檢測(cè)定日鏡清潔程度的方法主要是使用反射率測(cè)量?jī)x檢測(cè)鏡面反射率，Crawford J S[5]等對(duì)SOC的410-Solar、D&S的15R和Abengoa的Condor三種便攜式反射率測(cè)量?jī)x進(jìn)行了定量與定性比較，發(fā)現(xiàn)15R和Condor兩款性能較好。Griffith D J[6]等利用自行設(shè)計(jì)的反射率測(cè)量?jī)x進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)0°放置鏡面的反射率損失大約是45°放置鏡面的兩倍。Wang R[7]等使用校準(zhǔn)相機(jī)拍攝不同清潔程度的鏡面反射至校準(zhǔn)目標(biāo)上的圖案，以此對(duì)定日鏡反射率進(jìn)行估計(jì)。

傳統(tǒng)的反射率測(cè)量?jī)x需要緊貼鏡面進(jìn)行檢測(cè)，容易損壞鏡面，并且鏡面積塵存在污染測(cè)量?jī)x器造成檢測(cè)精度下降的問題。本文針對(duì)該問題，使用CCD傳感器進(jìn)行非接觸式檢測(cè)定日鏡積塵密度，在自制暗箱中研究不同光照強(qiáng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)反射率測(cè)量?jī)x的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了CCD傳感器檢測(cè)鏡面積塵密度的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為塔式太陽(yáng)能光熱電站制定合理的定日鏡積塵密度檢測(cè)方案提供一定的借鑒意義。

1 理論分析

1.1 積塵對(duì)定日鏡的影響機(jī)理

定日鏡表面的積塵對(duì)入射光線具有遮擋、吸收和反射作用[8]，如圖1所示，隨著鏡面積塵的增多，入射光線在定日鏡表面的反射方式逐漸由鏡面反射轉(zhuǎn)變?yōu)槁瓷?，由于漫反射光線光路的不確定性，部分反射光線射向周圍環(huán)境，而非吸熱器靶面，由此造成能量損失。此外，積塵對(duì)入射光線的吸收作用也造成了一定的能量損失。

圖1 灰塵對(duì)光線的影響

1.2 CCD傳感器檢測(cè)鏡面積塵密度原理

與反射率測(cè)量?jī)x檢測(cè)鏡面反射率不同，CCD傳感器在檢測(cè)鏡面積塵密度時(shí)，是依靠CCD傳感器捕捉鏡面灰塵對(duì)入射光的漫反射光線，其檢測(cè)結(jié)果一定程度上反映了鏡面積塵對(duì)光的漫反射程度。使用光源對(duì)被測(cè)鏡面進(jìn)行低角度打光，CCD傳感器安裝在被測(cè)鏡面正上方，當(dāng)被測(cè)鏡面表面潔凈時(shí)，入射光線在鏡面的反射方式主要為鏡面反射，CCD傳感器難以捕捉到反射光線，反映在圖像上即為鏡面圖像呈黑色，圖像灰度值接近為0。隨著鏡面積塵的增多，灰塵對(duì)入射光線的漫反射作用增大，CCD傳感器捕捉到的漫反射光越來越多，反映在圖像上即為鏡面圖像偏白色，圖像灰度值增大。若將光源正對(duì)被測(cè)鏡面或高角度打光，由于定日鏡的鏡面反射率較高，過多的反射光線被CCD傳感器捕捉，造成圖像過曝的情況，大大降低了圖像的可用性，故采用低角度打光的方式，在照亮灰塵的同時(shí)避免了更多的光線被傳感器捕捉。CCD傳感器檢測(cè)鏡面積塵密度的原理圖如圖2所示。

圖2 CCD傳感器檢測(cè)鏡面積塵密度的原理圖

1.3 積塵與鏡面圖像灰度值的相關(guān)性

灰度值又稱亮度值，取值范圍在0～255之間，其中白色為255，黑色為0。在RGB模型中，若R=G=B，則彩色表示一種灰度顏色，其中R=B=G的值叫做灰度值，其計(jì)算公式如式(1)所示：

從灰度值的定義及式(1)可以看出，鏡面圖像灰度值的大小主要與圖像亮度及顏色有關(guān)，通過調(diào)整CCD傳感器的光圈或光源照度可以調(diào)整進(jìn)入到CCD傳感器內(nèi)部的光量，以此改變圖像亮度。而圖像的顏色主要由鏡面積塵的顏色決定，由式(1)可知，在同一照度下，不同顏色的灰塵換算得到的灰度值是不同的。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 積塵鏡面與噴涂裝置

大氣中的灰塵主要分為重力降塵和大氣飄塵，重力降塵一般指粒徑大于10 μm的能在自身重力作用下降落到地面的塵埃顆粒，大氣飄塵一般指粒徑小于10 μm且能長(zhǎng)期漂浮在大氣中的塵埃，僅有少部分大氣飄塵會(huì)在自重和雨水的作用下沉降到地面?；覊m由多種成分組合而成，其中SiO2含量最高，含量在55%左右，并且灰塵粒徑較細(xì)，粒徑小于100 μm的顆粒所占比例較大[9]。本文所述實(shí)驗(yàn)中分別選用了 10 μm、38 μm 和 180 μm 的 SiO2石英粉替代自然灰塵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為使灰塵更均勻的噴涂在定日鏡樣品上，將石英粉按1∶5的比例與酒精充分混合，制成酒精灰塵混合液[10]。將混合充分的酒精灰塵混合液倒入灰塵噴涂裝置（圖3）的噴筆儲(chǔ)液袋內(nèi)，15 cm×15 cm的定日鏡切割樣品（定日鏡參數(shù)見表1）固定在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤上，打開灰塵噴涂裝置電機(jī)開關(guān)，使噴筆噴涂酒精灰塵混合液的同時(shí)，噴筆與定日鏡保持勻速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。待混合液噴涂完畢后，取下鏡面置于水平桌面，靜置60 min，待酒精揮發(fā)完畢后，積塵鏡面制作完畢，制作完成的積塵鏡面如圖4所示。

圖3 噴灰裝置圖

表1 定日鏡參數(shù)

圖4 4面不同積塵密度的定日鏡樣品

積塵密度的計(jì)算公式為：

式中：ρ1——鏡面積塵密度，g/m2；

M1——鏡面積塵后的質(zhì)量，g；

m1——鏡面凈質(zhì)量，g；

s1——鏡面表面積，m2。

2.2 定日鏡積塵密度檢測(cè)暗箱

依據(jù)2.1中待測(cè)灰塵物理特性和實(shí)際檢測(cè)需求（檢測(cè)鏡面積塵密度而非鏡面灰塵顆粒數(shù)量），將檢測(cè)精度定為0.06 mm，視場(chǎng)大小定為40 cm×40 cm，加之1/2亞像素的軟件測(cè)量精度，檢測(cè)所需相機(jī)的分辨率應(yīng)為400/0.06/2≈3 333 pixel，X方向與Y方向分辨率相同，因此檢測(cè)用相機(jī)分辨率應(yīng)大于3 333 pixel。本文在此基礎(chǔ)上選用的CCD傳感器為?？低昅V-CE200-10UM黑白CCD傳感器，搭配50 mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，當(dāng)CCD傳感器拍攝距離為50～70 cm時(shí)，其視場(chǎng)范圍在（42 cm×42 cm）～（60 cm ×60 cm），相機(jī)與鏡頭的主要參數(shù)見表2和表3。

表2 CCD傳感器參數(shù)

表3 鏡頭參數(shù)

由于環(huán)境照度對(duì)于CCD傳感器檢測(cè)定日鏡鏡面積塵密度所得圖像的灰度值具有較大的影響，因此為了隔絕外界環(huán)境光照影響，定量地探究不同照度下，同一積塵密度鏡面圖像灰度值的變化規(guī)律和同一照度下，不同積塵密度鏡面圖像灰度值的變化規(guī)律，本文中所有定日鏡積塵密度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)均在自制定日鏡積塵密度檢測(cè)暗箱內(nèi)進(jìn)行，該暗箱具備的功能有：1）隔絕外界環(huán)境光照、2）傳感器檢測(cè)高度可調(diào)、3）光源高度和角度可調(diào)、4）照度檢測(cè)等。定日鏡積塵密度檢測(cè)暗箱示意圖見圖5。

圖5 定日鏡積塵密度檢測(cè)暗箱

調(diào)節(jié)定日鏡積塵密度檢測(cè)暗箱內(nèi)光源照射角度為20°[11]，CCD傳感器鏡頭下表面與待測(cè)鏡面相對(duì)距離為70 cm，將滑臺(tái)中心位置檢測(cè)到的光源照度作為鏡面接收的照度。將4面15 cm×15 cm積塵密度不同的積塵鏡面呈“田”字型放入暗箱滑臺(tái)中心位置，封閉暗箱。使用CCD傳感器拍攝定日鏡鏡面圖像后，通過圖像分割算法獲取獨(dú)立的4面鏡面圖像并計(jì)算圖像灰度值。

2.3 反射率測(cè)量裝置

鏡面反射率檢測(cè)使用的實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)及圖片見表4、表5和圖6。

表4 光譜儀參數(shù)

表5 光源參數(shù)

圖6 反射率測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖

鏡面反射率檢測(cè)在室溫23 ℃左右及相對(duì)濕度（40± 15）%的環(huán)境中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前，打開光譜儀預(yù)熱30 min，并將不同積塵密度的鏡面放置在實(shí)驗(yàn)室4 h以上，與實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行充分的熱交換，使用光譜儀配套的標(biāo)準(zhǔn)鋁鏡校準(zhǔn)儀器后方可進(jìn)行鏡面反射率測(cè)量。鏡面反射率測(cè)量的方法采用五點(diǎn)測(cè)量法，測(cè)量示意圖見圖7，即測(cè)量鏡面四角及中心點(diǎn)處在660 nm波長(zhǎng)下的反射率，然后計(jì)算其平均值作為鏡面的反射率[12]。

圖7 五點(diǎn)測(cè)量法示意圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

本節(jié)共4個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中3.1～3.3實(shí)驗(yàn)中使用的灰塵粒徑為10 μm，3.4關(guān)于灰塵粒徑的影響實(shí)驗(yàn)中增加了38 μm和180 μm的灰塵進(jìn)行對(duì)比研究，其他的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：精密電子天平、反射率測(cè)量裝置和定日鏡積塵密度檢測(cè)暗箱，其中精密電子天平用來稱量定日鏡樣品噴灰前后的質(zhì)量以計(jì)算鏡面積塵密度，鏡面圖像灰度值的獲取方式是將噴灰后的定日鏡樣品放入定日鏡積塵密度檢測(cè)暗箱內(nèi)部，以隔絕外界光線影響，后經(jīng)上位機(jī)控制CCD傳感器拍攝鏡面圖像并進(jìn)行圖像灰度化獲取的數(shù)值。各實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)參數(shù)及使用方法見本文第2部分實(shí)驗(yàn)裝置與方法。

3.1 CCD傳感器的光圈選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

CCD傳感器的光圈選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 CCD傳感器的光圈選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選取1 000 lx照度下，選用不同鏡頭光圈后的鏡面圖像灰度值數(shù)據(jù)，制作不同光圈下的鏡面圖像灰度值的柱形圖，如圖8所示。

圖8 不同光圈下的鏡面圖像灰度值

光圈起到控制光線透過鏡頭進(jìn)入CCD內(nèi)部感光面光量的作用，光圈F值越小，進(jìn)光量越大，畫面越亮，圖像灰度值越大；反之，光圈F值越大，進(jìn)光量越小，畫面越暗，圖像灰度值越小。從表6和圖8中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著光圈F值的增大，同一光源照度下，鏡面圖像灰度值在不斷的減小。當(dāng)光圈F值為F16時(shí)，0 g/m2與2.091 g/m2的積塵鏡面的圖像灰度值差值為26，0.581 g/m2與1.070 g/m2的積塵鏡面的圖像灰度值差值僅為3，過小的差值不利于區(qū)分積塵密度介于這兩者之間的鏡面。相較于選用F值較大的光圈，選用F值較小的光圈可以在檢測(cè)效果相同的情況下，使用更低的光源照度，達(dá)到節(jié)約能源的效果，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，選用F2.8作為檢測(cè)時(shí)的光圈F值。

3.2 定日鏡積塵密度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

定日鏡積塵密度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 定日鏡積塵密度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選取1 000 lx照度下不同積塵密度鏡面的鏡面圖像灰度值數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合曲線及擬合公式如圖9及式(3)所示。

圖9 1 000 lx照度下鏡面積塵密度-灰度值數(shù)據(jù)圖

式中：y——鏡面圖像灰度值；

x——鏡面積塵密度，g/m2。

從表7和圖9中可以看出，通過比較同一照度下，不同積塵密度鏡面的鏡面圖像灰度值可以發(fā)現(xiàn)，鏡面圖像灰度值隨著鏡面積塵密度的增大而增大，二者成正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)鏡面積塵密度在0～3 g/m2時(shí)，鏡面圖像灰度值的增大速率較快；當(dāng)鏡面積塵密度在3～6 g/m2時(shí)，鏡面圖像灰度值的增大速率開始放緩；當(dāng)鏡面積塵密度大于6 g/m2時(shí)，鏡面圖像灰度值幾乎不隨鏡面積塵密度的增大而增大，鏡面圖像灰度值達(dá)到當(dāng)前照度下的最大值。

通過比較不同照度下各積塵密度鏡面的鏡面圖像灰度值可以發(fā)現(xiàn)，鏡面接收到的照度越強(qiáng)，積塵密度相近的兩面鏡面圖像灰度值差值越大，即使用CCD傳感器利用灰度值的方法檢測(cè)定日鏡積塵密度，可以在一定照度下明確區(qū)分不同積塵密度的鏡面，照度越強(qiáng)，區(qū)分效果越明顯。

通過比較同一積塵密度鏡面在不同照度下的鏡面圖像灰度值可以發(fā)現(xiàn)，同一積塵密度的鏡面，鏡面接收到的照度越強(qiáng)，鏡面圖像灰度值越大。

由于灰度值的取值范圍為0～255，因此在使用CCD傳感器檢測(cè)定日鏡積塵密度時(shí)，需要選擇合適的光源照度進(jìn)行打光，光源照度過強(qiáng)會(huì)使CCD傳感器檢測(cè)較低積塵密度鏡面時(shí)，其鏡面圖像灰度值便達(dá)到255，無法檢測(cè)更高積塵密度的鏡面；光源照度過低，不僅會(huì)降低拍攝圖像的清晰度，還會(huì)降低CCD傳感器對(duì)相近積塵密度鏡面的區(qū)分度。在鏡面接收照度為1 000 lx的情況下，相機(jī)檢測(cè)鏡面積塵密度的有效檢測(cè)范圍在0～6 g/m2。

3.3 鏡面反射率和鏡面圖像灰度值對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

光的反射方式分為鏡面反射和漫反射，使用反射率測(cè)量?jī)x檢測(cè)的是定日鏡表面的鏡面反射，而本文所用的檢測(cè)方式為依靠CCD傳感器接收積塵鏡面的漫反射光線，以此作為檢測(cè)鏡面積塵密度的檢測(cè)依據(jù)，該檢測(cè)方式的檢測(cè)結(jié)果在一定程度上反映了積塵鏡面表面的漫反射程度，鏡面積塵密度越大，漫反射越強(qiáng)，鏡面圖像灰度值越大。

定日鏡鏡面反射率與鏡面圖像灰度值對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。

表8 鏡面反射率與鏡面圖像灰度值對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表8中可以看出，在固定的光源照度下，同一面鏡子的鏡面反射率、積塵密度、鏡面圖像灰度值存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可以通過CCD傳感器在特定光源照度下檢測(cè)到的鏡面圖像灰度值來推算該鏡面的積塵密度和鏡面反射率，以此達(dá)到使用CCD傳感器替代反射率測(cè)量?jī)x進(jìn)行非接觸式檢測(cè)鏡面積塵密度的目的。但由于灰度值存在范圍限制，以及當(dāng)鏡面積塵密度大于6 g/m2后，鏡面圖像灰度值幾乎不隨鏡面積塵密度的增加而增大，因此CCD傳感器檢測(cè)鏡面積塵密度的方法只能在一定范圍內(nèi)與鏡面反射率檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)。在光源照度為1 000 lx的情況下，CCD傳感器檢測(cè)鏡面積塵密度的方法可以對(duì)應(yīng)的鏡面反射率范圍在74%～93%。

3.4 灰塵粒徑對(duì)CCD傳感器檢測(cè)定日鏡積塵密度的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

定日鏡表面自然積塵的粒徑大小是不同的，因此為了探究灰塵粒徑對(duì)CCD傳感器檢測(cè)定日鏡積塵密度的影響，本實(shí)驗(yàn)選用 10 μm、38 μm 和 180 μm三種粒徑的灰塵。由于灰塵形狀多為不規(guī)則的，難以計(jì)算，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)灰塵顆粒為近似球體，則灰塵質(zhì)量、粒徑和數(shù)量的關(guān)系為[13]：

式中：M——單位面積上灰塵的總質(zhì)量，g；

n——單位面積上灰塵的數(shù)量；

ρ——灰塵的密度，g/m3；

D0——灰塵粒徑，μm。

灰塵的遮擋面積為：

其中S為灰塵在定日鏡上的遮擋面積，m2。

設(shè)D1為某已知灰塵的粒徑，假設(shè)定日鏡單位面積上粒徑為D2的灰塵質(zhì)量與D1對(duì)應(yīng)的灰塵質(zhì)量相等，由式(4)和式(5)可得：

式中：Ψ——不同粒徑的等質(zhì)量灰塵對(duì)定日鏡的遮擋系數(shù)；

N1——粒徑是D1的灰塵顆粒總個(gè)數(shù)；

M1——定日鏡單位面積上直徑為D1的灰塵總質(zhì)量，g。

由公式(6)可以看出，一定質(zhì)量的灰塵對(duì)定日鏡的遮擋面積與粒徑的大小呈反比，灰塵粒徑越大，灰塵對(duì)定日鏡的總遮擋面積越小，光線經(jīng)定日鏡鏡面反射的概率越大，CCD傳感器捕捉到灰塵漫反射光線的可能越小。不同灰塵粒徑的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9所示。

表9 1 000 lx照度下不同粒徑灰塵的鏡面圖像灰度值數(shù)據(jù)表

對(duì)于不同粒徑的灰塵，難以制作積塵密度完全相同的積塵鏡面，因此對(duì)使用3種粒徑灰塵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，在擬合曲線中比較不同粒徑灰塵對(duì)CCD傳感器檢測(cè)效果的影響，1 000 lx照度下不同粒徑灰塵的鏡面圖像灰度值擬合曲線圖如圖10所示。

圖10 1 000 lx照度下不同粒徑灰塵的鏡面圖像灰度值擬合曲線圖

由圖10中可以看出，在1 000 lx照度下，對(duì)于同一積塵密度的鏡面，灰塵的粒徑越大，該鏡面的圖像灰度值數(shù)值越小，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。并且在同一積塵密度下，不同粒徑灰塵的鏡面圖像灰度值差值隨著灰塵粒徑差值的增大而增大。因此在使用CCD傳感器檢測(cè)定日鏡積塵密度時(shí)，應(yīng)根據(jù)所檢測(cè)灰塵粒徑的大小選擇合適的光圈或光源照度以達(dá)到理想的檢測(cè)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過使用CCD傳感器在不同光源照度下非接觸式檢測(cè)不同積塵密度的定日鏡，并將檢測(cè)結(jié)果與反射率測(cè)量?jī)x檢測(cè)定日鏡反射率的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出了以下5點(diǎn)結(jié)論：

1）同一光源照度下，使用CCD傳感器檢測(cè)定日鏡積塵密度，鏡面積塵密度與鏡面圖像灰度值存在正相關(guān)關(guān)系，即積塵密度越大的鏡面其鏡面圖像灰度值越大。

2）使用CCD傳感器檢測(cè)定日鏡積塵密度時(shí)，應(yīng)在合適的光源照度下進(jìn)行檢測(cè)，在鏡面積塵均勻的前提下，當(dāng)鏡面積塵密度大于6 g/m2后，鏡面圖像灰度值幾乎不再隨鏡面積塵密度的增大而增大；在光源照度為1 000 lx的情況下，CCD傳感器檢測(cè)鏡面積塵密度的有效范圍在0～6 g/m2，可以檢測(cè)鏡面反射率的范圍在74%～93%。

3）當(dāng)鏡面積塵密度在0～6 g/m2的范圍內(nèi)時(shí)，在固定光源照度的情況下，鏡面反射率、積塵密度、鏡面圖像灰度值具有顯著的相關(guān)性。

4）灰塵粒徑的大小對(duì)CCD傳感器檢測(cè)定日鏡積塵密度的結(jié)果有一定的影響，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)灰塵的粒徑大小選擇合適的光圈或光源照度以達(dá)到理想的檢測(cè)效果。

5）由于光源照度對(duì)CCD傳感器的檢測(cè)結(jié)果影響較大，因此在使用該方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選在外界光線較暗的夜間進(jìn)行。