一种太阳能聚光镜的激光检测与调试方法0601

一种太阳能聚光镜的激光检测与调试方法

匡荛1刘瑞媚1单雪舟1伍运1阳鹏2李桂生2刘明明2

1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China

2DepartmentofMathematics，SoutheastUniversity, Nanjing, 210096, China

摘要：太阳能用聚光镜在生产过程中需要检测其面型是否达到要求，以及在设计入射角下的焦斑尺寸和位置。在现场安装过程中需要把其焦斑调整到吸热器的设计位置。本文介绍了一种太阳能聚光镜的激光检测设备，简述了其检测原理，并详细介绍了检测设备的构造，及该设备应用于室内的激光检测方法和室外的工程现场聚光镜调试方法，并对这类设备的特点和应用范围进行了对比和总结。

关键词：太阳能；聚光镜；激光检测；镜组调试；

1引言

太阳能用聚光镜在生产过程中需要检测其面型是否达到要求，以及在设计入射角下的焦斑尺寸和位置；在现场安装过程中需要把其焦斑调整到吸热器的设计位置。为了满足这方面的要求，近几十年发展出了若干方法和设备，其中应用较多的包括VSHOT测量法[参考文献]、TARMES测量法[参考文献]、莫尔偏折测量法[参考文献]、摄影测量法[参考文献]和visfield方法[参考文献]。

VSHOT是一种用来检测太阳能聚光镜镜面光学性能的激光追溯系统，最初设计用来检测点聚焦的镜面，后来经改善也应用于槽式聚光镜。这种检测方法比较高效而且不需太多的人为监管。TARMES法通过记录集热管的轮廓映射在待测镜面上的位置信息得到镜面的当地斜率，从而得到高精度的面型误差。莫尔偏折法通过投射条纹图样在待测镜面上，根据记录下的条纹图样，进行后期数据处理，即可得到镜面当地特征，重构出镜面几何形状。

上述三种方法方法均通过测得实际镜面面型与设计的理想镜面面型进行比较，得到镜子的面型误差，从而判断出其光学性能是否合格。但三者都没有模拟出真实日光照射下通过镜面反射所得到的焦斑的具体形状，尺寸及相对位置。因此用于聚光镜组安装调试的现场指导并不方便。

摄影测量通过在不同摄影站对上对同一研究目标拍摄两张相片，构成立体像对，用两张相片上的同名像点的坐标求出他们所对应的空间物点的三维坐标。然而这种方法不得不在镜子表面放置一系列标志点以提供非反射表面，因此对于大型或大批量镜面的检测和焦斑调试来说是一种很耗时的方法。且这种方法需在测量后进行数据处理从而反映焦斑相对位置，具有较大滞后性，对于实时指导镜组的安装调试也不够方便。

VISfield , 一种可移动式光学检测系统，用于CSP太阳能现场的抛物线镜板的检验。它是一个车载的光学测量系统，通过检测集热管在抛物线模块的反射镜像的位置得到集热管和抛物线面板之间的相对位置关系，可以用于槽式太阳能电厂现场安装阶段的检测。这种方法操作简易，但从获取数据到计算后给出调整方案仍需花费大约两分钟，因此仍具有一定滞后性，且这种方法目前仅应用于槽式抛物面聚光系统，使用范围局限性较大。

结合以上检测方法及设备的特点，我们希望设计出这样一台聚光镜生产检测设备：能够直观看到在设计入射角下镜面焦斑的形状、尺寸和位置，用以迅速判断产品是否合格；能够将调试过程中焦斑的变化实时反映出来，用以指导设备的现场安装和调试。

2测试原理和设备

我们首先以线聚光镜为例，介绍检测和调试聚光镜的原理。

激光测试台的主要组成部分为激光头，横梁，支撑钢架，如图1所示。入射到镜面的太阳光是一组具有约0.53°夹角的光锥，光锥中心线相互平行。为模拟这样的入射光，我们采用一组间距相同且相互平行的线光源，每个光源均射出一面光幕，每个光幕与镜面的交线是一根直线段，所有直线段均与聚光镜的轴线平行。各光幕经聚光镜反射后汇聚在一个平面靶上，平面靶的轴线与聚光镜设计焦斑中轴线重合。如图1所示，平面靶上标有设计焦斑的形状、尺寸和位置参考轮廓线与刻度，通过简单地观察即可知道聚光镜的面型是否达到设计要求。在现场安装聚光镜的过程中，也可以根据焦斑形状、尺寸和位置的变化，直观地知道如何调整聚光镜的位置。

图1 聚光镜单镜检测与调试原理

线光源我们采用波长为658nm（红色）或者532nm（绿色）激光头，激光头顶部配上光栅，如图2所示，使最初为圆形的出射光斑，经过光栅滤过后变成长短轴差异极大的椭圆。设置横梁到聚光镜之间的合适距离，调整激光头内置透镜的焦距，使反射到聚光镜测试靶上的椭圆，其短轴长度不超过3mm，而长轴长度可达短轴长度的几百倍。因此，可近似认为这个椭圆是一根直线段，即可近似认为激光头射出的是一个扇形光幕。我们采用的红色激光头射出的光幕扇形角为35°。

图2 激光头构造

在一根横梁上等间距布置激光头，每个激光头配有独立的调节装置，可以使所有的激光头射出相互平行、间距相等的光幕。间距可以根据需要设置，我们设备采用的间距是50mm。横梁的长度须超过待测镜面的横截面宽度，设置横梁到聚光镜之间的合适距离，使扇形光幕在与聚光镜相交处的宽度超过待测镜面的轴向宽度，保证这组扇形光幕能够覆盖整个镜面，这样就可以同时观察整面镜子的焦斑几何特征。

3聚光镜生产检测

制作一个宽度超过横梁长度、表面平整的平面靶，用于将激光头射出的光幕调平行。在平面靶上画出一组平行的铅垂带，带宽3mm，相邻带的中轴线间距与横梁上激光头之间的间距相等。

为保证出射光幕与地面铅垂，必须调节激光头使其与横梁精确垂直。我们采用光学经纬仪来指导激光头位置调节，原理如图3所示。首先调整横梁一端的第一个激光头，在距离激光头5-10m处竖直放置平面靶，耙面铅垂于地面。将经纬仪三脚架置于横梁之上，利用光学对点器对中，保证经纬仪竖轴中心与激光头安装轴线位置位于同一铅垂线上，瞄准精度可达0.2mm。将横梁放置激光头的平面的另一端点作为目标点A，读出水平刻度盘读数，旋转90°后定出激光头位置C，用经纬仪望远镜的竖丝瞄准激光头在耙面上的投影，调整激光头的位置，直至使其光线与竖丝完全重合。