基于攝影測(cè)量技術(shù)的大型槽式太陽(yáng)能聚熱器支架幾何量測(cè)量

基于攝影測(cè)量技術(shù)的大型槽式太陽(yáng)能聚熱器支架幾何量測(cè)量

1吸熱管表面玻璃罩透射率計(jì)算電力是人類生存的基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的要求越來(lái)越高。太陽(yáng)能作為一種清潔、綠色的能源,得到了廣泛應(yīng)用。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要分為槽式、塔式、碟式和菲涅爾式四種,其中槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)最成熟、最具商業(yè)化運(yùn)行條件式中,ρ為拋物鏡面反射率;γ為集熱器的截?cái)嘁蜃?α為吸熱管表面涂層吸收率;τ為吸熱管表面玻璃罩透射率。由式(1)可知,槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電效率取決于四個(gè)影響因素,當(dāng)集熱器的材料屬性確定后,拋物鏡面反射率、吸熱管表面涂層吸收率、吸熱管表面玻璃罩透射率也就確定,因而在后期的裝配運(yùn)行中,影響槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電效率的因素只有集熱器的截?cái)嘁蜃应?而一個(gè)聚光良好的槽式太陽(yáng)能集熱器,其截?cái)嘁蜃討?yīng)保證在0.95以上對(duì)于槽式太陽(yáng)能集熱器來(lái)說(shuō),截?cái)嘁蜃拥挠绊懸蛩刂饕晴R面面形和支架精度。在過(guò)去的幾十年中,人們提出了大量測(cè)量鏡面面形的方法。1996年,JonesS.A.等目前,支架測(cè)量中技術(shù)較為成熟的是德國(guó)航空航天中心(DLR)研制出的專門(mén)針對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱器面形以及支架的攝影測(cè)量系統(tǒng)QFoto系統(tǒng)為了對(duì)槽式太陽(yáng)能支架的加工、安裝以及檢測(cè)提供理論模型和測(cè)量方法,本文利用攝影測(cè)量法對(duì)支架進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,分析槽式太陽(yáng)能待測(cè)幾何量對(duì)截?cái)嘁蜃拥挠绊懗潭?并設(shè)計(jì)測(cè)量附件,利用攝影測(cè)量法對(duì)槽式太陽(yáng)能支架進(jìn)行測(cè)量。2支架幾何量的影響槽式太陽(yáng)能支架由扭力盒(內(nèi)含旋轉(zhuǎn)軸)、懸臂梁(內(nèi)含托片)和吸熱管支撐架組成(見(jiàn)圖1和圖2)。吸熱管固定在吸熱管支撐架上,反射鏡固定在托片上,并將光線匯聚到吸熱管上,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支架旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)反射鏡追日。影響槽式太陽(yáng)能聚熱效率的支架幾何量為:托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)、托片角度、吸熱管位置和方向、旋轉(zhuǎn)軸位置和方向。托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)和托片角度直接影響鏡面的位置和曲率,導(dǎo)致反射光線發(fā)生變化;吸熱管支撐點(diǎn)坐標(biāo)直接影響吸熱管的位置,導(dǎo)致部分光線無(wú)法反射到吸熱管上;當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸的位置和方向改變時(shí),入射光線的入射角度會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致反射光線發(fā)生變化,從而影響截?cái)嘁蜃?。為了研究這些幾何量對(duì)截?cái)嘁蜃佑绊懗潭?需要建立數(shù)學(xué)模型,分析截?cái)嘁蜃优c這些幾何量之間的關(guān)系。首先,由托片位置和托平面法向量擬合鏡面面形,然后由支撐點(diǎn)位置獲得吸熱管方程,并由旋轉(zhuǎn)軸的位置確定入射光線方向,最后通過(guò)光線追跡分析反射光線和截?cái)嘁蜃印?.1托片點(diǎn)坐標(biāo)為x聯(lián)立首先,構(gòu)建如圖3所示的世界坐標(biāo)系Oxyz。設(shè)鏡面方程為設(shè)托片支撐點(diǎn)第i點(diǎn)坐標(biāo)為(x聯(lián)立,得到方程AP=B,從而得到由式(5)可以確定鏡面方程的系數(shù),從而得到鏡面方程。得到面形之后,就可以對(duì)反射光線進(jìn)行建模和分析。2.2兩個(gè)平面擬合問(wèn)題設(shè)吸熱管中心軸線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)為(x令y由此可以將空間非線性擬合問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)平面的線性擬合問(wèn)題。設(shè)吸熱管支撐點(diǎn)坐標(biāo)為(x由式(9)可確定吸熱管中心軸線的方向向量2.3拋物鏡面反射到吸熱管上槽式太陽(yáng)能鏡面光線反射原理見(jiàn)圖4。光線入射到拋物鏡面,經(jīng)由鏡面反射到吸熱管上。圖4中,設(shè)旋轉(zhuǎn)軸中心軸線與y軸的夾角為θ可得反射光線方向向量為2.4入射光線條的確定反射光線與吸熱管中心軸線之間的距離d為式中,待確定所有反射光線與吸熱管中心軸線間的距離后,統(tǒng)計(jì)截?cái)嗑嚯x小于吸熱管半徑的反射光線條數(shù),并且除以總的入射光線數(shù)目,得到截?cái)嘁蜃应谩?.5入射光線距離的測(cè)定由托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的托平面法向量擬合出拋物鏡面f(x,y,z),再由吸熱管支撐點(diǎn)坐標(biāo)擬合出吸熱管中心軸線。向鏡面投射大量入射光線,計(jì)算反射光線與吸熱管中心軸線之間的距離,統(tǒng)計(jì)該距離小于吸熱管半徑的反射光線條數(shù),計(jì)算截?cái)嘁蜃印Ｔ诓凼教?yáng)能支架待測(cè)幾何量上疊加誤差,按照上述方法,進(jìn)行大量仿真試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析在截?cái)嘁蜃哟笥?.95的情況下,各待測(cè)幾何量的最大容許誤差,結(jié)果見(jiàn)表1。這些幾何量的最大容許誤差為后續(xù)測(cè)量附件的設(shè)計(jì)提供了精度依據(jù)。3間接測(cè)量技術(shù)本文利用攝影測(cè)量法對(duì)槽式太陽(yáng)能支架進(jìn)行測(cè)量。攝影測(cè)量是一種高精度、非接觸、大尺寸的測(cè)量手段,它通過(guò)測(cè)量空間點(diǎn),間接實(shí)現(xiàn)對(duì)直線、平面等幾何量的測(cè)量,主要的技術(shù)包括相機(jī)標(biāo)定、像面目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量、目標(biāo)點(diǎn)匹配、三維建模和光束平差等過(guò)程。利用攝影測(cè)量法測(cè)量槽式太陽(yáng)能支架,需要設(shè)計(jì)相關(guān)測(cè)量附件,反映支架各待測(cè)幾何量,因此支架各幾何參量的最大容許誤差確定以后,就可以根據(jù)托片、吸熱管支撐架和旋轉(zhuǎn)軸的幾何結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)測(cè)量附件,然后確定附件的精度要求。3.1工件高差的確定式中,安全裕度A值按被測(cè)工件的尺寸公差來(lái)確定,A值可以取工件公差的1/10。安全裕度A相當(dāng)于測(cè)量中的不確定度(μ),其中含有計(jì)量器具的不確定度μ3.2設(shè)計(jì)測(cè)量附件根據(jù)攝影測(cè)量的特點(diǎn)以及槽式太陽(yáng)能支架各待測(cè)幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)量附件,然后依據(jù)支架各待測(cè)幾何量的最大容許誤差,分析相應(yīng)測(cè)量附件的加工精度。(1)托片支點(diǎn)和幾何量槽式太陽(yáng)能支架托片和托片測(cè)量附件分別見(jiàn)圖5。在托片測(cè)量附件上設(shè)計(jì)平鍵,與托片上的孔配合(見(jiàn)圖6)。附件邊緣的3個(gè)沉孔為標(biāo)志點(diǎn)定位孔,通過(guò)測(cè)量這3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo),可以確定托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)以及托片角度兩個(gè)幾何量。通過(guò)表1中托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)的最大容許誤差、附件誤差傳遞原理以及參考零件加工精度等級(jí),可得知托片測(cè)量附件的上下表面的平行度誤差為0.022mm,標(biāo)志點(diǎn)定位孔的位置度誤差為0.09mm。(2)分別采用不同種類的對(duì)比，見(jiàn)表1槽式太陽(yáng)能支架吸熱管支撐架和吸熱管測(cè)量附件分別見(jiàn)圖7。吸熱管測(cè)量附件的安裝見(jiàn)圖8。標(biāo)志點(diǎn)插入圖中的標(biāo)志點(diǎn)定位孔中,通過(guò)該標(biāo)志點(diǎn)的圓心坐標(biāo)可以確定吸熱管支撐點(diǎn)坐標(biāo)(x(3)旋轉(zhuǎn)軸兩端測(cè)量附件的安裝槽式太陽(yáng)能支架旋轉(zhuǎn)軸兩端見(jiàn)圖9。旋轉(zhuǎn)軸兩端測(cè)量附件見(jiàn)圖10。旋轉(zhuǎn)軸兩端測(cè)量附件的安裝見(jiàn)圖11。標(biāo)志點(diǎn)插入圖中的標(biāo)志點(diǎn)定位孔,通過(guò)測(cè)量該標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)可以確定旋轉(zhuǎn)軸中心軸線上兩點(diǎn)坐標(biāo)(x由旋轉(zhuǎn)軸中心軸線上的兩個(gè)點(diǎn)(x4托片支點(diǎn)和托片角度誤差的測(cè)量待測(cè)量附件加工完成后,將附件安裝在槽式太陽(yáng)能支架上(見(jiàn)圖12)。精度評(píng)價(jià)的基本思路:分別利用攝影測(cè)量和激光跟蹤儀兩種方法對(duì)槽式太陽(yáng)能支架進(jìn)行測(cè)量,將兩種方法的測(cè)量結(jié)果通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,在圖3所示的世界坐標(biāo)系下對(duì)比兩種方法的測(cè)量精度。托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)誤差和托片角度誤差結(jié)果見(jiàn)表2。利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,將表1中托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)誤差轉(zhuǎn)換到圖3所示的世界坐標(biāo)系下,可知托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)在x、y、z軸方向的最大容許誤差分別為±1.7mm、±1.5mm和±0.28mm。由表2可知,托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)和托片角度誤差的最大值均小于對(duì)應(yīng)的最大容許誤差,說(shuō)明攝影測(cè)量法滿足測(cè)量要求。對(duì)圖12所示的槽式太陽(yáng)能支架模型測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,利用本文提出的模型分析該支架集熱器的截?cái)嘁蜃?并分析支架待測(cè)幾何量的誤差。經(jīng)過(guò)計(jì)算,該槽式太陽(yáng)能集熱器的截?cái)嘁蜃訛?.12,支架待測(cè)幾何量的誤差值見(jiàn)表3。圖14和圖15分別為擬合的拋物鏡面、吸熱管以及反射光線的示意圖。由表3可知,該支架待測(cè)幾何量誤差較大,如托片支撐點(diǎn)坐標(biāo)的最大誤差值達(dá)到了17.827mm,導(dǎo)致截?cái)嘁蜃有∮?.95,顯然不符合要求。為了驗(yàn)證攝影測(cè)量法能夠?yàn)椴凼教?yáng)能支架的加工和安裝以及檢測(cè)提供理論依據(jù)與指導(dǎo),根據(jù)上述幾何量誤差,對(duì)支架各待測(cè)幾何量進(jìn)行多次調(diào)節(jié),使得這些值更接近理想值。其中一次調(diào)節(jié)后的幾何量誤差值見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)計(jì)算,此時(shí)該槽式太陽(yáng)能集熱器的截?cái)嘁蜃訛?.64,因此通過(guò)攝影測(cè)量法能夠指導(dǎo)支架的調(diào)節(jié),并提高槽式太陽(yáng)能集熱器的性能。結(jié)果表明攝影測(cè)量法能夠?yàn)椴凼教?yáng)能支架的加工和安裝以及檢測(cè)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。5支架測(cè)量精度分析建立了影響槽式太陽(yáng)能截?cái)嘁蜃拥闹Ъ軒缀瘟康臄?shù)學(xué)模型,并通過(guò)大量仿真試驗(yàn)分析了在截?cái)嘁蜃哟笥?.95的情況下,槽式太陽(yáng)能支架待測(cè)幾何量的精度要求,然后設(shè)計(jì)出槽式太陽(yáng)能支架幾何量測(cè)量附件,根據(jù)幾何量最大容許誤差和誤差傳遞原理,分析了測(cè)量附件的加工精度。利用攝影測(cè)量法對(duì)槽式太陽(yáng)能支架進(jìn)行測(cè)量,然后利用激光跟蹤儀對(duì)攝影測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果顯示利用攝影測(cè)量法測(cè)量支架的點(diǎn)位誤差在x、y、z三個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.140mm、0.083mm、0.102mm,角度誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.144°。對(duì)攝影測(cè)量法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到支架待測(cè)幾何量誤差,并根據(jù)這些幾何