國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)

T/GRLM02-2014

太陽定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量方法

TestMethodforSolarHeliostatTrackingAccuracy

2014-08-21發(fā)布2014-08-28實(shí)施

國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布

太陽定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量方法

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了太陽定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量和評(píng)價(jià)方法。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于將太陽法向直射輻射反射聚集到固定位置的不同尺寸和傳動(dòng)方式的定日

鏡。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，僅所注日期的版

本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版）適用于本文

件。

GB/T12936-2007太陽能熱利用術(shù)語

GB/T26972-2011聚光型太陽能熱發(fā)電術(shù)語

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語及其定義適用于本文件。

3.1

定日鏡方位角-高度角跟蹤heliostatazimuth-elevationtracking

雙軸跟蹤方式的一種，定日鏡兩旋轉(zhuǎn)軸中一軸沿豎直方向并相對(duì)地面固定，另一軸沿水

平方向并相對(duì)鏡面固定，定日鏡繞雙軸做二維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，跟蹤太陽視運(yùn)動(dòng)并將太陽輻射會(huì)聚

到目標(biāo)靶。

3.2

定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度（或跟蹤誤差）heliostattrackingaccuracy(orerror)

太陽光經(jīng)定日鏡會(huì)聚于靶面上所形成圖案的幾何中心點(diǎn)與靶面上目標(biāo)點(diǎn)間的連線相對(duì)

于定日鏡旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的張角，以其多次測量值的均方根（RMS）表達(dá)，單位為mrad。

3.3

定日鏡跟蹤精確度（或跟蹤精度，跟蹤偏差）heliostattrackingprecision

定日鏡旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)相對(duì)于太陽光經(jīng)定日鏡會(huì)聚于靶面上所形成圖案的幾何中心點(diǎn)與測

試時(shí)段內(nèi)圖案的平均幾何中心點(diǎn)連線的張角，以其多次測量值的均方根（RMS）表達(dá)，單

位為mrad。

3.4

吸熱器采光口receiveraperture

接收太陽輻射的吸熱器入口或吸熱器敞開口。

1

4定日鏡結(jié)構(gòu)和跟蹤準(zhǔn)確度測量系統(tǒng)組成

4.1定日鏡結(jié)構(gòu)

定日鏡包括反射鏡、支撐結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)裝置和控制裝置等部分，其結(jié)構(gòu)及組成部件名稱見

圖1。

圖1定日鏡結(jié)構(gòu)示意圖

4.2定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量系統(tǒng)組成

定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量采用非接觸式視覺檢測方法，利用CCD相機(jī)采集定日鏡在目標(biāo)

靶上形成的光斑圖像，然后通過圖像處理獲取定日鏡聚光特性參數(shù)。這套系統(tǒng)主要由CCD

相機(jī)、目標(biāo)靶、計(jì)算機(jī)、圖形采集和處理軟件、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、太陽法向直射輻照表等組

成，如圖2所示。

圖2定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量系統(tǒng)組成

2

5測試儀器

5.1太陽能輻照測試儀器

法向直射輻照表：量程0-4000W/m2，分辨率0.03W/m2。

5.2風(fēng)速測試儀器

風(fēng)速計(jì)：量程0-60m/s，分辨率不大于0.8m/s。布置于定日鏡上風(fēng)向，距定日鏡不小于

150米，沿不同高度布置三個(gè)傳感器：定日鏡全高1/2，全高，大于全高加2米。

5.3圖像采集系統(tǒng)

黑白CCD相機(jī)：A/D量化等級(jí)8bit，幀率不小于15fps，分辨率不小于768576，工作

溫度-20℃-45℃，存儲(chǔ)溫度-30℃-60℃。

5.4目標(biāo)靶

靶表面具有漫反射率特性，表面在100℃時(shí)沒有變形和變色，對(duì)于腔體式吸熱器，靶的

尺寸應(yīng)大于吸熱器采光口尺寸。對(duì)于圓周柱形吸熱器，靶的尺寸應(yīng)大于吸熱器的直徑與高度

組成的矩形。

6測試時(shí)太陽輻照和氣象條件

6.1輻照和氣象條件

測試期間太陽輻照和氣象條件要求如下：

——測試周期內(nèi)的風(fēng)速必須覆蓋定日鏡要求的工作風(fēng)速范圍（推薦為0-14m/s），為此測

試可能持續(xù)多天；

——環(huán)境空氣溫度不低于-30℃，不高于50℃；

——太陽法向直射輻照度大于300W/m2。

6.2數(shù)據(jù)采集

——風(fēng)速、光斑圖像、太陽法向直射輻照度和環(huán)境空氣溫度同步采集。

7跟蹤準(zhǔn)確度測量方法

7.1采集光斑圖像

7.1.1通過調(diào)整CCD相機(jī)光圈、焦距、放大倍率、俯仰及方位角度可使目標(biāo)靶充滿相機(jī)的

整個(gè)視場；

7.1.2啟動(dòng)定日鏡，使定日鏡將太陽輻射聚焦到目標(biāo)靶；

7.1.3啟動(dòng)CCD相機(jī)采集靶面的光斑圖像，覆蓋定日鏡的工作姿態(tài)范圍。

7.2計(jì)算光斑幾何中心

分割7.1.3采集的每幀光斑灰度圖像的光斑與背景，并以光斑內(nèi)像素的總量作為光斑的

面積。以與此面積相等的正方形作為光斑圖像中提取光斑的裁剪窗，用該裁剪窗在整個(gè)光斑

圖案上進(jìn)行截取，以所有截取窗口內(nèi)灰度值總量最大的位置作為光斑有效區(qū)域，光斑有效區(qū)

域的幾何中心即為光斑中心。附錄A給出了光斑圖像中目標(biāo)靶中心和光斑幾何中心的計(jì)算

3

方法。

7.3計(jì)算定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度

分析7.1.3采集到的第i幀光斑照片，計(jì)算此時(shí)刻的定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度，如式（1）所示：

2222

=xix0yiy0L1000……………（1）

式中：

——定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度；

L——定日鏡的旋轉(zhuǎn)中心到目標(biāo)點(diǎn)的斜向距離；

——像素與長度的轉(zhuǎn)換因子

x0,y0——光斑圖像中目標(biāo)靶的中心坐標(biāo)；

xi,yi——第ｉ幀光斑照片中光斑幾何中心坐標(biāo)。

8定日鏡跟蹤質(zhì)量的判斷

8.1跟蹤準(zhǔn)確度的分布

將公式（1）計(jì)算得到的結(jié)果表達(dá)為圖3。該圖中可見測試期間內(nèi)不同風(fēng)速下定日鏡跟

蹤準(zhǔn)確度出現(xiàn)在3.5mrad內(nèi)的頻率。

100

90

%80

，

70

內(nèi)的頻率60

50

3.5mrad

在40

30

0123456789101112

風(fēng)速，m/s（數(shù)據(jù)來自3920個(gè)采樣點(diǎn)）

圖3不同風(fēng)速下定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度在3.5mrad內(nèi)的頻率示例

8.2定日鏡跟蹤質(zhì)量閾值

同時(shí)滿足以下條件的定日鏡為合格：

——在4m/s風(fēng)速下跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5mrad的概率大于99%；

——在8m/s風(fēng)速下跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5mrad的概率大于62%；

——在11m/s風(fēng)速下跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5mrad的概率大于33%。

4

附錄A

（規(guī)范性附錄）

目標(biāo)靶中心和光斑幾何中心計(jì)算方法

A.1光斑圖像中目標(biāo)靶中心的計(jì)算方法

啟動(dòng)定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量系統(tǒng)的CCD相機(jī)采集圖像，利用目標(biāo)靶上四個(gè)黑色直角框標(biāo)

定出目標(biāo)靶中心x0,y0，如圖A.1所示。

x0,y0

圖A.1光斑圖像中目標(biāo)靶中心

A.2光斑圖像中光斑幾何中心計(jì)算方法

分割7.1.3采集的每幀光斑灰度圖像的光斑與背景，并以光斑內(nèi)像素的總量作為光斑的面

積。以與此面積相等的正方形作為光斑圖像中提取光斑的裁剪窗，用該裁剪窗在整個(gè)光斑圖

案上進(jìn)行截取，以所有截取窗口內(nèi)灰度值總量最大的位置作為光斑有效區(qū)域，光斑有效區(qū)域

的幾何中心即為光斑中心，如圖A.2所示。幾何中心的計(jì)算方法如下：

0gx,yT

Ix,y…（A.1）

gx,ygx,yT

lS，lminH,W……………（A.2）

ll

xy

22llll

fx,yIi,j，1xH且1yW

ll2222

ixjy

22

…………（A.3）

fxc,ycmaxfx,y……………（A.4）

式A.1、A.2、A.3、A.4中：

5

gx,y——未分割光斑與背景的光斑灰度圖像i,j處的灰度值；

T——基于灰度直方圖求出的用于分割光斑與背景的閾值；

Ii,j——分割光斑與背景的灰度圖像i,j處灰度值；

S——光斑面積；

l——提取光斑的窗口邊長；

fx,y——采樣窗口內(nèi)所有像素灰度值總量；

——取整計(jì)算；

H——灰度圖像的行數(shù)；

W——灰度圖像的列數(shù)；

xc,yc——光斑圖像中光斑的幾何中心坐標(biāo)。

xc,yc