申请/专利权人：浙江工业大学

申请日：2017-02-28

公开（公告）日：2017-07-14

公开（公告）号：CN106950036A

主分类号：G01M11/02(2006.01)I

分类号：G01M11/02(2006.01)I

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2019.05.31#授权;2017.08.08#实质审查的生效;2017.07.14#公开

摘要：一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法，包括以下步骤：1以分段拟合的方式对相机像素响应进行校准；2拍摄碟面汇聚阳光产生的光斑图像；3根据拟合的相机响应曲线对图像进行校准；4估算光斑的照度分布；5估算光斑的能量密度分布；6根据聚光的效率、光斑的形状、大小和分布均匀性判断光斑的质量，在加热头区域内，各像素位置上对应的辐射功率与区域内平均功率的差值不能过大，当其大于设定阈值时，则认为能量分布不均匀。本发明提供了一种有效检测碟式Stirling太阳能聚光质量、安全性高、可信性较高的碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法。

主权项：一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：1以分段拟合的方式对相机像素响应进行校准校准的设备为一台可由电脑控制亮度的LCD显示屏和相机，LCD屏幕显示的亮度与电脑的控制量间存在线性关系，校准过程为：电脑将屏幕的亮度分为256个梯度，并分别显示出来，操作人员设置相机参数与拍摄光斑图像时的参数一致后，拍摄每个梯度屏幕亮度图像；之后，将相机拍摄的图像亮度与电脑控制屏幕显示的亮度绘制成曲线，并在拐点处将其分为三段，然后分别以高阶方程对其进行拟合，至此完成了相机响应曲线的拟合；2拍摄碟面汇聚阳光产生的光斑图像；3根据拟合的相机响应曲线对图像进行校准在得到光斑图像后，根据步骤1中得到的相机响应曲线，将图像中的像素值映射到对应的亮度值上，即得到了新的光斑亮度分布图，此校准后的图片用于物体表面照度的估算；4估算光斑的照度分布光斑图片经相机响应校准后得到光斑亮度分布图片，亮度图中像素值与光斑表面辐照度成线性关系，设图片某处亮度值为i,其对应的光斑上的辐照度为I，则：I＝n×i其中，n为比例系数；5估算光斑的能量密度分布由物体表面辐射强度与辐照度的转化关系可知，设辐射强度为则其中，m为常数；设碟面单位面积上反射的太阳辐射强度为1000kW·m‑2；又因为碟面覆盖的总面积已知，所以计算出其反射的总辐射功率为M，则光斑上单个像素区域内的功率θ表示为：其中，i表示校准后的图片像素亮度；至此，光斑图像转化为功率分布图像；6根据聚光的效率、光斑的形状、大小和分布均匀性判断光斑的质量辐射功率分布图中，加热头区域内的辐射为有效辐射，其占总辐射量的比例，这里称之为碟面的聚光效率；辐射功率分布图的形状应与发动机加热头形状相似，过大或者过小都将影响聚光效率；在加热头区域内，各像素位置上对应的辐射功率与区域内平均功率的差值不能过大，当其大于设定阈值时，则认为能量分布不均匀。

全文数据：一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法技术领域本发明属于太阳能中聚光热发电领域，涉及碟式Stirling热发电技术中的聚光器技术方面，尤其是一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法。背景技术由于传统能源的不断消耗和空气的严重污染，太阳能以其清洁性和无穷性，受到了越来越多的关注。在多种太阳能利用技术中，碟式Stirling技术具有最高的光电转化效率。该技术利用巨型的抛物碟面汇聚平行其光轴的阳光于焦点附近，形成高能量密度的光斑，即辐射源，该辐射源作为Stirling发动机动力源推动其运转，发动机带动与其连接的发电机运转，进而实现光能到电能的转化。在此过程中，高质量的光斑是保证设备安全与高效运转的关键，因此，在设备投入使用前，碟面汇聚光斑的质量需要进行检测。光斑的质量主要由以下四个方面组成：聚光效率、光斑的形状、大小和能量密度分布的均匀性。聚光效率就是指经碟面汇聚的阳光辐射可有效用于发动机的比例，该参数决定了设备的光电转化的效率。光斑的形状和大小应该与发动机接收辐射的加热头的参数保持一致。光斑能量密度分布的均匀性直接决定了设备能否用于发电，不均匀的光斑将会导致发动机不能正常工作，甚至损毁设备。由于光斑温度较高，传统的接触式测量方式难以满足其质量的测量，所以它需要一种特殊的非接触式测量方式，以实现设备发电前的碟面聚光质量检测。发明内容为了克服已有技术无法有效检测碟式Stirling太阳能聚光质量的不足，本发明提供了一种有效检测碟式Stirling太阳能聚光质量、安全性高、可信性较高的碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法，包括以下步骤：1以分段拟合的方式对相机像素响应进行校准校准的设备为一台可由电脑控制亮度的LCD显示屏和相机，LCD屏幕显示的亮度与电脑的控制量间存在线性关系，校准过程为：电脑将屏幕的亮度分为256个梯度，并分别显示出来，操作人员设置相机参数与拍摄光斑图像时的参数一致后，拍摄每个梯度屏幕亮度图像；之后，将相机拍摄的图像亮度与电脑控制屏幕显示的亮度绘制成曲线，并在拐点处将其分为三段，然后分别以高阶方程对其进行拟合，至此完成了相机响应曲线的拟合；2拍摄碟面汇聚阳光产生的光斑图像3根据拟合的相机响应曲线对图像进行校准在得到光斑图像后，根据步骤1中得到的相机响应曲线，将图像中的像素值映射到对应的亮度值上，即得到了新的光斑亮度分布图，此校准后的图片用于物体表面照度的估算；4估算光斑的照度分布光斑图片经相机响应校准后得到光斑亮度分布图片，亮度图中像素值与光斑表面辐照度成线性关系，设图片某处亮度值为i,其对应的光斑上的辐照度为I，则：I＝n×i其中，n为比例系数；5估算光斑的能量密度分布由物体表面辐射强度与辐照度的转化关系可知，设辐射强度为则其中，m为常数；设碟面单位面积上反射的太阳辐射强度为1000kW·m-2；又因为碟面覆盖的总面积已知，所以计算出其反射的总辐射功率为M，则光斑上单个像素区域内的功率θ表示为：其中，i表示校准后的图片像素亮度；至此，光斑图像转化为功率分布图像；6根据聚光的效率、光斑的形状、大小和分布均匀性判断光斑的质量辐射功率分布图中，加热头区域内的辐射为有效辐射，其占总辐射量的比例，这里称之为碟面的聚光效率；辐射功率分布图的形状应与发动机加热头形状相似，过大或者过小都将影响聚光效率；在加热头区域内，各像素位置上对应的辐射功率与区域内平均功率的差值不能过大，当其大于设定阈值时，则认为能量分布不均匀。进一步，所述步骤2中，接收光斑的屏幕需要带有水冷系统，并预先架设在发动机位置上；相机需要预先设置拍摄参数，并加上中性滤光片，架设于光斑接收屏前方没有阳光照射到的支架上；图像的拍摄采用遥控的方式，在天气晴朗的条件下，操作人员控制碟面的追日系统运行，使得碟面正对太阳，平行于碟面光轴的阳光经碟面汇聚后投射到接收屏上，此时控制相机拍摄光斑图像。碟面的聚光质量检测是保证发电设备正常运行的重要步奏。如果碟面聚光质量合格，则设备可以直接用于发电。反之，聚光碟面需要进行重新调整或者替换部分组成镜面。但是由于被汇聚光斑温度较高，危险性较大，所以其质量难以采用接触式的方法进行直接测量，而需要一种特殊的非接触式测量方法。本发明，基于图像处理技术，提出了一种有效的非接触式光斑质量检测方法。该方法利用相机采集碟面汇聚光斑的图片，并通过相机响应曲线对图片进行校准，得到光斑亮度分布图，进而估算出光斑功率分布图。光斑的功率分布图可直接用于聚光效率、光斑形状、大小和能量分布均匀性的分析。至此，实现了碟面聚光质量的检测。本发明的有益效果主要表现在：通过带有水冷系统的平面接收碟面汇聚的光斑，通过遥控的方式控制相机拍摄光斑照片，安全性高。并且，该发明利用高质量LCD显示平面对相机的响应进行校准，以分段拟合的方式实现相机响应曲线的拟合，保证了光斑功率分布图估算的准确性。通过光斑功率分布图估算光斑的质量，该方法具有具有较高的可信性。附图说明图1是碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1，一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法，包括以下步骤：1以分段拟合的方式对相机像素响应进行校准相机的像素响应与被拍照物体表面的照度间存在非线性关系，因此，如果欲从图像的亮度来估算物体表面的照度，需要预先对相机的响应进行校准；采用分段拟合的方式实现此校准。校准的设备为一台可由电脑控制亮度的LCD显示屏和相机，该校准对LCD屏幕的质量有一定要求，即屏幕显示的亮度与电脑的控制量间存在线性关系，校准过程为：电脑将屏幕的亮度分为256个梯度，并分别显示出来，操作人员设置相机参数与拍摄光斑图像时的参数一致后，拍摄每个梯度屏幕亮度图像；之后，将相机拍摄的图像亮度与电脑控制屏幕显示的亮度绘制成曲线，并在拐点处将其分为三段，然后分别以高阶方程对其进行拟合，拟合方法为最小二乘法；常用的高阶方程为6阶；至此完成了相机响应曲线的拟合。2拍摄碟面汇聚阳光产生的光斑图像光斑的拍摄是一个相对复杂的过程，由于光斑的温度较高，该过程既需要考虑设备的安全问题，又需要考虑图片质量的问题；接收光斑的屏幕需要带有水冷系统，并预先架设在发动机位置上；相机需要预先设置拍摄参数，并加上中性滤光片，架设于光斑接收屏前方没有阳光照射到的支架上；图像的拍摄采用遥控的方式，在天气晴朗的条件下，操作人员控制碟面的追日系统运行，使得碟面正对太阳，平行于碟面光轴的阳光经碟面汇聚后投射到接收屏上，此时控制相机拍摄光斑图像；3根据拟合的相机响应曲线对图像进行校准在得到光斑图像后，根据步骤1中得到的相机响应曲线，将图像中的像素值映射到对应的亮度值上，即得到了新的光斑亮度分布图，此校准后的图片可直接用于物体表面照度的估算。4估算光斑的照度分布光斑图片经相机响应校准后得到光斑亮度分布图片，因为接受屏幕的材料与颜色一致，亮度图中像素值与光斑表面辐照度成线性关系。设图片某处亮度值为i,其对应的光斑上的辐照度为I，则：I＝n×i其中，n为比例系数，因接收屏表面的材料特性可认为一致，所以它可以近似为常数。5估算光斑的能量密度分布。由物体表面辐射强度与辐照度的转化关系可知，设辐射强度为则其中，m为常数。因为太阳辐射到地球表面的辐射强度为1000kW·m-2,所以这里设碟面单位面积上反射的太阳辐射强度为1000kW·m-2。又因为碟面覆盖的总面积已知，所以可以计算出其反射的总辐射功率为M。则光斑上单个像素区域内的功率可表示为：至此，光斑图像转化为了功率分布图像。6根据聚光的效率、光斑的形状、大小和分布均匀性判断光斑的质量Stirling发动机采用圆环型的加热头来接收太阳辐射，即只有被汇聚到加热头上的辐射能量才能被发动机利用；在辐射功率分布图中，加热头区域内的辐射为有效辐射，其占总辐射量的比例，这里称之为碟面的聚光效率；辐射功率分布图的形状应与发动机加热头形状相似，过大或者过小都将影响聚光效率；在加热头区域内，各像素位置上对应的辐射功率与区域内平均功率的差值不能过大，当其大于一定阈值时，则认为能量分布不均匀。碟面的聚光质量检测是保证发电设备正常运行的重要环节。如果碟面聚光质量合格，则设备可以直接用于发电。反之，聚光碟面需要进行重新调整或者替换部分组成镜面。但是，由于被汇聚光斑温度较高，危险性较大，其质量难以采用接触式的方法进行直接测量，而需要一种特殊的非接触式测量方法。本发明，基于图像处理技术，提出了一种有效的非接触式光斑质量检测方法。该方法利用相机采集碟面汇聚光斑的图片，并通过相机响应曲线对图片进行校准，得到光斑亮度分布图，进而估算出光斑功率分布图。光斑的功率分布图可直接用于碟面聚光效率、光斑形状、大小和能量分布均匀性的分析。至此，实现了碟面聚光质量的检测。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

权利要求：1.一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：1以分段拟合的方式对相机像素响应进行校准校准的设备为一台可由电脑控制亮度的LCD显示屏和相机，LCD屏幕显示的亮度与电脑的控制量间存在线性关系，校准过程为：电脑将屏幕的亮度分为256个梯度，并分别显示出来，操作人员设置相机参数与拍摄光斑图像时的参数一致后，拍摄每个梯度屏幕亮度图像；之后，将相机拍摄的图像亮度与电脑控制屏幕显示的亮度绘制成曲线，并在拐点处将其分为三段，然后分别以高阶方程对其进行拟合，至此完成了相机响应曲线的拟合；2拍摄碟面汇聚阳光产生的光斑图像；3根据拟合的相机响应曲线对图像进行校准在得到光斑图像后，根据步骤1中得到的相机响应曲线，将图像中的像素值映射到对应的亮度值上，即得到了新的光斑亮度分布图，此校准后的图片用于物体表面照度的估算；4估算光斑的照度分布光斑图片经相机响应校准后得到光斑亮度分布图片，亮度图中像素值与光斑表面辐照度成线性关系，设图片某处亮度值为i,其对应的光斑上的辐照度为I，则：I＝n×i其中，n为比例系数；5估算光斑的能量密度分布由物体表面辐射强度与辐照度的转化关系可知，设辐射强度为则其中，m为常数；设碟面单位面积上反射的太阳辐射强度为1000kW·m-2；又因为碟面覆盖的总面积已知，所以计算出其反射的总辐射功率为M，则光斑上单个像素区域内的功率θ表示为：其中，i表示校准后的图片像素亮度；至此，光斑图像转化为功率分布图像；6根据聚光的效率、光斑的形状、大小和分布均匀性判断光斑的质量辐射功率分布图中，加热头区域内的辐射为有效辐射，其占总辐射量的比例，这里称之为碟面的聚光效率；辐射功率分布图的形状应与发动机加热头形状相似，过大或者过小都将影响聚光效率；在加热头区域内，各像素位置上对应的辐射功率与区域内平均功率的差值不能过大，当其大于设定阈值时，则认为能量分布不均匀。2.如权利要求1所述的一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法，其特征在于：所述步骤2中，接收光斑的屏幕需要带有水冷系统，并预先架设在发动机位置上；相机需要预先设置拍摄参数，并加上中性滤光片，架设于光斑接收屏前方没有阳光照射到的支架上；图像的拍摄采用遥控的方式，在天气晴朗的条件下，操作人员控制碟面的追日系统运行，使得碟面正对太阳，平行于碟面光轴的阳光经碟面汇聚后投射到接收屏上，此时控制相机拍摄光斑图像。

百度查询： 浙江工业大学 一种碟式Stirling太阳能聚光质量检测方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD