CN102297757A - 一种太阳能碟式聚光器聚光性能测试方法及测试装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能碟式聚光器聚光性能测试方法，利用多次分时测量碟式聚光器聚光焦平面上的热流密度分布与当地太阳法向直射辐照度的方法确定光学聚光比分布。采用本发明测试方法的测试装置由旋转基板(1)、热流传感器(2)、固定框架(3)、螺栓销钉(4)组成，旋转基板(1)呈圆形，旋转基板(1)上安装若干个热流传感器(2)，热流传感(2)的中心点的连线与旋转基板(1)的某一直径重合，旋转基板(1)通过螺栓销钉(4)与固定框架(3)紧固连接，旋转基板(1)在固定框架(3)上的安装角度可以调整。本发明测试太阳能碟式聚光器的聚光性能，评价其光学聚光比，为使用过程提供热流密度分布。

Description

一种太阳能碟式聚光器聚光性能测试方法及测试装置

技术领域

本发明涉及一种聚光性能测试方法及测试装置，特别涉及太阳能碟式聚光器聚光性能测试方法与装置。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。太阳能碟式发电装置基本原理是利用曲面反光镜将太阳光反射到接收器上，由于采用两轴跟踪方式，可时刻高效率地跟踪太阳运动，具有很高的光学效率，可实现高聚光比聚光从而获得高热流密度，加热发电工质驱动发电机组产生电能或加热反应器产生化学能。围绕此项技术已进行了诸多研究，主要集中在美国、西班牙、德国、以色列、澳大利亚、韩国及中国等。准确测量碟式聚光器聚光焦平面上的热流密度，对吸热器或反应器的设计与运行至关重要。目前测试太阳能聚光辐射能流的方法主要有直接测量方法和间接测量方法，其中直接测试方法采用若干热流传感器直接测量太阳能聚光焦平面处的热流密度，在高热流密度情形下需要对热流传感器进行冷却，由于采用逐点测试，不能准确测得热流密度的分布；为了克服这个不足，产生了间接测量方法，测试系统由CCD相机和具有全漫反射特性的朗泊靶组成，通过CCD相机对朗泊靶表面进行拍摄，获得的图像信息与直接测量方法获得的热流密度测量结果进行对比获得图像的灰度值特征与投入辐射能量的对应关系，通过数学方法反演出朗泊靶上的热流密度分布。如西班牙专利EP 1538429 A2公开了一种移动靶式的吸热器表面热流密度间接测量方法，可方便测量吸热器表面的热流密度分布，其测试结果通过直接测量方法实时加以校验。美国专利US200902500521A1公开了一种利用CCD相机拍摄吸热器表面图像，通过分析图像灰度值的分布间接获得吸热器表面的热流密度分布。碟式聚光器聚光焦平面上的热流密度较高，可以采用有冷却装置的固定朗泊靶或快速移动朗泊靶加以间接测量，但由于聚光焦平面面积通常都较小，而间接测量的方法系统较为复杂，实施难度较大。

发明内容

本发明提出一种测量碟式聚光器聚光焦平面上光学聚光比分布的方法，并设计一套测试装置，布置有限的热流传感器，分时段测量有限点处热流密度和当地太阳法向直射辐照度，通过测量点热流密度与当地太阳法向直射辐照度的比值获得测试点处处随时间变化的的光学聚光比，采用测试时间间隔内对随时间变化的光学聚光比的积分平均方法，去除光学聚光比随时间的变化，获得测量点的光学聚光比，调整热流传感器的位置，获得碟式聚光器聚光焦平面上多个测量点的光学聚光比，结合数学插值算法，可以获得碟式聚光器聚光焦平面上任意点的光学聚光比。这种通过直接测量碟式聚光器聚光焦平面上热流密度分布的方法，可实现对碟式聚光器聚光性能的测试与评价。本发明的碟式聚光器性能测试装置，以水冷式热流传感器为测试元件，耐火材料板为热流传感器的安装基板，以太阳直射辐射表测量太阳能法向直射辐射值，利用数据采集仪实时获取热流密度和太阳能法向直射辐照度数据。

本发明测试方法的原理如下：

碟式聚光器可以实现对太阳光线的高效跟踪，在理想反射面、理想跟踪情况下，聚光焦平面上热流密度的分布相对值不随太阳位置变化而变化，其热流密度的大小仅与碟式聚光器所在地的太阳法向直射辐照度有关，对于给定的碟式聚光器，其热流密度分布保持不变。在聚光焦平面的二维坐标系内，碟式聚光器聚光焦平面上热流密度分布函数可以表示为：

q(x，y，τ)＝DNI(τ)C(x，y)       (1)

式中x，y为碟式聚光器聚光焦平面二维坐标系内的坐标变量，τ表示时间，DNI(τ)为随时间变化的当地太阳法向直射辐照度，C(x，y)为碟式聚光器聚光焦平面上光学聚光比在几何坐标(x，y)上的值，对于准确跟踪的碟式聚光器，任意几何坐标点(x，y)上的光学聚光比C(x，y)不随时间变化。

在碟式聚光器的实际运行中，由于受跟踪精度和环境风速的影响，对于碟式聚光器聚光焦平面上某个几何坐标(x，y)，其光学聚光比是随时间变化的，本发明的测试装置采用热流传感器直接测量多个测点的瞬时热流密度值，测得几何坐标(x，y)上瞬时光学聚光比C(x，y，τ)，其表达式如式(2)：

$C(x,y,\mathrm{\τ})=\frac{q(x,y,\mathrm{\τ})}{\mathrm{DNI}\left(\mathrm{\τ}\right)}---\left(2\right)$

在测试时间间隔Δτ内，采用本发明的测试装置测试多个几何坐标(x，y)点的瞬时光学聚光比C(x，y，τ)，经公式(3)的积分平均方法获得几何坐标(x，y)的光学聚光比C(x，y)。

$C(x,y)={\∫}_0^{\mathrm{\Δ\τ}}\frac{C(x,y,\mathrm{\τ})}{\mathrm{\Δ\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

获得碟式聚光器聚光焦平面上的光学聚光比分布C(x，y)后，通过直接日射表测量得到随时间变化的当地太阳法向直射辐照度DNI(τ)，通过式(1)即可获得碟式聚光器聚光焦平面上的热流密度分布，可为碟式聚光器上安装的吸热装置提供准确的能量输入信息。

本发明测试方法的实施步骤为：采用热流传感器和直接日射表同时测量公式(2)中碟式聚光器聚光焦平面上几何坐标(x，y)的热流密度分布q(x，y，τ)和随时间变化的当地太阳法向直射辐照度DNI(τ)，通过公式(2)计算出碟式聚光器聚光焦平面上几何坐标(x，y)随时间变化的光学聚光比C(x，y，τ)；通过公式(3)的方法去除光学聚光比分布随时间的变化，获得碟式聚光器聚光焦平面上几何坐标(x，y)的光学聚光比C(x，y)；在碟式聚光器使用过程中，可仅采用直接日射表测量当地太阳法向直射辐照度DNI(τ)，通过式(1)即可获得碟式聚光器聚光焦平面上任意几何坐标(x，y)随时间变化的热流密度q(x，y，τ)。

基于以上测试原理，本发明设计了一种测试装置。本发明测试装置由旋转基板、热流传感器、固定框架等组成，旋转基板由可耐1200℃以上温度的耐火材料制成，旋转基板为薄圆板，旋转基板上设有若干热流传感器安装孔，热流传感器安装孔为圆柱形通孔，热流传感器安装孔的圆心连线与旋转基板的某一直径重合，用于安装热流传感器，旋转基板的侧面预留有四个形状与尺寸相同的基板固定孔，用于旋转基板与固定框架的连接。热流传感器为圆柱形，带有冷却水管和信号引线，用于实时测量投入的聚光辐射能流密度。固定框架为一圆形金属或者非金属框架，由圆形框架和固定基座组成，圆形框架部分的圆心与旋转基板的圆心重合，固定框架上预留有若干螺栓孔，螺栓孔的尺寸与旋转基板上的基板固定孔相同，相对于旋转基板的旋转中心呈均匀角度间隔分布。旋转基板与固定框架采用螺栓销钉连接，实现热流传感器的固定。

测试过程中，旋转基板与热流传感器相对位置保持不变，依次调节旋转基板与固定框架的相对安装角度，可获得热流传感器在碟式聚光器聚光焦平面上按角度变化的相对位置，结合当地太阳法向直射辐照度数值，即可通过式(2)测得该角度下各测点的光学聚光比，调节旋转基板的角度，获得多个角度、多个测点的光学聚光比，通过数值插值方法进而获得碟式聚光器聚光焦平面上的光学聚光比分布。

本发明的测试方法物理意义明确，测试装置可以用于长时间测试也可以用于短时间测试，采用热流传感器直接测量热流密度值，测试精度高，简单易行，采用的热流传感器数量少，成本较低。

附图说明

图1本发明太阳能碟式聚光器聚光性能测试装置示意图；

图2本发明旋转基本示意图；

图3本发明所用热流传感器示意图；

图4本发明固定框架的中心剖面图；

图5本发明太阳能碟式聚光器聚光性能测试系统工作原理图。

图中：1旋转基板、2热流传感器、3固定框架、4螺栓销钉、5热流传感器安装孔、6基板固定孔、7热电堆、8冷却水管、9信号引线、10圆形框架、11固定基座、12螺栓孔、13碟式聚光器、14热流密度测试装置、15直接日射表、16数据采集仪、17计算机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示的碟式聚光器聚光性能测试装置。如图1所示，该装置由旋转基板1、热流传感器2、固定框架3组成。固定框架3位于该测试装置的最外层，包围旋转基板1的四周，旋转基板1与固定框架3通过螺栓连接，旋转基板1上安装有热流传感器2。

旋转基板1呈圆盘形，旋转基板1可由耐火材料一体成型而成，旋转基板1预留有热流传感器安装孔5，用于安装热流传感器2，旋转基板1的侧面预置有4个基板固定孔6，基板固定孔6在旋转基板1的圆周方向均匀分布，相邻两个基板固定孔6之间夹角为90°。

如图2所示，热流传感器2由热电堆7、冷却水管8、信号引线9组成，热电堆7为接收太阳能聚光辐射能流的元件，直接决定热流密度测试的精度，冷却水管8分为进水管与出水管，用于热电堆7内冷却水的流入和流出，信号引线9的作用为热电堆7测试信号的远程输送。

固定框架3的侧面剖面图如图4所示，固定框架3由圆形框架10和固定基座11组成，圆形框架10和固定基座11连接为一体，圆形框架10与旋转基板1的圆心重合，圆形框架10侧面中心预置有若干个螺栓孔12，螺栓孔12在圆形框架10的圆周方向均匀分布，相邻两个螺栓孔12的夹角可被90°整数相除。工作时，热流传感器2牢固的安装在旋转基板1上，旋转基板1与固定框架3的圆形框架10通过螺纹销钉4紧固连接，固定框架3的固定基座11与碟式聚光器紧固连接，旋转基板1与碟式聚光器的聚光焦平面重合。调整旋转基板1在固定框架3上的安装角度，实现不同位置热流密度测点的测量。

图5为本发明太阳能碟式聚光器聚光性能测试系统工作原理，由碟式聚光器13、热流密度测试装置14、直接日射表15、数据采集仪16、计算机17组成，热流密度测试装置14安装在碟式聚光器13的聚光焦平面上，测得的热流密度相对应的电信号传输给数据采集仪16，直接日射表15是自动跟踪仪器，其采集到的太阳能法向直射辐照度电信号传输到数据采集仪16，数据采集仪16与计算机17相连，测试数据存储至计算机17内供相应软件分析使用。工作时，预先调整热流密度测试装置14上旋转基板1相对于固定框架3的相对角度，运行碟式聚光器13，启动直接日射表15、数据采集仪16和计算机17，同步采集数据，热流密度测试装置14随碟式聚光器13一同运动。调整热流密度测试装置14上旋转基板1相对于固定框架3的相对角度，重复此测试过程，可获得全部测试数据。

测试时：

(1)调整热流密度测试装置14上旋转基板1相对于固定框架3的相对角度，记录该测试工况下的热流传感器2的位置坐标(x，y)；

(2)在太阳辐射资源较好的天气时开展实验，利用直接日射表15测得太阳法向直射辐照度DNI(τ)，通过热流传感器2测试该位置的热流密度分布q(x，y，τ)，通过式(2)计算出碟式聚光器聚光焦平面上该坐标(x，y)的光学聚光比分布C(x，y，τ)；

(3)再次调整热流密度测试装置14上旋转基板1相对于固定框架3的相对角度，获得热流传感器2新的位置坐标(x，y)，重复步骤(2)，即可获得新坐标(x，y)下的光学聚光比分布C(x，y，τ)；

(4)重复步骤(3)，直至获得所有预定坐标(x，y)分布下的光学聚光比分布C(x，y，τ)；

(5)分析所有坐标点(x，y)处光学聚光比分布C(x，y，τ)随时间的变化特征，经公式(3)计算去除时间的影响，获得光学聚光比分布C(x，y)；

(6)在碟式聚光器使用过程中，仅采用直接日射表15测量太阳法向直射辐照度DNI(τ)，通过式(1)即可获得碟式聚光器聚光焦平面上任意位置随时间的热流密度分布q(x，y，τ)。

Claims (7)

1.一种太阳能碟式聚光器聚光性能测试方法，其特征在于，所述的测试方法采用多次分时测试碟式聚光器聚光焦平面上多个测量点的热流密度与当地太阳法向直射辐照度，通过测量点热流密度与当地太阳法向直射辐照度的比值获得测量点处随时间变化的光学聚光比，调整热流传感器在碟式聚光器聚光焦平面上的相对位置，获得多个测量点随时间变化的光学聚光比，采用测试时间间隔内对随时间变化的光学聚光比的积分平均方法，去除光学聚光比随时间的变化，获得测量点的光学聚光比，通过数学插值算法，获得碟式聚光器聚光焦平面上任意点的光学聚光比。

2.按照权利要求1所述的太阳能碟式聚光器聚光性能测试方法，其特征在于，所述的测试方法的步骤为：采用热流传感器测量碟式聚光器聚光焦平面上任意几何坐标(x，y)随时间变化的热流密度q(x，y，τ)，同时利用直接日射表测量随时间变化的当地太阳法向直射辐照度DNI(τ)，通过公式(2)计算得到瞬时的光学聚光比分布C(x，y，τ)：

$C(x,y,\mathrm{\τ})=\frac{q(x,y,\mathrm{\τ})}{\mathrm{DNI}\left(\mathrm{\τ}\right)}---\left(2\right)$

在测试时间间隔Δτ内，通过公式(3)的积分平均方法去除光学聚光比随时间的变化影响，获得几何坐标(x，y)的光学聚光比C(x，y)：

$C(x,y)={\∫}_0^{\mathrm{\Δ\τ}}\frac{C(x,y,\mathrm{\τ})}{\mathrm{\Δ\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

式中x，y为碟式聚光器聚光焦平面二维坐标系内的坐标变量，τ表示时间。

3.按照权利要求1所述的太阳能碟式聚光器聚光性能测试方法，其特征在于，在碟式聚光器聚光焦平面的二维坐标系内，碟式聚光器聚光焦平面上热流密度分布函数q(x，y，τ)表示为随时间变化的当地太阳法向直射辐照度DNI(τ)和碟式聚光器聚光焦平面上的光学聚光比C(x，y)乘积的公式(1)，其中光学聚光比C(x，y)值是固定不变的：

q(x，y，τ)＝DNI(τ)C(x，y)             (1)

上式中：q(x，y，τ)为几何坐标(x，y)随时间变化的热流密度，x，y为碟式聚光器聚光焦平面二维坐标系内的坐标变量，τ表示时间。

4.应用权利要求1测试方法的测试装置，其特征在于，所述的测试装置由旋转基板(1)、热流传感器(2)、固定框架(3)、螺栓销钉(4)组成；旋转基板(1)呈圆形，旋转基板(1)上安装多个热流传感器(2)，热流传感器(2)中心点的连线与旋转基板(1)的某一直径重合，旋转基板(1)通过螺栓销钉(4)与固定框架(3)紧固连接。

5.按照权利要求4所说的太阳能碟式聚光器聚光性能测试装置，其特征在于旋转基板(1)通过螺纹销钉(4)紧固在固定框架(3)的圆形框架(10)上，固定框架(3)的固定基座(11)与碟式聚光器紧固连接；旋转基板(1)与碟式聚光器的聚光焦平面重合；调整旋转基板(1)在固定框架(3)上的安装角度，实现不同位置热流密度测点的测量。

6.按照权利要求4所说的太阳能碟式聚光器聚光性能测试装置，其特征在于旋转基板(1)呈圆盘形，由耐火材料制作而成；旋转基板(1)有热流传感器安装孔(5)，旋转基板(1)的侧面有4个基板固定孔(6)，基板固定孔(6)在旋转基板(1)的圆周方向均匀分布，相邻两个基板固定孔(6)之间夹角为90°。

7.按照权利要求4所说的太阳能碟式聚光器聚光性能测试装置，其特征在于固定框架(3)由圆形框架(10)和固定基座(11)组成，圆形框架(10)和固定基座(11)连接为一体，圆形框架(10)与旋转基板(1)的圆心重合，圆形框架(10)侧面中心有多个螺栓孔(12)，螺栓孔(12)在圆形框架(10)的圆周方向均匀分布，相邻两个螺栓孔(12)的夹角可被90°整数相除。

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