一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统、方法及设备与流程

2021-03-11 08:03:59|

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[0001]
本发明属于太阳能热发电技术领域，涉及一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统、方法及设备。

背景技术：

[0002]
目前投入商业应用的抛物面集热器槽式太阳能光热电站中，在集热器安装完毕后，需要根据集热管拦截率对跟踪参数进行校正，使集热器能够工作在最佳状态上。现行的检测方法需要设置复杂且昂贵的光学检测装置对集热管拦截率进行检测，其综合成本过高使得其不利于工程中的大规模应用。
[0003]
常规的做法为通过现场技术人员进行目测的方式依靠经验进行调节，这种模式存在以下两方面的问题：1.检测时集热管需处于跟踪太阳的状态，此时太阳光聚焦在集热管处，设置参照物较为困难，使得测量结果难以进行量化；2.对集热管拦截率的调整精度往往达到0.1
°
级别，依靠目测进行调整的方式使得其精确性难以保证，同时也不利于技术推广应用。

技术实现要素：

[0004]
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统、方法及设备；考虑在实际槽式抛物面集热器拦截率检测过程中无法设置参照物、拦截率难以量化以及推广应用困难的情况，提出一种易于制作的、可重复利用的检测装置以及基于该检测装置的一套拦截率计算方法。
[0005]
本发明是通过以下技术方案来实现：一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，包括遮光板、图像获取模块、图像处理模块和数据处理模块，遮光板中部开设通孔，通孔的直径大于集热管的外径，遮光板上设有辅助参考线，辅助参考线包括一组公共点为集热管中心的间隔为预设角度的共点射线、外圆和内圆，外圆和内圆中间的环形部分为检测区域；遮光板安装在集热管支架上，遮光板与集热管的轴线垂直，图像获取模块用于采集遮光板表面的斜向视图；图像处理模块用于将遮光板表面的斜向视图通过图像仿射变换调整为正视图；对所述遮光板的正视图进行区域分割，得到入射区域图像和溢出区域，图像数据处理模块用于分析入射区域和溢出区域图像，得到入射区域亮度序列和溢出区域亮度序列，求取环境亮度区域内所有像素亮度值的平均值，根据拦截率计算公式对集热管拦截率进行计算。
[0006]
遮光板上开设矩形槽，矩形槽的宽度与集热管的外径相同；矩形槽中嵌入辅助挡板，辅助挡板与矩形槽的连接处设置限位结构。
[0007]
辅助挡板和矩形槽连接处开设定位孔，定位孔中设置固定卡扣，固定卡扣的表面设置有定位销，定位销插入定位孔中。
[0008]
遮光板的下部与集热管支架通过螺栓连接。
[0009]
一种槽式抛物面集热器拦截率检测方法，包括以下步骤：
[0010]
s1、获取由图像检测装置采集到的遮光板表面的斜向视图，根据第一定值对其进行图像仿射变换得到遮光板正视图；
[0011]
第一定值为图像采集装置相对于遮光板中心的相对坐标，其包含水平距离，垂直距离和沿集热管方向的轴向距离，为仿射变换模块的输入参数；
[0012]
s2、对所述遮光板正视图进行区域分割，得到入射区域图像和溢出区域图像；
[0013]
s3、借助图像hsv分析算法，分别分析入射区域和溢出区域图像，得到入射区域亮度序列和溢出区域亮度序列；
[0014]
s4、对入射区域亮度序列和溢出区域亮度序列分别进行数据处理；根据预设的门限值，将亮度序列内亮度值低于门限值的像素点亮度值标记为环境亮度，高于门限值的像素点亮度值标记为有效亮度；求取环境亮度区域内所有像素亮度值的平均值，记为l
sur
；
[0015]
s5、基于对拦截率进行计算如下：
[0016]
集热管拦截率int的计算方法为：
[0017][0018]
采集图像获取方法如下：
[0019]
在集热管轴向固定位置设置一台高分辨率图像采集装置，对遮光板进行拍摄，获取遮光板表面的斜向视图；记录图像采集装置与集热管之间的相对坐标。
[0020]
s2中，以遮光板上辅助参考线中内圆和外圆为分界线对遮光板正视图进行分割，内圆和外圆之间的区域为有效检测区域，有效检测区域上半部为溢出光线检测区域，下半部为入射光线检测区域。
[0021]
s3中，采取hsv分析法对图像内所有像素点进行分析，得到所有像素点的亮度值，亮度值范围为0-255，形成所有像素点的亮度序列。
[0022]
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如槽式抛物面集热器拦截率检测方法的步骤。
[0023]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现槽式抛物面集热器拦截率检测方法的步骤。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0025]
本发明提供一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，通过垂直于集热管设置的漫反射遮光板，使得集热器镜面反射到集热管上的光线和未被集热管拦截的光线能够清晰的投影在遮光板上进行显示，在不架设复杂的光学检测装置的情况下对集热器拦截率进行检测；检测系统主体结构为由矩形漫反射表面金属板制成的遮光板，其表面绘制参考线用于辅助判断拦截率，以克服拦截率难以量化的问题；进一步基于该检测装置，本发明提供的检测系统中遮光板和辅助挡板制作简单，材料易于获得且可重复利用；
[0026]
基于本发明所述系统的检测方法，获取遮光板及辅助挡板上投影的图像，通过在遮光板上设置内圆和外圆对图像进行分割的方式减弱在集热管洁净度较低的情况下反光
对于测量结果的影响；通过在数据处理环节中引入环境光强度对像素点进行区分的方式减弱环境光对结果的影响，采用本方法后，可有效提升槽式抛物面集热器的施工效率和运行精度；检测方法计算步骤简单，可在不进行大量计算的情况下较为准确的获得集热管拦截率；因此，本发明较为适合在工程中进行应用，可有效提高施工效率并间接提高集热器集热效率，同时，估算和精确计算两种方法可以满足大部分工程中的精度要求；可以在不依靠复杂且昂贵的光学装置的情况下对集热管拦截率进行较为精确的检测。
附图说明
[0027]
图1为本发明实施例中拦截率检测装置遮光板加工示意图。
[0028]
图2为本发明实施例中拦截率检测装置辅助挡板加工示意图。
[0029]
图3为本发明实施例中拦截率检测装置固定卡扣加工示意图。
[0030]
图4为本发明实施例中拦截率检测装置装配示意图。
[0031]
图5为本发明实施例中拦截率检测装置固定示意图。
[0032]
图6为本发明实施例中拦截率检测方法图像处理模块结构图。
[0033]
图7为本发明实施例中拦截率检测方法数据处理模块结构图。
[0034]
附图中，1-遮光板，2-辅助挡板，3-定位孔，4-固定卡扣，5-集热管支架，6-集热管，11-矩形槽，12-共点射线，13-外圆，14-内圆。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0036]
参阅图1，一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，包括遮光板1、辅助挡板2和固定卡扣，遮光板1采用漫反射表面矩形金属板制成，遮光板1中部开设通孔，通孔的直径大于集热管6的外径，其表面绘制辅助参考线，遮光板1上开设矩形槽11，矩形槽11中嵌入辅助挡板2，辅助挡板2和矩形槽11连接处开设定位孔3，定位孔3中设置定位销或螺钉，固定卡扣4上开设定位孔，固定卡扣4设置在辅助挡板2和矩形槽连接处，固定卡扣4用于连接遮光板1和辅助挡板2，还用于连接遮光板1、辅助挡板2和集热管支架5。
[0037]
具体的，辅助参考线采用漫反射耐高温涂料进行绘制，辅助参考线包括一组公共点为集热管中心的间隔为5
°
的共点射线12、外圆13和内圆14，外圆13和内圆14中间的环形部分为检测区域。
[0038]
参阅图2，一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，其辅助挡板2与遮光板1同材质，用以将遮光板1固定在集热管及其支架上。
[0039]
参阅图3，一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，辅助挡板2和遮光板1的连接处的同一位置均至少开设两个定位孔3，并通过固定卡扣4将遮光板和辅助挡板连接，作为可选的实施例，底部的定位孔还用于将辅助挡板2和遮光板1与集热管支架5连接。
[0040]
参阅图4，一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，辅助挡板2和遮光板1垂直于集热管安装，使得遮光板1、辅助挡板2、集热管6的截面共同构成一个完整的矩形。
[0041]
参阅图5，一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，其固定方式为利用卡扣及定位孔3，定位孔3中设置定位销或螺栓将检测装置固定在集热管支架5上。
[0042]
具体实施如下：
[0043]
步骤1，在集热管垂面处设置固定的拦截率检测装置对集热器反射光线进行拦截，经过检测装置拦截后，被集热管吸收的光线和溢出的光线可在遮光板上进行观测；
[0044]
具体的，在遮光板上对集热管吸收和溢出的光线进行观测的方法为：遮光板由漫反射表面矩形金属板制成，垂直于集热管进行固定，集热器反射到集热管处的遮光板上被拦截，在遮光板处形成反射光线的投影。
[0045]
步骤2，于遮光板表面绘制拦截率辅助参考线，用于辅助判断集热管拦截光线和溢出光线与集热管的相对位置；
[0046]
具体的，绘制的拦截率参考线为一组均匀分布的同心射线，用于辅助判断集热管拦截光线和溢出光线与集热管的相对位置，其公共点为集热管中心线；
[0047]
步骤3，通过辅助挡板对遮光板进行固定，使其不发生相对位移；遮光板进行固定的方式为：通过卡扣连接辅助挡板与遮光板，并使其固定在集热器支架上；
[0048]
步骤4，使集热器处于自动跟踪状态，沿集热管轴向观察遮光板上反射光线的投影，对集热器拦截率进行估算。
[0049]
具体的，步骤4中根据参考坐标系对集热管拦截率进行估算的方法如下：
[0050]
步骤4.1，将遮光板通过辅助挡板及固定卡扣固定在集热管及集热管支架上，调整辅助挡板及卡扣位置使集热管支架中心线和遮光板中心线相重合，锁紧固定卡扣使遮光板与集热管不发生相对位移；
[0051]
步骤4.2，使集热器进入跟踪太阳的工作模式；
[0052]
步骤4.3，集热器正对太阳之后，记录遮光板下部入射光斑边界两侧坐标，分别记为in1和in2，记录遮光板上部溢出光斑在参考线中的宽度，记为ov，对比入射光斑和溢出光斑的亮度得到校正系数cor；
[0053]
步骤4.4，当前角度下集热管的拦截率int计算方法为：
[0054][0055]
步骤5、通过图像采集装置获取反射光线在遮光板及辅助挡板上投影的图像；具体的，采集图像的方法如下：
[0056]
在集热管轴向固定位置设置一台高分辨率图像采集装置，对遮光板进行拍摄，获取遮光板表面的斜向视图；记录图像采集装置与集热管之间的相对坐标；
[0057]
步骤6、根据步骤5中获取的投影图像，基于图像处理技术对集热管拦截率进行精确计算；
[0058]
依据图像采集装置与集热管间相对坐标，对s5中采集到的图像进行仿射变换，得到遮光板正视图；
[0059]
对遮光板正视图进行区域分割，得到入射光线检测区域图像和溢出光线检测区域图像；
[0060]
检测区域为遮光板内圆和外圆之间的区域，检测区域上半部为溢出光线检测区域，下半部为入射光线检测区域；
[0061]
遍历溢出光线检测区域及入射光线检测区域所有像素点，对其进行hsv分析，得到其中各个像素的亮度值，亮度值范围为0～255；
[0062]
对溢出光线区域和入射光线区域的亮度序列进行判断，如亮度值高于设定阈值，则判断其为有效检测区域，小于该阈值的区域为环境亮度区域；
[0063]
求取环境亮度区域内所有像素亮度值的平均值，记为l
sur
；
[0064]
集热管拦截率int的计算方法为：
[0065][0066]
其中，l
out,i
和l
in,j
分别为溢出区域和入射区域各像素点的亮度值，m为溢出区域像素点的个数，n为入射区域像素点的个数。
[0067]
参阅图6，一种槽式抛物面集热器拦截率检测方法，图像处理包括以下步骤：
[0068]
s1、获取由图像检测装置采集到的遮光板表面的斜向视图，对其进行图像仿射变换得到遮光板正视图；
[0069]
第一定值为图像采集装置相对于遮光板中心的相对坐标，其包含水平距离，垂直距离和沿集热管方向的轴向距离，为仿射变换模块的输入参数；
[0070]
s2、对所述遮光板正视图进行区域分割，得到入射区域图像和溢出区域图像。
[0071]
具体的，以遮光板上辅助参考线中内圆和外圆为分界线对遮光板正视图进行分割，内圆和外圆之间的区域为有效检测区域，有效检测区域上半部为溢出光线检测区域，下半部为入射光线检测区域；
[0072]
s3、借助图像hsv分析算法，分别分析入射区域和溢出区域图像，得到入射区域亮度序列和溢出区域亮度序列。
[0073]
具体的，采取hsv分析法对图像内所有像素点进行分析，得到所有像素点的亮度值，亮度值范围为0-255，形成所有像素点的亮度序列。
[0074]
参阅图7，一种槽式抛物面集热器拦截率检测方法，数据处理包括以下步骤：
[0075]
a、对入射区域亮度序列和溢出区域亮度序列分别进行数据处理，以消除环境光对测量结果的影响；
[0076]
具体的，数据处理的方法为：根据预设的门限值，将亮度序列内亮度值低于门限值的像素点亮度值标记为环境亮度，高于门限值的像素点亮度值标记为有效亮度。
[0077]
第二定值为数据处理过程中的门限值，其为有效检测区域内环境亮度值，由于正常情况下入射光线和反射光线亮度与环境亮度有明显的区别，因此第二定值根据目测选取。
[0078]
b、根据拦截率计算公式对拦截率进行计算。
[0079]
具体的，集热管拦截率int计算公式如下：
[0080]
求取标记为环境亮度的所有像素亮度值的平均值，记为l
sur
；
[0081]
[0082]
其中，l
out,i
和l
in,j
分别为溢出区域和入射区域各像素点的亮度值，m为溢出区域像素点的个数，n为入射区域像素点的个数。
[0083]
本发明提供的一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，采用遮光板对集热器镜面反射的光线进行投影，使集热器反射的太阳光线中，被集热管捕获的光线和溢出的光线能够在遮光板上清晰的显示，在不需要增加专业检测设备的情况下可对集热管拦截率进行直观的观测。同时，为了能够对集热管拦截率进行量化，提供了一种基于拦截率检测装置的计算方法，在遮光板上设置辅助参考线，可通过观测反射光线投影在辅助参考线坐标系内位置的方法对集热管拦截率进行估算；进一步，通过对遮光板进行图像拍摄后进行图像处理的方式可以实现对集热管拦截率较为精确的计算。
[0084]
本发明提供的装置和方法具有材料易于获取、制作简单且可重复利用的特点，同时基于图像处理的检测方法又可以对集热管拦截率进行精确计算，保证结果的准确性。本成果可直接应用于采用槽式抛物面集热器的光热电站建设及运维过程中，降低检测成本并有效提高集热器工作效率。
[0085]
本发明公开一种槽式抛物面集热器拦截率检测系统，包括遮光板、辅助挡板及固定卡扣加工示意图，包括检测装置装配示意图和固定示意图。检测方法包括图像处理模块和数据处理模块。通过检测装置对集热器反射的光线进行投影从而对集热管拦截效率进行观测；通过辅助参考线对集热管拦截率进行量化；进一步通过图像处理的方法对拦截率进行精确计算。本发明提供了一种实际应用中兼顾实施难度和精确度的集热器拦截率检测方法。
[0086]
拦截率计算方法可以在估算和精确计算两种情况下对集热管拦截率进行量化分析；本发明提供的检测方法分为目测估计和图像识别精确计算两种方式，可根据实际使用中不同精度要求的场合进行选择，适应性较强。
[0087]
本发明实例提供的槽式抛物面集热器拦截率检测系统及方法，比较适合应用于采用槽式抛物面集热器的光热电站。
[0088]
本发明槽式抛物面集热器拦截率检测方法可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明槽式抛物面集热器拦截率检测方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0089]
基于这样的理解，在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于该计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信
号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(mo)等)、光学存储器(例如cd、dvd、bd、hvd等)、以及半导体存储器(例如rom、eprom、eeprom、非易失性存储器(nandflash)、固态硬盘(ssd))等。
[0090]
在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述槽式抛物面集热器拦截率检测方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor、dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0091]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

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