塔式太陽能熱發電中定日鏡的精度檢測方法

張旭中，李 偉，黃圓明，陳康立，劉文闖，朱正平

(1.浙江中控太陽能技術有限公司，杭州 310053；2.青海中控太陽能發電有限公司，德令哈 817000)

0 引言

定日鏡是塔式太陽能熱發電中將陽光反射到吸熱器上的重要設備，吸熱器工質吸收高倍聚焦的太陽能，并通過換熱器產生高溫高壓過熱蒸汽來推動汽輪機發電，從而將太陽能轉化為電能[1]。目前，塔式太陽能熱發電站中鏡場的規模通常在50 MW以上，定日鏡距離吸熱器的距離一般在幾百米到1000 m之間。由于反射距離太遠，對于定日鏡所應具有的跟蹤準確度及光斑大小都提出了很高的要求[2]。但由于電站中定日鏡的使用數量眾多，安裝環境的條件較差，因此很難保證定日鏡的精度檢測質量和檢測效率。本文結合筆者在塔式太陽能熱發電項目中的工作經驗，介紹了定日鏡關鍵零部件及其整體的精度檢測方法。

1 定日鏡關鍵零部件的精度檢測

定日鏡關鍵零部件的精度檢測主要包括對減速機、推桿(含電動及液壓推桿)的精度檢測。

1.1 減速機的精度檢測

1.1.1 檢測內容

在風抗條件下，減速機可靠的自鎖性能是保證定日鏡正常運行的前提之一；減速機可靠的剛性及傳動精度可保證定日鏡的跟蹤準確度。因此，需對減速機的自鎖性能、剛性和傳動精度進行檢測。

1.1.2 檢測設備

浙江中控太陽能技術有限公司(下文簡稱“中控太陽能”)設計了減速機測試工裝，可同時對減速機的自鎖性能、傳動精度及剛性進行測試。減速機測試工裝實物圖如圖1所示。

圖1 減速機測試工裝實物圖Fig.1 Product picture of slew drive test tooling

該測試工裝由液壓站、液壓缸、壓力傳感器、百分表、計算機及軟件組成。

1)液壓站：可提供連續穩定的高壓油。

2)液壓缸：輸出測試所需的動力源，工作壓力最高能達到20 MPa。

3)壓力傳感器：用于反饋液壓缸輸出力的大小，量程為2～10000 kg，精度等級為0.05%。

4)百分表：為電子百分表，記錄減速機的變形量或位移量，量程為0～25 mm，分辨率為0.01 mm。

5)計算機及軟件：用于控制負載的大小和方向，并自動讀取百分表數值，計算減速機相關精度參數。

1.1.3 檢測方法

1)減速機自鎖性能的檢測方法為：①將減速機安裝于減速機測試工裝上；②將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機外殼上的測試桿上，記錄百分表表頭到減速機中心的距離L；③按1 Hz頻率，在減速機輸出端施加沖擊力矩P，持續30 s；④沖擊完成后，從上位機讀取百分表上的位移讀數A；⑤根據式(1)計算減速機的自鎖性能Z1。

2)減速機傳動精度的檢測方法為：①將減速機安裝于減速機測試工裝上；②將減速機設置為初始狀態(0°狀態)；③將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機外殼上的測試桿上，記錄百分表表頭到回轉中心的距離L1-1；④在減速機殼體正方向施加負載力矩T，從上位機讀取百分表上的位移讀數A1-1，卸力后在減速機殼體反方向施加負載力矩T′(大小與T相同，方向相反)，從上位機讀取百分表上的位移讀數B1-1；⑤根據式(2)計算減速機0°狀態的蝸輪蝸桿側隙傳動精度；⑥撤離百分表，將減速機順時針轉動10°后重新打表，減速機轉動過程中對減速機施加與轉動方向相反的負載力矩T1，并保證百分表表頭到回轉中心的距離為L2-1，從上位機讀取百分表上的位移讀數A2-1；⑦將減速機再逆時針轉動10°，減速機轉動過程中對減速機施加與轉動方向相反的負載力矩T1′(大小與T1相同，方向相反)，從上位機讀取百分表上的位移讀數B2-1；⑧根據式(3)計算減速機0°狀態時的傳動精度S2-1；⑨將減速機輸出軸分別轉動至120°和240°，重復步驟③～⑧；⑩減速機在120°、240°狀態下的蝸輪蝸桿側隙傳動精度分別為S1-2、S1-3；? 減速機在 120°、240°狀態下的傳動精度分別為S2-2、S2-3；?減速機蝸輪蝸桿側隙傳動精度為(S1-1+S1-2+S1-3)/3，減速機傳動精度為(S2-1+S2-2+S2-3)/3。

3)減速機扭轉剛性的檢測方法為：①將減速機安裝于減速機測試工裝上；②將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機外殼上的測試桿上，記錄百分表表頭到減速機中心的距離L3-1；③正向施加扭矩T2，從上位機讀取百分表上的位移讀數A3-1；④同向施加扭矩至T3，從上位機讀取百分表上的位移讀數B3-1；⑤根據式(4)計算減速機扭轉剛性K1。

4)減速機傾覆剛性的檢測方法為：①將減速機安裝于減速機測試工裝上；②將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于減速機外殼上的測試桿上，記錄百分表表頭到回轉中心的距離L4-1；③在減速機上施加傾覆力矩m，從上位機讀取百分表上的位移讀數A4-1；④根據式(5)計算減速機傾覆剛性K2。

1.1.4 減速機檢測結果示例

當減速機在測試工裝上安裝完成后，減速機的檢測結果由測試軟件實時自動生成。在測試軟件中可設置參數和讀取測試數據，并進行圖像化處理。對4臺減速機進行測試，各項目的檢測數據如表1所示。

表1 4臺減速機各項目的檢測數據Table 1 Test data of each item of 4 reducers

表1中的數據全部由軟件自動完成，排除了人為誤差的影響，因此檢測結果準確可靠；且檢測時間較快，能夠在20 min內完成所有測試項的檢測。

1.2 推桿的精度檢測

1.2.1 檢測內容

推桿(包括電動及液壓推桿)的精度檢測主要包括自鎖性能、剛性和傳動精度。

1.2.2 檢測設備

中控太陽能設計了專用的檢測工裝，可以同時對推桿的自鎖性能、剛性及傳動精度進行測試。推桿測試工裝實物圖如圖2所示。

圖2 推桿測試工裝實物圖Fig.2 Product picture of linear actuator test tooling

推桿測試工裝由負載系統、壓力傳感器、卡板、百分表、計算機及軟件組成。

1)負載系統：采用氣泵作為動力源，氣缸作為執行機構，負載最大值≥1.5 t。

2)壓力傳感器：用于反饋推桿受到負載的大小，量程為20～10000 kg，精度等級為0.05%。

3)卡板：固定于推桿內管上，與百分表配合顯示推桿內管位移量。

4)百分表：與減速機測試工裝的百分表相同。

5)計算機及軟件：用于控制負載的大小和方向，并自動讀取百分表數值，以計算推桿的相關精度參數。

1.2.3 檢測方案

1)推桿靜態自鎖性能的檢測方法為：①將推桿安裝于推桿測試工裝上；②將推桿從零位伸出到H1位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內管上正向施加負載力矩F1；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內的卡板上，持續30 s后將百分表進行清零；⑤1 min后，從上位機讀取百分表上的位移讀數C1；⑥撤離百分表，切換負載方向，在推桿內管反方向施加負載力矩F1′(F1′與F1大小相同，方向相反)；⑦重復步驟④、⑤，從上位機讀取百分表上的位移讀數D1；⑧若|C1|、|D1|均為零，則判定推桿靜態自鎖性能滿足設計要求。

2)推桿動態自鎖性能的檢測方法為：①將推桿安裝于推桿測試工裝上；②將推桿從零位伸出到H2位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內管上正向施加負載力矩F2；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內的卡板上，持續30 s后將百分表進行清零；⑤按1 Hz頻率，在推桿內管施加≥F2的沖擊力，持續時間30 s；⑥30 s結束后，在推桿內管正方向保持負載力矩F2；⑦保持負載10 s后，從上位機讀取百分表上的位移讀數C2；⑧撤離百分表，切換負載方向，在推桿內管反方向施加負載力矩F2′(F2′與F2大小相同，方向相反)，重復步驟④、⑤，結束后在推桿內管反方向保持負載力矩F2′，保持負載10 s后，從上位機讀取百分表上的位移讀數D2；⑨根據式(6)計算推桿動態自鎖性能Z2。

3)推桿傳動精度的檢測方法為：①將推桿安裝于推桿測試工裝上；②將推桿從零位伸出到H3位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內管上正向施加負載力矩F3；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內的卡板上并清零；⑤切換負載方向，在推桿內管上反向施加負載力矩F3′(F3′與F3大小相同，方向相反)，從上位機分別讀取百分表在正、反向負載下顯示的位移讀數C3、D3；⑥根據式(7)計算推桿傳動精度S。

4)推桿軸向剛性檢測方法為：①將推桿安裝于推桿測試工裝上；②將推桿從零位伸出到H4位置并停止；③沿推桿軸向，在推桿內管上正向施加負載力矩F4；④將百分表表架吸在工裝上，表頭頂在固定于推桿內的卡板上并清零；⑤切換負載方向，在推桿內管上反向施加負載力矩F4′(F4′與F4大小相同，方向相反)，從上位機上分別讀取百分表在正、反向負載下顯示的位移讀數C4、D4；⑥根據式(8)計算推桿軸向剛性K3。

1.2.4 推桿檢測結果示例

推桿在測試工裝上安裝完成后，推桿的檢測結果由測試軟件實時自動生成，在測試軟件中可設置參數和讀取測試數據。表2是10次測試中推桿各項目的檢測數據。

表2 推桿各項目的檢測數據Table 2 Test data of each item of the putter

表2中數據的讀取和處理全部由軟件完成，排除了人為誤差的影響，因此檢測結果準確可靠；且檢測時間較快，靜態自鎖和動態自鎖均能夠在5 min內完成檢測，傳動精度和軸向剛性檢測均能夠在1 min內完成檢測。

2 定日鏡整體的精度檢測

定日鏡整體的精度檢測主要包括定日鏡跟蹤準確度檢測和定日鏡面形精度檢測。

2.1 定日鏡跟蹤準確度檢測

2.1.1 檢測設備

跟蹤準確度測量系統由定日鏡、靶面、相機、計算機及軟件、風速風向儀、輻射表組成，如圖3所示。

1)靶面(BCS板)：靶面表面需具有漫反射特性，靶面尺寸應大于吸熱器的直徑與高度組成的矩形。

2)相機：用于采集靶面上的定日鏡光斑圖像，幀率≥10 fps，分辨率≥640×480，工作溫度在-60～-30 ℃之間。

3)計算機及軟件：用于計算定日鏡光斑的幾何中心位置，圖像處理幀率≥10 fps。

圖3 跟蹤準確度測量系統Fig.3 Tracking accuracy measurement system

4)風速風向儀：量程為0～60 m/s，精度＜0.1 m/s。布置在定日鏡上風向，安裝高度為距離定日鏡中心點2～5倍定日鏡高度。

5)輻射表：用于采集太陽法向直射輻照度，量程為0～4000 W/m2。

2.1.2 檢測環境

風速≤16 m/s，太陽法向直射輻照度＞300 W/m2。

2.1.3 檢測方案

檢測當天應測試每臺定日鏡至少8個時間點的跟蹤準確度，這8個時間點定日鏡的角度應包含定日鏡方位角和水平角工作角度范圍的90%。

定日鏡跟蹤準確度測試采用非接觸式的計算機視覺檢測方法，利用相機采集定日鏡在目標靶面上形成的光斑圖像，然后利用數字圖像處理技術獲取定日鏡光斑的特征參數。具體步驟如下：

1)靶面的中心點是通過靶面上4個黑色直角框進行標定，4個黑色直角框對角線焦點即為靶面的中心點，其坐標為(x0,y0,z0)。

2)以靶面的中心點作為目標點，將定日鏡光斑投射至靶面，如圖4所示。

3)利用相機獲得靶面圖像并進行處理，分析第i時刻的采集圖像，計算光斑幾何中心坐標(xi,yi,zi)，其中，i=1,2,…,n；測得定日鏡旋轉中心點的坐標為(xh,yh,zh)。定日鏡旋轉中心至靶面中心的向量HO可表示為：

圖4 靶面上的定日鏡光斑圖像Fig.4 Heliostat spot image on the target surface

第i時刻定日鏡旋轉中心至光斑中心的向量HS(i)可表示為：

第i時刻定日鏡的跟蹤誤差為：

測試期間定日鏡跟蹤準確度的均值u可由式(12)求得：

式中，N為測試時間點的個數。

測試期間定日鏡跟蹤準確度的標準差σ可由式(13)求得：

鏡場中被測定日鏡樣本的跟蹤準確度分別為u1,u2,…,uM，則整個鏡場定日鏡平均跟蹤準確度為：

式中，M為定日鏡樣本數。

2.1.4 定日鏡跟蹤準確度檢測結果示例

測試的前提條件為：太陽法向直射輻照度＞300 W/m2，準確度數據對應的角度為測試時不同測試時間點定日鏡跟蹤目標靶中心的跟蹤角度。一般定日鏡跟蹤準確度在4 mrad以內時，大致可以認為其光斑還在目標靶面上，則定日鏡跟蹤準確度在4 mrad以內的頻率可以作為該面定日鏡因跟蹤準確度而獲得的可用率的依據。測得的不同風速下定日鏡跟蹤準確度的頻率如圖5所示。

圖5 不同風速下定日鏡跟蹤準確度的頻率圖Fig.5 Frequency diagram of heliostat tracking accuracy at different wind speeds

由圖5可知，在風速≤5 m/s時，定日鏡跟蹤準確度在4 mrad以內的頻率為100%，即不存在因跟蹤準確度不佳而造成定日鏡不可用的情況。

2.2 定日鏡面形精度檢測

2.2.1 定日鏡面形檢測原理

定日鏡局部鏡面斜度與理想斜度出現偏差，或整個定日鏡的方向偏離其期望的目標點(跟蹤偏差)[3]，反射光線都會出現偏差。事實上，定日鏡真實鏡面的宏觀和微觀缺陷都會導致鏡面反射的太陽光線的偏差。這種偏差可通過鏡面實際法向量nreal與理想法向量nideal的偏差或入射太陽光束的實際反射方向與理想方向的偏差來描述[4]。前者用于描述鏡面的圖形，后者用于描述反射光束的圖形。圖6為定日鏡不同的偏差類型。

圖6 定日鏡不同的偏差類型Fig.6 Types of reflection errors for heliostats

在任何情況下，定日鏡的面形缺陷都可以表示為角度偏差，常用的單位是mrad。通過統計偏差的分布，可以得到一個定日鏡大量的局部鏡面斜率偏差值，結合定日鏡的跟蹤偏差可以判斷鏡面反射的太陽光線的偏差隨時間變化的規律，或判斷大批量定日鏡反射的太陽光線偏差行為模式[5]。

將定日鏡的鏡面網格劃分后，各個網格單元面的法向矢量分布可作為表示細節形狀的矩陣導入光斑仿真軟件，并提供優異的分析結果，用于指導定日鏡面形優化設計。為了更加定量的描述角度偏差，其統計分布大多采用平均值MEAN和標準差STD的平方和再開方后的值RMS表示。

經過計算發現，某些量的平均值為零，則此時RMS=STD。這說明在某些特定條件下，RMS可以簡化運算。

2.2.2 檢測設備

1)定日鏡：已安裝在立柱上的定日鏡可以實現正常的2軸運動。

2)投影幕：投影幕用于投射條紋圖案，設置于接近被測定日鏡焦距的位置。

3)相機1：用于拍攝經定日鏡反射后的條碼的像。

4)相機2：用于直接拍攝投影幕上的條碼，校正由于投影幕不平帶來的偏差。

5)投影儀：用于將條碼圖案投射至投影幕上，其分辨率應≥1080P。

2.2.3 檢測環境

測試需要在能見度良好的夜間進行，風力≤3級。被測定日鏡、投影幕、相機和投影儀相互之間的光路不應存在任何遮擋。

2.2.4 檢測方案

采用高分辨率的偏轉測量法，將已知的規則條紋圖案投影到投影幕上。其中，定日鏡中的反射像由相機觀察，反射像中條紋圖案的變形用于評估定日鏡的局部斜率。測量定日鏡偏轉形狀的設置方式如圖7所示。第2臺相機用于拍攝目標上的條紋圖案，以進行校準，但在圖7中未畫出。在每次測試中都需要投影一系列規則條紋圖案，以保證測量結果的準確性。

圖7 測量定日鏡偏轉形狀的設置方式Fig.7 Setting method of measuring the deflection shape of a heliostat

2.2.5 定日鏡面形精度檢測結果示例

圖8為投影幕表面上投影的水平條紋圖案及從相機中看到的定日鏡反射出的相應圖案。

將相機拍攝所得的條碼的像導出后通過Matlab軟件進行所有條碼的坐標轉換與面形的擬合，以便得到完整的定日鏡面形。圖9為擬合后的定日鏡面形色溫圖。

圖8 投影幕表面上投影的水平條紋圖案及從相機中看到的定日鏡反射出的相應圖案示例Fig.8 Examples of the horizontal stripe pattern projected on the projection screen surface and the corresponding pattern reflected by the heliostat as seen from the camera

圖9 擬合后的定日鏡面形色溫圖Fig.9 Heliostat surface color temperature diagram after fitting

圖10 理論設計的定日鏡面形Fig.10 Theoretical design of heliostat surface shape

獲得擬合后的定日鏡面形后，將各個局部鏡面的法向量分別投影到全局坐標系的2個基準面上，并與理論設計的定日鏡面形(見圖10)進行比較，得到局部鏡面沿長度方向和寬度方向的法向偏差(見圖11)，用于判斷定日鏡面形是否合格。

圖11 實測局部鏡面沿長度方向和寬度方向的法向偏差Fig.11 The normal deviation of the measured mirror surface along the length direction and width direction

圖11為中控太陽能生產的某面定日鏡的鏡面法向偏差實測結果。由圖11可知，鏡面沿長度方向和沿寬度方向的局部實際傾斜角與理想傾斜角的偏差均在±4 mrad范圍內。從坐標系來看，圖11a中局部法向量向左偏為負，向右偏為正；圖11b中法向量向上偏為負，向下偏為正。從色溫圖來看，暖色代表正偏差，冷色代表負偏差。圖11a中定日鏡的法向偏差在左半部分集中表現為負偏差(色調偏冷)；而右半部分同時存在正偏差與負偏差，但正偏差略多。這表示長度方向上的焦距將比設計焦距更長。圖11b中定日鏡的法向偏差在上半部分主要為正偏差(偏暖)，而下半部分主要為負偏差(偏冷)。這表示于寬度方向上的焦距將比設計焦距更短。在實際應用中，可以通過重新調整鏡面來糾正這種錯位。還有一些局部區域的偏差尤其是圖11b左下角的鏡板中的偏差，可能是由于定日鏡安裝時的誤差和彎曲造成的應力導致的。

3 結論

本文描述了塔式太陽能熱發電中定日鏡精度檢測方法，該方法及設備已經在中控太陽能承建的青海德令哈50 MW塔式太陽能熱發電項目及青海共和50 MW塔式太陽能熱發電項目上得到了實際應用，且測試效率高、測試精度準確，能夠滿足批量檢測的要求。