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。
图3 经纬仪测量原理图
调整激光头焦距，使这束激光线清晰具有最细宽度，对称地显示在窄带的内部。
按照同样的方法依次调节其余激光头，使第i个激光头射出的光线对称地落入靶面第i个窄带，这样，每一面光幕都竖直、相互平行、间距相等且与靶面垂直。
平行光幕调整就位后，在调平行光的靶面与激光头之间放置聚光镜支撑台。
支撑台如图4所示。
图4 支撑台
支撑台应尽量靠近激光头，以避免扇形发展的光幕半径过大，以致反射焦斑过长，从而不易观测到焦斑全貌。
支撑台底部是入射角刻度盘。
保证刻度盘0°点与支撑台转动中心的连线与光幕平行。
事先在聚光镜上标出定位点，使聚光镜的上下定位点卡在支撑台上，并处于平行光幕的笼罩范围之内。
使圆盘的转动中心与聚光镜的下侧卡点重合。
（由于在平行光入射条件下，曲面各点的入射角都不一定一样，只有选定了具体的点，才知道这一点的入射角。
）转动刻度盘至聚光镜定位点的入射角，并固定好刻度盘使其无法转动。
在聚光镜旋转方向的同一侧2倍入射角方向上，即反射光方向上，从下卡点量取该点的设计焦距，在焦点位置处布置检测焦斑的平面靶，靶面垂直于反射角方向并保持铅垂。
使得反射光与靶面的交线与靶面中轴线重合。
靶面上标有焦斑宽度刻度和设计焦斑轮廓线。
靶的长度应设计能够容下整个镜面的反射焦斑。
至此，聚光镜检测的准备过程完成，聚光镜批量检测的工作便可展开了。
打开激光头开关，当每一面聚光镜按照要求卡在支撑台上时，其焦斑即显示在靶面上。
如果焦斑形状出现两侧明显不平行、过粗或者偏离靶面中轴线，则说明其面型有缺陷或者没有达到生产要求。
4工程现场聚光镜调试
按照类似单镜检测的方法，利用光学经纬仪把所有激光头射出的光幕调成相互平行且共同铅垂于地面。
采用管状靶结合截光板以反映焦斑位置。
推动激光头测试台下的滚轮，使其移到第一横排待调试的镜子前，让各光幕平行于聚光模块的轴线，吸热管的轴线，以及聚光镜轴向边缘，即保证三者互相平行。
每一横排从一端开始调。
遮住未经调试的镜子，以免其杂乱的反射光影响调试效率。
依次对每面镜子调整其与支撑结构的连接螺栓，使这面镜子的焦斑投射到吸热管上。
在吸热管后方设置截光板，如果这面镜子所反射的光幕有越过吸热管射到截光板上就说明还没有调整到位。
如果最窄焦斑出现在吸热管之前，则所有螺栓都要往前调，反之则往后调。
直至所有反射光幕都汇聚在吸热管之内，没有光幕射出吸热管范围。
依次调整各面聚光镜，同时遮住其它未经调试的镜子。
这一排镜面调整好之后，沿聚光镜组轴向推动激光测试台的滚轮，使其移到下一排要调的镜面之上，重复上述调试过程。
图5室外调试图6管状耙和截光板
在室外调试的情况下，为避免日光与激光相混杂，从而更为清晰地观察光幕
反射是否完整落在吸热管内，调试必须在夜间进行。
此时需要移动激光检测装置，为避免激光头在移动过程中发生位置偏移，则需要采用避免平行光幕移位的设施。
因此相比而言，室外调试的操作不太便利。
对于大型镜组，最好在现场就近搭设工棚，固定激光检测装置进行安装调试，每个聚光镜组模块放置在小车上，调试时移动小车，调好后聚光模块整体运输到安装点吊装。
5二维点聚焦聚光镜的测试
6 总结
通过对普通激光头加入一字光栅，可使其发射出扇形光幕而非圆柱射线，通过一列间距相等的激光头发射一组平行于线聚焦聚光镜轴线的平行光幕，从而得到镜子的线焦斑。
若在激光头前加入十字光栅，则可投射一定间距的网格光幕到二维点聚焦聚光镜的镜面上，反射后则可以得到二维聚光镜的焦点，通过观察焦点的形状、尺寸和位置，即可用于点聚焦镜面的激光检测和现场调试。
支撑台上自带方位刻度盘，能直观反映测试镜面与入射光线的夹角，且方便直观精确地调试镜面相对位置。
我们的激光面型检测及调试设备，通用于各种面型的线聚焦和点聚焦的聚光镜，能够直观地显示镜子焦斑形状，尺寸和位置，操作简易，相比于国内外其他检测和调试方法，该设备不是以检测得到镜子的面型参数从而间接理论计算得出镜面的聚光性能，而是通过模拟平行光入射下得到的焦斑，直接反映镜子现实工作状态下的聚光效果，因此对于现场调试的指导意义更大，特别适合聚光镜生产检测，镜组安装过程中指示如何调整镜面及后期的检修调试。
致谢
感谢国家自然科学基金（National Natural Science Foundation of China）项目（编号：51278190）的资助。
参考文献
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