CN101871811B - 聚光集热管的辐照测量装置及其扫描分析方法 - Google Patents

聚光集热管的辐照测量装置及其扫描分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能集热领域，特别涉及一种聚光集热管的辐照测量装置及其扫描分析方法。聚光集热管辐照测量装置由集热管卡套、轴向扫描驱动器、周向扫描器和光谱辐射仪构成，装置固定在被测集热管上组成集热管总成，将集热管总成置于抛物槽面反射镜焦线上，轴向扫描驱动器实现周向扫描器的轴向运动，周向扫描器实现光纤的周向扫描运动，光纤将接收到的辐照能流传输到光谱辐照仪，实现集热管表面的辐照能流的精细测量；本发明的扫描分析方法利用光纤逐点采集和传输集热管壁面聚焦辐照能流，利用光谱辐射仪测量光学参数，对集热管壁面辐照能流进行包括光强、光功率谱密度、色温等多参数光学检测。本发明适用于太阳能热发电等需要进行高倍聚光的场所。

Description

聚光集热管的辐照测量装置及其扫描分析方法
技术领域
本发明属于太阳能集热领域，特别涉及一种聚光集热管的辐照测量装置及其扫描分析方法。
背景技术
太阳光能流密度较低，地面辐照强度一般不超过1kw/m2，能量品味较低，难以高价值开发利用。利用聚光技术对太阳光进行聚焦，可获得高密度能流，大幅度提高光热、光电转化效率。太阳能聚焦模式包括槽式、塔式、碟式等类型，可分别实现几十倍到数百、上千倍的聚焦比。由于跟踪误差、光学镜面变形、太阳视角等因素，聚焦光斑区域的能流密度、光功率谱密度存在不均匀性，有时空动态变化现象。在中高温太阳能热利用领域，如槽式、塔式太阳能热发电站中，聚焦光斑的能流密度分布的不均匀性对集热管光热转换效率和可靠性产生巨大影响。集热管优化设计研究需要获得聚焦光斑的能流密度分布和光功率谱密度分布数据，由于聚光比一般高达几十倍以上，能流密度分布测量困难。目前有光电二极管阵列法和相机-朗伯靶法，前者利用光电二极管对聚焦辐照进行光电信号转换，获得光强信号，后者利用朗伯靶反射焦斑处的辐照光纤，通过相机拍摄获得焦斑处的能流密度分布。
以上两种方法测量参数单一，只能获得辐照功率密度分布，无法获得光功率谱密度分布信息，并且光电二极管阵列难以直接承受高倍聚焦辐照，需要配置光衰减部件，增加了测量误差。由于槽式太阳能聚焦系统中集热管上的光线入射角时刻变化，相机-朗伯靶测量法使用中需要对数据校核、补偿，另外同样无法进行光功率谱密度测量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术聚光集热管的辐照测量装置的缺陷，为提高聚光集热管的辐照测量装置的检测能力，满足集热管优化设计、分析的需求，提出一种聚光集热管的辐照测量装置及其扫描分析方法，其特征在于，聚光集热管的辐照测量装置由集热管卡套、轴向扫描驱动器、周向扫描器和光谱辐射仪构成；所述集热管卡套包括两个卡套单元，卡套单元的上卡套1固接在导轨支架5的下端，下卡套2与上卡套1用螺栓连接构成圆环形的卡套单元，上卡套1和下卡套2上都各设有2个螺纹孔，4个螺纹孔等间隔分布在圆环形的卡套单元上，顶针3通过螺纹副与上卡套1或下卡套2相配合并通过螺纹副调节在卡套内的长度，顶针3末端与垫片4的中心活动连接，两个导轨支架5分别固接在轴向导轨6两端，导轨6两端的卡套单元互为同轴，导轨6和两端的卡套单元构成集热管卡套；
所述轴向扫描驱动器中，轴向电机7固定在一个导轨支架5的内侧面上，丝杠8的一端与轴向电机7的轴固接，另一端与另一个导轨支架5的内侧面通过轴承构成转动连接，滚珠螺母9在丝杠8上与其螺纹连接，滚珠螺母9的底座上部的滑动孔套在轴向导轨6上与导轨配合构成滑动连接，轴向导轨6使滚珠螺母9在丝杠8上不发生转动，上吊环11固接在滚珠螺母9的底座下部，下吊环12与上吊环11用螺栓连接构成圆形的吊环，圆形的吊环和集热管卡套的两个卡套单元同轴，两个轴向限位开关10分别相对设置在轴向导轨6的两端；
所述周向扫描器中，圆弧形的导轮槽21的槽面向外，圆弧形的齿条18齿面向上固接在圆弧形的导轮槽21的背面，齿条18和导轮槽21一起以圆形吊环的垂直直径为对称轴左右对称固接在下吊环12的一个侧面上，引导轮轴23的周向角度，测量后，周向电机步进，使光纤受光面转动一个周向角度位移单元后停止，重复光纤采集辐照和光谱辐射仪测量辐照能流，经多次周向电机步进和辐照能流测量，直到引导轮接触周向限位开关；
步骤3)当引导轮接触周向限位开关，周向限位开关给出触发信号，轴向电机步进，使周向扫描器沿轴向移动一个轴向长度位移单元，周向电机反向并步进，使光纤受光面转动一个周向角度位移单元后停止，重复光纤采集辐照和光谱辐射仪测量辐照能流，记录数据，经多次周向电机步进和辐照能流测量，直到引导轮接触另一个周向限位开关；
步骤4)当引导轮接触另一个周向限位开关，该周向限位开关给出触发信号，轴向电机再次步进，重复步骤3)的操作，直到滚珠螺母的底座接触轴向限位开关；
步骤5)当滚珠螺母的底座接触另一个轴向限位开关，该轴向限位开关给出触发信号，轴向电机反向，测量结束，或为下一次测量做好准备。
所述周向角度位移单元的角度范围为0.5°～2°。
所述轴向长度位移单元的范围为1mm～4mm。
本发明的原理是：利用驱动电机和传动系统，使得光纤完成对集热管壁面周向和轴向扫描，采集聚光集热管壁面聚焦辐照能流，利用光谱辐射仪分析光纤采集到的辐照能流各项光学参数。聚光集热管的辐照测量装置扫描测量聚光集热管表面辐照能流，包括利用轴向电机带动丝杠旋转驱动滚珠螺母带动周向扫描器轴向移动，利用周向电机和齿轮副实现周向扫描，利用光纤采集辐照能流，并利用光谱辐射仪精确测量辐照能流的光学参数。对聚光集热管辐照分析按以下过程进行：两端分别与两个T型的周向扫描器支架13固接，周向电机17固定在一个周向扫描器支架13的内侧面上，平衡块16固定在另一个周向扫描器支架13的内侧面上，齿轮轴15的一端与周向电机17的轴固接，另一端通过轴承与平衡块16转动连接，齿轮14固接在齿轮轴15上与齿条18啮合，引导轮22在导轮槽21内与引导轮轴23转动连接，两个周向限位开关24分别置于导轨槽21的两端，光纤19带光纤受光面的一端固定在安装周向电机17的周向扫描器支架13的外侧面上，光纤受光面20朝外并且垂直于圆形的吊环的辐射半径，光纤19的另一端与光谱辐射仪25的光信号入口连接；
所述轴向电机7和周向电机17为步进电机或伺服电机。
所述光纤19为塑料光纤或石英光纤。
所述齿条18的圆弧角度的范围为120°～160°。
上述轴向电机7和周向电机17均由控制电路控制，实现对周向扫描器的轴向驱动和周向扫描。
一种应用聚光集热管的辐照测量装置的扫描分析方法的步骤为：
步骤1)将被测的聚光集热管置于聚光集热管的辐照测量装置的集热管卡套和吊环内，并用两端卡套单元上的顶针和垫片将聚光集热管与卡套同轴固定组成聚光集热管置于聚光集热管的辐照测量装置总成，简称集热管总成，将集热管总成置于抛物槽面反射镜的焦线上，调节轴向扫描驱动器，把周向扫描器置于一个轴向限位开关附近，调节周向扫描器，把引导轮置于一个周向限位开关附近；
步骤2)启动控制电路和光谱辐射仪及其数据记录设备，光纤采集辐照并由光谱辐射仪测量辐照能流，记录辐照光强数据和光纤受光面所在的轴向位置和
设定装置启动后，光谱辐射仪测量光纤传输的光流参数；
周向电机步进，带动光纤受光面周向运动一定距离，即光纤受光面周向转动一个周向角度位移单元，光纤采集并传输辐照能流到光谱辐射仪进行测量，本次测量完毕后，周向电机继续步进，重复操作；
如果周向限位开关触发，表明周向行程完成，则轴向电机步进，带动周向扫描器轴向前进一定距离，即周向扫描器轴向移动一个轴向长度位移单元，然后周向电机反向步进，开始下一圈周向扫描测量；
如果轴向限位开关触发，表明轴向行程结束，扫描测量任务完成，使得轴向电机反向，测量结束，或为下一次测量做好准备。
本发明的有益效果是：
1.本发明装置包括周向驱动电机、齿轮、齿条系统和轴向驱动电机、丝杠、滚珠螺母，周向驱动电机配合齿轮啮合可实现精细周向扫描，轴向驱动电机配合滚珠螺母丝杠，可实现精细轴向移动，驱动电机可以采用步进电机或伺服电机。相对现有系统而言，本发明装置的驱动系统可以方便地实现精确两维扫描位置控制。
2.本发明中的扫描测量方法利用光纤逐点采集集热管壁面聚焦辐照能流，利用光纤传输聚焦能流，利用光谱辐射仪测量光学参数，实现了聚焦能流采集点和检测仪器的物理位置相对分离，可测参数包括光强、光功率谱密度、色温、主波峰等，可以详细地对集热管壁面辐照能流进行多参数光学检测。克服了现有技术只能测量辐照强度的缺陷。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为周向扫描器右侧结构示意图；
图3为周向扫描器左侧结构示意图；
图4为聚光集热管置于聚光集热管的辐照测量装置组成的集热管总成；
图5为本发明装置使用环境示意图；
图6为本发明的扫描测量方法流程图。
图中，1--上卡套，2--下卡套，3--顶针，4--垫片，5--导轨支架，6--轴向导轨，7--轴向电机，8--丝杠，9--滚珠螺母，10--轴向限位开关，11--上吊环，12--下吊环，13--周向扫描器支架，14--齿轮，15--齿轮轴，16--平衡块，17--周向电机，18--齿条，19--光纤，20--光纤受光面，21--导轮槽，22--引导轮，23--引导轮轴，24--周向限位开关，25--光谱辐射仪，26--集热管，27--反射镜，28--入射太阳光线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明装置结构和扫描测量方法作进一步说明。
图1为本发明装置结构示意图。聚光集热管的辐照测量装置由集热管卡套、轴向扫描驱动器、周向扫描器和光谱辐射仪构成，集热管卡套包括两个卡套单元，卡套单元的上卡套1固接在导轨支架5的下端，下卡套2与上卡套1用螺栓连接构成圆环形的卡套单元，上卡套1和下卡套2上都各设有2个螺纹孔，4个螺纹孔等间隔分布在圆环形的卡套单元上，顶针3通过螺纹副与上卡套1或下卡套2相配合并通过螺纹副调节在卡套内的长度，顶针3末端与垫片4的中心活动连接，顶针3和垫片4用于在卡套单元内固定集热管。两个导轨支架5分别固接在轴向导轨6两端，导轨6两端的卡套单元互为同轴，导轨6和两端的卡套单元构成集热管卡套。
轴向扫描驱动器中，轴向电机7固定在一个导轨支架5的内侧面上，丝杠8的一端与轴向电机7的轴固接，另一端与另一个导轨支架5的内侧面通过轴承构成转动连接，滚珠螺母9在丝杠8上与其螺纹连接，滚珠螺母9的底座上部的滑动孔套在轴向导轨6上与导轨配合构成滑动连接，上吊环11固接在滚珠螺母9的底座下部，下吊环12与上吊环11用螺栓连接构成圆形的吊环，圆形的吊环和集热管卡套的两个卡套单元同轴，两个轴向限位开关10分别相对设置在轴向导轨6的两端，轴向电机7为步进电机。
如图2和图3所示的周向扫描器的右侧结构示意图和左侧结构示意图，圆弧形的导轮槽21的槽面向外，圆弧形的齿条18齿面向上固接在圆弧形的导轮槽21的背面，齿条18和导轮槽21一起以圆形吊环的垂直直径为对称轴左右对称固接在下吊环12的一个侧面上，引导轮轴23的两端分别与两个T型的周向扫描器支架13固接，周向电机17固定在一个周向扫描器支架13的内侧面上，平衡块16固定在另一个周向扫描器支架13的内侧面上，齿轮轴15的一端与周向电机17的轴固接，另一端通过轴承与平衡块16转动连接，齿轮14固接在齿轮轴15上与齿条18啮合，引导轮22在导轮槽21内与引导轮轴23转动连接，两个周向限位开关24分别置于导轨槽21的两端，光纤19带光纤受光面的一端固定在安装周向电机17的周向扫描器支架13的外侧面上，光纤受光面20朝外并且垂直于圆形的吊环的辐射半径，光纤19的另一端与光谱辐射仪25的光信号入口连接。周向电机17为步进电机，光纤19为石英光纤。周向扫描器支架13，齿轮14，齿轮轴15，平衡块16，周向电机17，引导轮22，引导轮轴23，周向限位开关24组成周向扫描器的运动部件，为了保证该运动部件在圆弧形的齿条18上的平衡，调节平衡块16的质量，使运动部件的重心落在齿条长度方向的中心平面内。
上述轴向电机7和周向电机17均由控制电路控制，实现对周向扫描器的轴向驱动和周向扫描。
本发明的装置使用时，首先将被测的聚光集热管置于聚光集热管的辐照测量装置的集热管卡套和吊环内，并用两端卡套单元上的顶针和垫片将聚光集热管与卡套同轴固定组成聚光集热管置于聚光集热管的辐照测量装置总成，简称集热管总成，如图4所示。再将集热管总成置于抛物槽面反射镜的焦点上，如图5的本发明装置使用环境示意图所示。入射太阳光线28经反射镜27反射和聚焦，将太阳辐照能流汇聚的集热管26的表面，光纤受光面20采集的辐照能流即代表集热管表面的辐照能流。反射镜27为抛物槽面反射镜。
将集热管总成在反射镜的焦点上安装好后，调节轴向扫描驱动器，把周向扫描器置于一个轴向限位开关附近，调节周向扫描器，把引导轮置于一个周向限位开关附近即可进行测量。设定好的装置启动后，光谱辐射仪25测量光纤19传输的光流参数，然后周向电机17步进，带动光纤受光面20周向转动一个周向角度位移单元，光纤19采集并传输辐照能流到光谱辐射仪25进行测量，本次测量完毕后，周向电机17继续步进，重复操作。
如果周向限位开关24触发，表明周向行程完成，则轴向电机7步进，带动周向扫描器轴向前进一个轴向长度位移单元，然后周向电机17反向步进，开始下一个周向测量。
如果轴向限位开关10触发，表明轴向行程结束，扫描测量任务完成，使得轴向电机7反向，为下一次测量做好准备。
图6为本发明扫描测量方法流程图。
聚光集热管的辐照测量装置的扫描测量方法和工作流程如下：步骤110，通电启动后，开始工作；接着在步骤120中，光纤采集辐照能流并测量，并转入步骤130；在步骤130中，周向电机步进，带动光纤周向移动一个周向角度位移单元；步骤140中，判别周向开关是否触发，如果触发，则转入步骤160，否则转入步骤150；步骤150中，光纤采集辐照能流并测量，本次测量完毕后转入步骤130；步骤160中，轴向电机步进，带动周向扫描器轴向移动一个轴向长度位移单元；步骤170中判别轴向限位开关是否触发，如果触发，转入步骤200，否则转入步骤180；步骤180中，周向电机反转旋转方向；步骤190中，周向电机步进一个周向角度位移单元，再转入步骤150；步骤200中，轴向电机反转旋转方向，转入步骤210，测量结束。
本发明的聚光集热管的辐照测量装置及扫描测量方法适用于太阳能热发电等需要进行高倍聚光的场所的聚光集热管表面辐照的分析测量。

Claims (7)

1.一种聚光集热管的辐照测量装置，其特征在于，一种聚光集热管的辐照测量装置由集热管卡套、轴向扫描驱动器、周向扫描器和光谱辐射仪构成；
所述集热管卡套包括两个卡套单元，卡套单元的上卡套(1)固接在导轨支架(5)的下端，下卡套(2)与上卡套(1)用螺栓连接构成圆环形的卡套单元，上卡套(1)和下卡套(2)上都各设有2个螺纹孔，4个螺纹孔等间隔分布在圆环形的卡套单元上，顶针(3)通过螺纹副与上卡套(1)或下卡套(2)相配合并通过螺纹副调节在卡套内的长度，顶针(3)末端与垫片(4)的中心活动连接，两个导轨支架(5)分别固接在轴向导轨(6)两端，轴向导轨(6)两端的卡套单元互为同轴，轴向导轨(6)和两端的卡套单元构成集热管卡套；
所述轴向扫描驱动器中，轴向电机(7)固定在一个导轨支架(5)的内侧面上，丝杠(8)的一端与轴向电机(7)的轴固接，另一端与另一个导轨支架(5)的内侧面通过轴承构成转动连接，滚珠螺母(9)在丝杠(8)上与其螺纹连接，滚珠螺母(9)的底座上部的滑动孔套在轴向导轨(6)上与导轨配合构成滑动连接，上吊环(11)固接在滚珠螺母(9)的底座下部，下吊环(12)与上吊环(11)用螺栓连接构成圆形的吊环，圆形的吊环和集热管卡套的两个卡套单元同轴，两个轴向限位开关(10)分别相对设置在轴向导轨(6)的两端；
所述周向扫描器中，圆弧形的导轮槽(21)的槽面向外，圆弧形的齿条(18)齿面向上固接在圆弧形的导轮槽(21)的背面，齿条(18)和导轮槽(21)一起以圆形吊环的垂直直径为对称轴左右对称固接在下吊环(12)的一个侧面上，引导轮轴(23)的两端分别与两个T型的周向扫描器支架(13)固接，周向电机(17)固定在一个周向扫描器支架(13)的内侧面上，平衡块(16)固定在另一个周向扫描器支架(13)的内侧面上，齿轮轴(15)的一端与周向电机(17)的轴固接，另一端通过轴承与平衡块(16)转动连接，齿轮(14)固接在齿轮轴(15)上与齿条(18)啮合，引导轮(22)在导轮槽(21)内与引导轮轴(23)转动连接，两个周向限位开关(24)分别置于导轨槽(21)的两端，光纤(19)具有光纤受光面的一端固定在安装周向电机(17)的周向扫描器支架(13)的外侧面上，光纤受光面(20)朝外并且垂直于圆形的吊环的辐射半径，光纤(19)的另一端与光谱辐射仪(25)的光信号入口连接。
2.根据权利要求1所述的一种聚光集热管的辐照测量装置，其特征在于，所述轴向电机(7)和周向电机(17)为步进电机或伺服电机。
3.根据权利要求1所述的聚光集热管的辐照测量装置，其特征在于，所述光纤(19)为塑料光纤或石英光纤。
4.根据权利要求1所述的一种聚光集热管的辐照测量装置，其特征在于，所述齿条(18)的圆弧角度的范围为120°～160°。
5.一种聚光集热管的辐照扫描分析方法，其特征在于，应用权利要求1所述的聚光集热管的辐照测量装置，所述的辐照扫描分析方法的步骤为：
步骤1)将被测的聚光集热管置于聚光集热管的辐照测量装置的集热管卡套和吊环内，并用两端卡套单元上的顶针和垫片将聚光集热管与卡套同轴固定组成聚光集热管置于聚光集热管的辐照测量装置总成，简称集热管总成，将集热管总成置于抛物槽面反射镜的焦线，调节轴向扫描驱动器，把周向扫描器置于一个轴向限位开关附近，调节周向扫描器，把引导轮置于一个周向限位开关附近；
步骤2)启动控制电路和光谱辐射仪及其数据记录设备；光纤采集辐照并由光谱辐射仪测量辐照能流，记录辐照光强数据和光纤受光面所在的轴向位置和周向角度，测量后，周向电机步进，使光纤受光面转动一个周向角度位移单元后停止，重复光纤采集辐照和光谱辐射仪测量辐照能流，经多次周向电机步进和辐照能流测量，直到引导轮接触另一个周向限位开关；
步骤3)当引导轮接触所述另一个周向限位开关，所述另一个周向限位开关给出触发信号，轴向电机步进，使周向扫描器沿轴向移动一个轴向长度位移单元，周向电机反向并步进，使光纤受光面转动一个周向角度位移单元后停止；重复光纤采集辐照和光谱辐射仪测量辐照能流，记录数据，经多次周向电机步进和辐照能流测量，直到引导轮接触所述一个周向限位开关；
当引导轮接触所述一个周向限位开关，所述一个周向限位开关给出触发信号，轴向电机再次步进，使周向扫描器沿轴向移动一个轴向长度位移单元，如果滚珠螺母的底座接触另一个轴向限位开关，则跳至步骤5)，否则周向电机反向并步进，使光纤受光面转动一个周向角度位移单元后停止；重复光纤采集辐照和光谱辐射仪测量辐照能流，记录数据，经多次周向电机步进和辐照能流测量，直到引导轮接触所述另一个周向限位开关；
步骤4)重复步骤3)的操作，直到滚珠螺母的底座接触所述另一个轴向限位开关；
步骤5)当滚珠螺母的底座接触所述另一个轴向限位开关，所述另一个轴向限位开关给出触发信号，轴向电机反向，测量结束，或为下一次测量做好准备。
6.根据权利要求5所述的聚光集热管的辐照扫描分析方法，其特征在于，所述周向角度位移单元的角度范围为0.5°～2°。
7.根据权利要求5所述的聚光集热管的辐照扫描分析方法，其特征在于，所述轴向长度位移单元的范围为1mm～4mm。
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