CN102607708A - 太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置及太阳能流分布图的获取方法 - Google Patents

Abstract

太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置及太阳能流分布图的获取方法，属于光学领域，本发明为解决现有基于CCD相机和白板的传统间接测量太阳能热流方法的数据处理过程十分复杂，而基于阵列热流计的直接测量太阳能热流方法的空间分辨率比较低的问题。本发明在扁状空心盒体的上盖设置有冷却水进口和冷却水出口，扁状空心盒体的下盖的外表面为朗伯表面，下盖内部均匀分布埋有n个热电偶；每个热电偶的温度信号输出端与热电偶数据采集器的一个温度信号输入端相连，热电偶数据采集器的温度信号输出端与计算机的温度信号输入端相连；红外热像仪用于采集朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，红外热像仪的图像输出端与计算机的图像输入端相连。

Description

太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置及太阳能流分布图的获取方法

技术领域

本发明涉及太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置及太阳能流分布图的获取方法，属于光学领域。

背景技术

太阳能高温热转换在热动力发电、制氢、高熔点材料加工等领域有广泛应用。通过测量聚集器焦平面聚集能流分布，与数值模拟结果对比，可获得聚集器面型误差和跟踪误差特征值。结合这两个特征值，采用数值软件可得到吸热器腔体内部的聚集能流分布规律，为吸热器的材料选择、换热通道结构设计提供技术支持。基于CCD相机和白板的传统间接测量方法数据处理过程十分复杂，面基于阵列热流计的直接测量方法空间分辨率比较低。开发一种精度高、操作简单的焦平面聚集太阳能流的测量方法对境场布局、吸热器设计十分必要。

发明内容

本发明目的是为了解决现有基于CCD相机和白板的传统间接测量太阳能热流方法的数据处理过程十分复杂，而基于阵列热流计的直接测量太阳能热流方法的空间分辨率比较低的问题，提供了一种太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置及太阳能流分布图的获取方法。

本发明所述一种太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置，它包括扁状空心盒体、红外热像仪、热电偶数据采集器和计算机，

扁状空心盒体的上盖设置有冷却水进口和冷却水出口，扁状空心盒体的下盖的外表面为朗伯表面，下盖内部均匀分布埋有n个热电偶；

每个热电偶的温度信号输出端与热电偶数据采集器的一个温度信号输入端相连，热电偶数据采集器的温度信号输出端与计算机的温度信号输入端相连；

红外热像仪用于采集朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，红外热像仪的图像输出端与计算机的图像输入端相连；

n＝8～20。

基于所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置的太阳能流分布图的获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置放置在太阳能聚集器的焦平面上，且将朗伯表面朝向太阳能聚集器；然后，同时执行步骤二和步骤三；

步骤二、利用红外热像仪2采集朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，并由计算机4处理后获取光斑半径；

步骤三、n个热电偶1-5采集下盖1-2的温度信号，然后通过热电偶数据采集器3输出给计算机4，获取n个热电偶1-5的平均温度T_L，并利用公式

$C_{\mathrm{NE}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ir}}{\mathrm{\σT}}_{\mathrm{IL}}^n-{\∫}_{0.75\mathrm{\μm}}^{13.0\mathrm{\μm}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σT}}_L^4\mathrm{d\λ}}{\max [{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ir}}{\mathrm{\σT}}_{\mathrm{IL}}^m-{\∫}_{0.75\mathrm{\μm}}^{13.0\mathrm{\μm}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σT}}_L^4\mathrm{d\λ}]}$

获取靶面上正则化太阳能流聚光比C_NE，进面获取了太阳能聚集器的太阳能流分布图；

式中，

ε_Ir是红外热像仪2的参考发射率，

T_IL是红外热像仪2显示的红外温度，

ε_λ是朗伯面的光谱发射率，

T_L是n个热电偶1-5的平均温度，

m是指数，对实验用热像仪，m＝4.09，

σ是Stefan-Boltzmann常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

本发明的优点：本发明是基于红外热像仪和水冷朗伯板的聚集太阳能流红外测量方法，直接采用红外热像仪拍摄水冷白板上的太阳图像，获得聚集太阳能流分布。操作简单，精度高，具有较好的技术可实现和应用潜力。

本发明可用于测量定日境场、抛物面等高倍聚能器的聚集太阳能流分布，评估和改进聚能器的面型结构和加工精度。

本发明在紫铜板上涂硫酸钡膜层制成朗伯板，能高漫反射入射的聚集太阳光。冷却水从朗伯板的盒体内穿过，控制白板的温度值，减少朗伯板自身的红外发射能量。红外热像仪正对布置在聚能器焦平面上的朗伯板，拍摄朗伯板上聚集太阳能流温度图像。操作过程简单，可实现性好。

附图说明

图1是本发明所述一种太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置的结构示意图；

图2是测量太阳能流的原理框图；

图3是太阳能流分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置，它包括扁状空心盒体1、红外热像仪2、热电偶数据采集器3和计算机4，

扁状空心盒体1的上盖1-1设置有冷却水进口1-3和冷却水出口1-4，扁状空心盒体1的下盖1-2的外表面为朗伯表面，下盖1-2内部均匀分布埋有n个热电偶1-5；

每个热电偶1-5的温度信号输出端与热电偶数据采集器3的一个温度信号输入端相连，热电偶数据采集器3的温度信号输出端与计算机4的温度信号输入端相连；

红外热像仪2用于采集朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，红外热像仪2的图像输出端与计算机4的图像输入端相连；

n＝8～20。

热电偶1-5采用E型热电偶，，用于测量朗伯表面平均温度。

冷却水进口1-3和冷却水出口1-4处安装喷嘴，冷却水由冷却水进口1-3进入，由冷却水出口1-4排出，带走朗伯表面吸收的太阳能流，降低朗伯面温度，减少具自身发射红外能量。

本实施方式所述装置用于测量定日境场，碟式和槽式等高倍聚集器的聚集太阳能流分布。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，扁状空心盒体1采用紫铜板制成。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，朗伯表面由硫酸钡涂涂覆在下盖1-2的外表面制成。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，上盖1-1和下盖1-2为正方形。

具体实施方式五：下面结合图1至图3说明本实施方式，基于实施方式一所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置的太阳能流分布图的获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置放置在太阳能聚集器5的焦平面上，且将朗伯表面朝向太阳能聚集器；

冷却水从冷却水进口1-3进入，并从冷却水出口1-4排出，用于降低扁状空心盒体1的伯朗表面的温度；然后，同时执行步骤二和步骤三；

步骤二、利用红外热像仪2采集朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，并由计算机4处理后获取光斑半径；

步骤三、n个热电偶1-5采集下盖1-2的温度信号，然后通过热电偶数据采集器3输出给计算机4，获取n个热电偶1-5的平均温度T_L，并利用公式

$C_{\mathrm{NE}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ir}}{\mathrm{\σT}}_{\mathrm{IL}}^n-{\∫}_{0.75\mathrm{\μm}}^{13.0\mathrm{\μm}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σT}}_L^4\mathrm{d\λ}}{\max [{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ir}}{\mathrm{\σT}}_{\mathrm{IL}}^m-{\∫}_{0.75\mathrm{\μm}}^{13.0\mathrm{\μm}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σT}}_L^4\mathrm{d\λ}]}$

获取靶面上正则化太阳能流聚光比C_NE，

式中，

ε_Ir是红外热像仪2的参考发射率，

T_IL是红外热像仪2显示的红外温度，

ε_λ是朗伯面的光谱发射率，

T_L是n个热电偶1-5的平均温度，

m是指数，对实验用热像仪，m＝4.09，

σ是Stefan-Boltzmann常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；

步骤四、重复的同时执行步骤二和步骤三，将光斑半径作为横坐标，靶面上正则化太阳能流聚光比C_NE作为纵坐，来获取太阳能聚集器的太阳能流分布图。

本发明采用紫铜板制成正方形扁盒体，扁盒体底端外侧面镀有硫酸钡涂层，形成朗伯表面，底端内侧面均匀布置8～10个热电偶1-5，测量朗伯表面的平均温度值。朗伯表面布置在聚集器的焦平面上，漫反射入射聚集太阳能流。为减少自身红外发射能量，冷却水穿过扁盒，带走朗伯表面吸收的太阳能流，降低朗伯表面温度。红外热像仪2正对朗伯表面，拍摄朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，由计算机4进行数据处理，获取光斑半径，获得聚集太阳能流分布图，如图3所示。

Claims (5)

1.太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置，其特征在于，它包括扁状空心盒体(1)、红外热像仪(2)、热电偶数据采集器(3)和计算机(4)，

扁状空心盒体(1)的上盖(1-1)设置有冷却水进口(1-3)和冷却水出口(1-4)，扁状空心盒体(1)的下盖(1-2)的外表面为朗伯表面，下盖(1-2)内部均匀分布埋有n个热电偶(1-5)；

每个热电偶(1-5)的温度信号输出端与热电偶数据采集器(3)的一个温度信号输入端相连，热电偶数据采集器(3)的温度信号输出端与计算机(4)的温度信号输入端相连；

红外热像仪(2)用于采集朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，红外热像仪(2)的图像输出端与计算机(4)的图像输入端相连；

n＝8～20。

2.根据权利要求1所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置，其特征在于，扁状空心盒体(1)采用紫铜板制成。

3.根据权利要求1所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置，其特征在于，朗伯表面由硫酸钡涂覆在下盖(1-2)的外表面制成。

4.根据权利要求1所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置，其特征在于，上盖(1-1)和下盖(1-2)为正方形。

5.基于权利要求1所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置的太阳能流分布图的获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将所述太阳能聚集器聚集太阳能流分布的红外测量装置放置在太阳能聚集器的焦平面上，且将朗伯表面朝向太阳能聚集器；

冷却水从冷却水进口(1-3)进入，并从冷却水出口(1-4)排出，用于降低扁状空心盒体(1)的伯朗表面的温度；然后，同时执行步骤二和步骤三；

步骤二、利用红外热像仪(2)采集朗伯表面的聚集太阳光红外温度图像，并由计算机(4)处理后获取光斑半径；

步骤三、n个热电偶(1-5)采集下盖(1-2)的温度信号，然后通过热电偶数据采集器(3)输出给计算机(4)，获取n个热电偶(1-5)的平均温度T_L，并利用公式

$C_{\mathrm{NE}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ir}}{\mathrm{\σT}}_{\mathrm{IL}}^n-{\∫}_{0.75\mathrm{\μm}}^{13.0\mathrm{\μm}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σT}}_L^4\mathrm{d\λ}}{\max [{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ir}}{\mathrm{\σT}}_{\mathrm{IL}}^m-{\∫}_{0.75\mathrm{\μm}}^{13.0\mathrm{\μm}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σT}}_L^4\mathrm{d\λ}]}$

获取靶面上正则化太阳能流聚光比C_NE，

式中，

ε_Ir是红外热像仪(2)的参考发射率，

T_IL是红外热像仪(2)显示的红外温度，

ε_λ是朗伯面的光谱发射率，

T_L是n个热电偶(1-5)的平均温度，

m是指数，对实验用热像仪，m＝4.09，

σ是Stefan-Boltzmann常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；

步骤四、重复的同时执行步骤二和步骤三，将光斑半径作为横坐标，靶面上正则化太阳能流聚光比C_NE作为纵坐，来获取太阳能聚集器的太阳能流分布图。

Images