太阳出来了

太阳能发电厂运用GigE相机进行定日镜对准

 

eSolar公司位于加利福尼亚州帕萨迪纳市,是目前正在南加利福尼亚沙漠区建设聚光太阳能热发电厂(CSP)的六家初创公司之一。公司已研发出了一个专利解决方案,吸引了众多诸如橡树投资、Google.org和创意实验室这样的投资者。

eSolar公司根据大批量生产的低成本组件来开发CSP发电厂。这些组件能被快速组装、模块化并可无限扩展,以提供成本低廉的太阳能。eSolar解决方案的一个重要零件是它的小型定日镜。定日镜是不断将太阳光反射到塔顶蓄热器光圈中的反射镜。这些聚集的光线用来烧开蓄热器中的水。水蒸气被聚集到一个涡轮机中为发电机提供动力。蒸气然后被冷却成液体形式,然后这个过程不断重复。

对于机器视觉的需求

一般太阳能发电厂多用数量较少但价格高昂的大型曲面镜反射太阳光,eSolar却用大量小型平面镜。eSolar的定日镜已预先组装上电缆和内置太阳跟踪马达,占地面积只有几平方英尺——而不是业内通常用的占地面积达数百平方英尺的反射镜。镜场贴近地面,安装非常快捷经济。通过利用一个复杂的跟踪系统,反射镜能不断将太阳光集中到蓄热器上。跟踪系统能弥补镜场中每个定日镜的制造和安装容差。系统的一个关键部分是图像处理技术。图像处理由一些安装在镜场周围的相机完成。因为跟踪系统能校正定日镜容差,eSolar因而能减少生产成本和单个镜面对准的成本,从而降低总成本。

系统安装
ESolar采用的相机是超紧凑的752 x 480 Prosilica GC750 低价千兆以太网单色相机。拥有GigE VisionTM的GC750相机配备一个1/3逐行扫描CMOS传感器,性能高且抗热晕。

eSolar位于南加利福尼亚的5兆瓦商用示范设施在镜场周围放置了八台相机并安装在各个塔顶。发电厂由两个相邻的模块组成,总共有24,360面定日镜。每个模块都被分成两个175 x 95m(576 x 312英尺)大小、有6,090镜子的子镜场。每面镜子都将光线反射到位于子镜场之间的中心蓄热器上。

每台相机配有一个焦距范围为20到100毫米的Edmund Optics 58-440可变焦距镜头,以及一个固定聚焦和变焦装置。相机放在一个通风/加热的Pelco外壳中,同时配有一个遮阳板用于热能管理。相机安装在27米(90英尺)高的塔顶上,塔则立在镜场各个角落里。每台相机都指向四个5x5m (17x17英尺)的白漆钢靶中的其中一个。镜子反射的光线则投影到钢靶上。刚靶离相机大约150米(500英尺)远,并安装在每个镜场中的中心蓄热器上,离地面36米(120英尺)。

第一个镜场中的四台相机与GigE开关连接。开关又与光纤连接。光纤长200米(650英尺),绕过发电厂与邻近镜场的四台相机相连的GigE开关连接。一条额外的、长300米(1000英尺)的光纤将装置与控制室连在一起。接收到的图像数据先被存储起来,然后通过高速互联网连接传输到90公里(56英里)远的实验室进行分析。

工作原理
反光镜用来跟踪并将太阳光聚集到刚靶中心。全天内会对放置在四个子镜场内的反光镜进行随机采样。当不同镜子转换到刚靶时,相机每30秒拍摄一个镜头。每次成像都由软件控制。一旦系统确认一面镜子指向了一个刚靶,相机就拍摄一张图像。在这个过程中不必用硬件和传感器触发。

当系统接收了一张图像后,图像的背景就被自动剔除,只显示镜面反射的部分。基本的分析是比较反射阳光的质心和刚靶的中心。如果镜面完全对准的话,那么反射的太阳光线会全天一直位于刚靶的中心。如果两点不重合,eSolar公司的工程师就会更新他们获得专利的太阳跟踪算法来校正镜面的对准。

由软件控制的相机功能包括触发、曝光和增益。这些功能都是为了能拍摄最佳的反射太阳光图像。应用软件由eSolar公司的工程团队运用Windows版的Prosilica软件开发工具包开发。编程则采用C#、C++和Microsoft Visual Studio工具完成。

展望未来

eSolar公司现今运行着一个5兆瓦的商用示范设施,并同时在开发建造一个超过一千兆瓦的庞大工程,由遍布美国西南部乃至全球各地的太阳能热力发电厂组成。