塔式太阳能热发电镜场摄像机系统的设计与开发

【摘要】：太阳能热发电技术是21世纪解决环境污染和能源危机的有效途径之一。如何提高塔式太阳能热发电的工作效率和运行可靠性成为当下研究的热点。因此设计一种能够确保太阳能热发电站中的定日镜能够安全、可靠、高效运行的系统是十分必要的。 本文主要针对目前国内外塔式太阳能热发电站中存在的若干问题进行研究,主要包括如何有效对定日镜进行跟踪控制、如何提高控制精度、如何校正控制参数、如何检测镜场中的故障定日镜以及镜场中摄像机布局等相关问题。本文的具体工作内容和主要贡献如下： (1)通过调研国内外塔式太阳能热发电系统相关技术,提出了一种基于图像处理技术的定日镜控制参数计算与误差校正系统。主要利用摄像机标定算法实现二维图像空间和三维空间的转换,利用改进的自适应阈值算法、数学形态学滤波算法、矩不变算法、以及椭圆拟合算法定位光斑位置,从而实现对定日镜控制器参数的估计与误差校正。其中,本文基于Retinex理论提出了一种具有更强增强效果和自适应性的MSR-Hist亮度增强算法。该算法解决了光照较弱或亮度变化时的光斑识别问题。此外本文设计并开发了一种针对大规模镜场的定日镜异常姿态诊断和镜场防入侵监控系统,用以辅助镜场中定日镜的高效和稳定运行。 (2)由于利用图像处理技术对定日镜控制器参数进行校正需要在镜场中安装一定数量的摄像机。同时图像数据信息量大、占用网络带宽高等问题将直接影响整个镜场控制系统的实时性和可靠性,因此本文通过对摄像机模型以及数据传输方式的研究,提出了一种能够减少网络负荷的摄像机镜场布局与优化方案。 (3)基于上述研究内容,本文编写定日镜控制系统太阳方位参数计算软件,以及基于白板成像的参数校验软件。此外,本文还开发了一套集全镜场监控、定日镜异常姿态检测、以及非法入侵报警于一体的软件,并提出了一种加入栅格化处理的渐消记忆高斯背景建模方法。该方法主要解决了小范围扰动(如树木摇晃)和大跨度时变因素(如一天中的光影变化)给移动物体检测带来的影响。上述软件可以与定日镜控制系统进行通信,提高定日镜控制精度以及整个镜场运行的可靠性和高效性。上述软件均已在紫金港太阳热发电小试现场进行使用,长期运行证实了软件和算法的可靠性和稳定性,达到了预期目标。最后,本文提出的摄像机布局方案在Matlab下进行仿真,仿真结果显示本文的布局设计可以满足镜场对摄像系统的性能要求。最后,本文对所有工作进行了总结,并对未来的工作进行了展望。 【关键词】：塔式太阳能热发电 定日镜 图像处理 参数估计 误差校正 布局与优化
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615;TP391.41
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目录10-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题背景及研究意义12-13
• 1.2 塔式太阳能热发电介绍13-14
• 1.3 塔式太阳能热发电站摄像机系统的研究现状14-18
• 1.3.1 国外研究现状15-16
• 1.3.2 国内研究现状16-18
• 1.4 本文研究的主要问题18-20
• 1.5 主要内容和章节安排20-22
• 第二章 定日镜控制系统参数估计22-46
• 2.1 定日镜控制系统策略简介22-24
• 2.2 参数估计的方法与流程24-25
• 2.3 基于图像处理的参数估计25-43
• 2.3.1 图像处理完成的主要任务25-27
• 2.3.2 自适应阈值的光斑提取27-30
• 2.3.3 基于数学形态学的滤波处理30-33
• 2.3.4 基于椭圆拟合的光斑定位33-37
• 2.3.5 局部自调节窗口光斑跟踪算法37-43
• 2.4 实验结果与误差分析43-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第三章 定日镜控制系统参数误差校正系统46-70
• 3.1 基于图像处理的参数误差校正46-48
• 3.1.1 误差校正基本方法46-47
• 3.1.2 成像白板设计47-48
• 3.2 基于图像处理的光斑识别与定位48-68
• 3.2.1 基于色彩和轮廓匹配的白板识别48-57
• 3.2.2 图像透视畸变的校正57-59
• 3.2.3 基于Retinex理论的自适应光斑识别59-68
• 3.3 本章小结68-70
• 第四章 大规模镜场中定日镜异常姿态识别与诊断70-82
• 4.1 异常姿态识别算法70-72
• 4.1.1 异常姿态识别系统的组成70-71
• 4.1.2 故障诊断算法流程设计71-72
• 4.3 基于Tsai算法的坐标转换方法72-75
• 4.4 异常姿态定日镜判别75-77
• 4.5 镜场防入侵检测77-81
• 4.6 本章小结81-82
• 第五章 镜场摄像机系统的布局设计与优化82-94
• 5.1 布局设计与优化目标82
• 5.2 基于摄像机模型的视场角度计算82-85
• 5.2.1 摄像机本体坐标系82-83
• 5.2.2 摄像机视场范围83-85
• 5.3 摄像机整体布局设计与可行性分析85-91
• 5.3.1 镜场摄像机布局设计85-88
• 5.3.2 基于Matlab的摄像机布局可行性分析88-91
• 5.4 摄像机网络数据流量与延时分析91-93
• 5.5 本章小结93-94
• 第六章 总结与展望94-96
• 6.1 本文总结94-95
• 6.2 研究展望95-96
• 参考文献96-100
• 作者简介100
• 作者在攻读硕士期间的科研成果100

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