基于摄影测量技术的大型槽式太阳能聚热器支架几何量测量

基于摄影测量技术的大型槽式太阳能聚热器支架几何量测量

1吸热管表面玻璃罩透射率计算电力是人类生存的基础。随着社会的发展，人们对能源的要求越来越高。太阳能作为一种清洁、绿色的能源,得到了广泛应用。太阳能发电技术主要分为槽式、塔式、碟式和菲涅尔式四种,其中槽式太阳能热发电技术最成熟、最具商业化运行条件式中,ρ为抛物镜面反射率;γ为集热器的截断因子;α为吸热管表面涂层吸收率;τ为吸热管表面玻璃罩透射率。由式(1)可知,槽式太阳能热发电效率取决于四个影响因素,当集热器的材料属性确定后,抛物镜面反射率、吸热管表面涂层吸收率、吸热管表面玻璃罩透射率也就确定,因而在后期的装配运行中,影响槽式太阳能热发电效率的因素只有集热器的截断因子γ,而一个聚光良好的槽式太阳能集热器,其截断因子应保证在0.95以上对于槽式太阳能集热器来说,截断因子的影响因素主要是镜面面形和支架精度。在过去的几十年中,人们提出了大量测量镜面面形的方法。1996年,JonesS.A.等目前,支架测量中技术较为成熟的是德国航空航天中心(DLR)研制出的专门针对槽式太阳能集热器面形以及支架的摄影测量系统QFoto系统为了对槽式太阳能支架的加工、安装以及检测提供理论模型和测量方法,本文利用摄影测量法对支架进行测量。通过构建数学模型,分析槽式太阳能待测几何量对截断因子的影响程度,并设计测量附件,利用摄影测量法对槽式太阳能支架进行测量。2支架几何量的影响槽式太阳能支架由扭力盒(内含旋转轴)、悬臂梁(内含托片)和吸热管支撑架组成(见图1和图2)。吸热管固定在吸热管支撑架上,反射镜固定在托片上,并将光线汇聚到吸热管上,传动机构带动支架旋转,实现反射镜追日。影响槽式太阳能聚热效率的支架几何量为:托片支撑点坐标、托片角度、吸热管位置和方向、旋转轴位置和方向。托片支撑点坐标和托片角度直接影响镜面的位置和曲率,导致反射光线发生变化;吸热管支撑点坐标直接影响吸热管的位置,导致部分光线无法反射到吸热管上;当旋转轴的位置和方向改变时,入射光线的入射角度会发生变化,导致反射光线发生变化,从而影响截断因子。为了研究这些几何量对截断因子影响程度,需要建立数学模型,分析截断因子与这些几何量之间的关系。首先,由托片位置和托平面法向量拟合镜面面形,然后由支撑点位置获得吸热管方程,并由旋转轴的位置确定入射光线方向,最后通过光线追迹分析反射光线和截断因子。2.1托片点坐标为x联立首先,构建如图3所示的世界坐标系Oxyz。设镜面方程为设托片支撑点第i点坐标为(x联立,得到方程AP=B,从而得到由式(5)可以确定镜面方程的系数,从而得到镜面方程。得到面形之后,就可以对反射光线进行建模和分析。2.2两个平面拟合问题设吸热管中心轴线上任一点的坐标为(x令y由此可以将空间非线性拟合问题转化为两个平面的线性拟合问题。设吸热管支撑点坐标为(x由式(9)可确定吸热管中心轴线的方向向量2.3抛物镜面反射到吸热管上槽式太阳能镜面光线反射原理见图4。光线入射到抛物镜面,经由镜面反射到吸热管上。图4中,设旋转轴中心轴线与y轴的夹角为θ可得反射光线方向向量为2.4入射光线条的确定反射光线与吸热管中心轴线之间的距离d为式中,待确定所有反射光线与吸热管中心轴线间的距离后,统计截断距离小于吸热管半径的反射光线条数,并且除以总的入射光线数目,得到截断因子γ。2.5入射光线距离的测定由托片支撑点坐标和对应的托平面法向量拟合出抛物镜面f(x,y,z),再由吸热管支撑点坐标拟合出吸热管中心轴线。向镜面投射大量入射光线,计算反射光线与吸热管中心轴线之间的距离,统计该距离小于吸热管半径的反射光线条数,计算截断因子。在槽式太阳能支架待测几何量上叠加误差,按照上述方法,进行大量仿真试验,统计分析在截断因子大于0.95的情况下,各待测几何量的最大容许误差,结果见表1。这些几何量的最大容许误差为后续测量附件的设计提供了精度依据。3间接测量技术本文利用摄影测量法对槽式太阳能支架进行测量。摄影测量是一种高精度、非接触、大尺寸的测量手段,它通过测量空间点,间接实现对直线、平面等几何量的测量,主要的技术包括相机标定、像面目标点测量、目标点匹配、三维建模和光束平差等过程。利用摄影测量法测量槽式太阳能支架,需要设计相关测量附件,反映支架各待测几何量,因此支架各几何参量的最大容许误差确定以后,就可以根据托片、吸热管支撑架和旋转轴的几何结构,设计测量附件,然后确定附件的精度要求。3.1工件高差的确定式中,安全裕度A值按被测工件的尺寸公差来确定,A值可以取工件公差的1/10。安全裕度A相当于测量中的不确定度(μ),其中含有计量器具的不确定度μ3.2设计测量附件根据摄影测量的特点以及槽式太阳能支架各待测几何结构设计相应的测量附件,然后依据支架各待测几何量的最大容许误差,分析相应测量附件的加工精度。(1)托片支点和几何量槽式太阳能支架托片和托片测量附件分别见图5。在托片测量附件上设计平键,与托片上的孔配合(见图6)。附件边缘的3个沉孔为标志点定位孔,通过测量这3个标志点坐标,可以确定托片支撑点坐标以及托片角度两个几何量。通过表1中托片支撑点坐标的最大容许误差、附件误差传递原理以及参考零件加工精度等级,可得知托片测量附件的上下表面的平行度误差为0.022mm,标志点定位孔的位置度误差为0.09mm。(2)分别采用不同种类的对比，见表1槽式太阳能支架吸热管支撑架和吸热管测量附件分别见图7。吸热管测量附件的安装见图8。标志点插入图中的标志点定位孔中,通过该标志点的圆心坐标可以确定吸热管支撑点坐标(x(3)旋转轴两端测量附件的安装槽式太阳能支架旋转轴两端见图9。旋转轴两端测量附件见图10。旋转轴两端测量附件的安装见图11。标志点插入图中的标志点定位孔,通过测量该标志点的坐标可以确定旋转轴中心轴线上两点坐标(x由旋转轴中心轴线上的两个点(x4托片支点和托片角度误差的测量待测量附件加工完成后,将附件安装在槽式太阳能支架上(见图12)。精度评价的基本思路:分别利用摄影测量和激光跟踪仪两种方法对槽式太阳能支架进行测量,将两种方法的测量结果通过坐标转换,在图3所示的世界坐标系下对比两种方法的测量精度。托片支撑点坐标误差和托片角度误差结果见表2。利用坐标转换,将表1中托片支撑点坐标误差转换到图3所示的世界坐标系下,可知托片支撑点坐标在x、y、z轴方向的最大容许误差分别为±1.7mm、±1.5mm和±0.28mm。由表2可知,托片支撑点坐标和托片角度误差的最大值均小于对应的最大容许误差,说明摄影测量法满足测量要求。对图12所示的槽式太阳能支架模型测量数据进行处理,利用本文提出的模型分析该支架集热器的截断因子,并分析支架待测几何量的误差。经过计算,该槽式太阳能集热器的截断因子为0.12,支架待测几何量的误差值见表3。图14和图15分别为拟合的抛物镜面、吸热管以及反射光线的示意图。由表3可知,该支架待测几何量误差较大,如托片支撑点坐标的最大误差值达到了17.827mm,导致截断因子小于0.95,显然不符合要求。为了验证摄影测量法能够为槽式太阳能支架的加工和安装以及检测提供理论依据与指导,根据上述几何量误差,对支架各待测几何量进行多次调节,使得这些值更接近理想值。其中一次调节后的几何量误差值见表4。经过计算,此时该槽式太阳能集热器的截断因子为0.64,因此通过摄影测量法能够指导支架的调节,并提高槽式太阳能集热器的性能。结果表明摄影测量法能够为槽式太阳能支架的加工和安装以及检测提供理论依据和指导。5支架测量精度分析建立了影响槽式太阳能截断因子的支架几何量的数学模型,并通过大量仿真试验分析了在截断因子大于0.95的情况下,槽式太阳能支架待测几何量的精度要求,然后设计出槽式太阳能支架几何量测量附件,根据几何量最大容许误差和误差传递原理,分析了测量附件的加工精度。利用摄影测量法对槽式太阳能支架进行测量,然后利用激光跟踪仪对摄影测量的结果进行评估,结果显示利用摄影测量法测量支架的点位误差在x、y、z三个方向的标准差分别为0.140mm、0.083mm、0.102mm,角度误差的标准差为0.144°。对摄影测量法得到的数据进行分析,得到支架待测几何量误差,并根据这些几何