CN102788640A

CN102788640A - 小朗伯靶能流密度测量仪

Info

Publication number: CN102788640A
Application number: CN2012102831975A
Authority: CN
Inventors: 张鸿斐; 王志峰; 张剑寒; 郭明焕
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: CN102788640B

Abstract

一种小朗伯靶能流密度测量仪，包括主体部分、支撑部分和传动部分。所述的主体部分为小朗伯靶和能流计。所述的支撑部分由铝型材构架、丝杠安装座、丝杠支撑座、三个支撑座、三个上轴承支撑座、三个下轴承支撑座、一根底座横梁、三根底座纵梁、两根边梁、电机安装座，以及滑轨和滑块构成。所述的传动部分由丝杠、联轴器、步进电机、减速机、齿轮芯轴、两个小齿轮，以及一个大齿轮构成。通过步进电机（24）和减速机（25）带动大齿轮（32）、和两个小齿轮，将动力传递给丝杆（15）来驱动小朗伯靶上下移动。在铝型材构架（11）上安装有能流计（14）测量该坐标位置的能流密度值。

Description

小朗伯靶能流密度测量仪

技术领域

本发明涉及一种太阳能吸热器采光口能流密度测量仪器。

背景技术

目前，世界上用于太阳能吸热器采光口的能流密度测量，大多数是采用多点采样的方案。对小型聚光器的光斑区域进行网格划分，利用机械设备拉动能流计在不同网格点处进行采样，通过拟合或者面积积分的方法计算总的能量输入。但很多情况下能流分布不规则，光斑长时间的晃动，能流密度测量往往准确性不高。

西班牙MDF是运行在PSA的新一代能流测量系统，具有直接测量和间接测量两种功能。它在朗泊靶边缘安装若干个能流计，将其旋转扫过聚光口，每个能流计可以测量所经过路径的能流值。但因为以下原因，采光口的能流分布远离理想情况。定日镜场处于大风当中，这会引起定日镜的晃动；实际的定日镜支架和镜面均存在着机械形变；都会使定日镜控制系统跟踪太阳的延迟，并具有以下两个特点：不同点的能流强度相差很大；能流强度随时间变化很快。采用传统的热工方法，很难精确、迅速的测量大范围内的能流密度分布情况。基于朗伯靶的间接式测量方案，用具有漫反射特性的朗伯靶覆盖住吸热器的采光口。用CCD相机拍摄得到各点的灰度值。根据参考点的能流强度和灰度值，得到二者的转换关系，继而求出整个聚光口的能流分布。

采用这种旋转方式缺陷是惯性力很大，并且要求环境风速很小的情况下进行，如果有大风天气话，测量得到数据就误差很大，且旋转靶摆动动力装置负载增加，很容易造成靶损坏或动力装置过载烧毁。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提出一种能流测量装置。本发明受环境风速影响小，精度更高。本发明可准确呈现太阳光斑在小朗伯靶面的实际形状，及通过计算机软件模拟出太阳光斑能流分布图。从而为评价吸热器和镜场跟踪效果提供技术参数。

本发明包括主体部分、支撑部分和传动部分。所述的主体部分为小朗伯靶和能流计。所述的支撑部分由铝型材构架、丝杠安装座、丝杠支撑座、三个支撑座、三个上轴承支撑座、三个下轴承支撑座、一根底座横梁、三根底座纵梁、两根边梁、电机安装座，以及滑轨和滑块构成。所述的传动部分由丝杠、联轴器、步进电机、减速机、齿轮芯轴、两个小齿轮，以及一个大齿轮构成。

所述主体部分中，小朗伯靶面向太阳一面为正面并喷涂一定厚度的涂层，所述的涂层具有漫反射特性。所述小朗伯靶作为表面涂层的载体，具有重量轻、耐高温特性。小朗伯靶背面的两个端部安装有所述的滑块，所述的滑块与滑轨配合安装。所述的能流计安装在铝型材构架上端横梁的中间位置。

所述的支撑部分中，铝型材构架底部为一个长方体底座，底座的长方体宽度方向的第一边梁和第二边梁的中间位置各固定一个立柱，在边梁上端由铝型材横梁连接两个立柱，组成铝型材构架。采用铝型材作为构架优点有防腐蚀性高于普通钢材，其次表面美观，并且重量轻。两个所述的丝杠安装座采用铝材质加工而成，分别安装在铝型材构架上端横梁的两侧。所述的丝杠支撑座固定于丝杠座之上，与丝杠进行装配。铝型材构架底座内安装有一根底座横梁，三个所述的支撑座安装在铝型材构架底座的底座横梁上。第一支撑座和第三支撑座安装在底座横梁的近端，第二支撑座安装在底座横梁的中间位置。铝型材构架底座内还有安装有三根底座纵梁。第一上轴承支撑座安装在第一支撑座的下表面，第一下轴承支撑座安装于铝型材构架的第一底座纵梁上。第二上轴承支撑座安装在第二支撑座的下表面，第二下轴承支撑座安装于铝型材构架的第二底座纵梁上。第三上轴承支撑座安装在第三支撑座的下表面，第三下轴承支撑座安装于铝型材构架的第三底座纵梁上。电机安装座安装在第二支撑座的上表面。丝杠支撑座固定于丝杠安装座之上，滑轨安装于铝型材构架两侧的立柱上，滑块安装在小朗伯靶背面的两端。

所述的传动部分中，丝杠插入丝杠支撑座固定装配。两个小齿轮与大齿轮啮合。其中第一小齿轮中心第一齿轮芯轴上下两端分别与第一上轴承支撑座和第一下轴承支撑座装配在一起，第二小齿轮中心第三芯轴上下两端分别与第三上轴承支撑座和第三下轴承支撑座装配在一起。第一小齿轮和第二小齿轮中心第一齿轮芯轴和第三齿轮芯轴上端分别从第一上轴承支撑座和第三上轴承支撑座伸出，所伸出的部分通过联轴器与丝杠下端固定在一起。大齿轮上端面安装有第二上支撑座，第二上支撑座安装电机安装座，步进电机和减速机组合装配一起安装在电机安装座之上。减速机通过联轴器和大齿轮中心第二齿轮芯轴的上端连接在一起。步进电机将动力传递给减速机，经减速机降速后再传递给大齿轮，带动第一小齿轮和第二小齿轮旋转，丝杠同时也旋转，带动小朗伯靶在丝杠和滑轨上上下移动。

所述的步进电机带动大齿轮转动，与大齿轮啮合的两个小齿轮一起转动，丝杠上安装的小朗伯靶上下匀速平移过太阳光斑的焦点位置，并通过专业相机记录每一个坐标位置的小朗伯靶表面光斑图像，此光斑图像与能流计记录的数值对应，以能流计坐标位置的光斑图像为参考点，拟合出太阳能光斑能流分布图。

本发明采用齿轮啮合传动方式，其结构紧凑、传动效率高、精度高等优点。齿轮选用满足设计要求的标准碳钢齿轮，对应的齿轮轴承安装座都进行选配，齿轮芯轴根据选配的齿轮进行机加工制作。

本发明有如下优点：第一，整个构架采用铝型材，并大部分加工件材质选用铝合金，所以整个仪器总体重量轻、抗腐蚀性比普通钢材好、易维护、互换性高，并且铝质表面看上去有很舒服的视觉感。第二，朗伯靶在测量过程中稳定上下移动，受环境风速的影响力很小，这样得到的测量结果更加精确。第三，采用垂直上下移动朗伯靶测量的方式，运行平稳可靠，可以均匀采集光斑照片。

附图说明

图1本发明测量仪结构示意图，图中：11铝型材构架、12丝杠安装座、13丝杠支撑座、14能流计、15丝杠、16滑轨、17小朗伯靶、18铝板、19角件；

图2本发明测量仪底座结构示意图，图中：20第一齿轮芯轴、21第一上轴承支撑座、22第一支撑座、23联轴器、24步进电机、25减速机、26电机安装座、27第三齿轮芯轴、28第二支撑座、29第三支撑座、30第二齿轮芯轴、33第一下轴承支撑座、34第二上轴承支撑座、35第二下轴承支撑座、36第三上轴承支撑座、37第三下轴承支撑座、38底座横梁；

图3=本发明测量仪底座俯视图，图中：31第一小齿轮、32大齿轮、39第一边梁、40第二边梁、44第一底座纵梁、45第二底座纵梁、46第三底座纵梁、47第二小齿轮；

图4a小朗伯靶结构正面示意图，图中：41表面涂层；

图4b小朗伯靶结构背面示意图，图中：42丝杠螺母、43滑块。

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。

本发明整体结构如图1所示。小朗伯靶能流密度测量仪包括主体部分、支撑部分和传动部分。所述的主体部分为小朗伯靶17和能流计14。所述的支撑部分由铝型材构架11、丝杠安装座12、丝杠支撑座13、第一支撑座22、第一上轴承支撑座21、电机安装座26，第二支撑座28、第三支撑座29、第一下轴承支撑座33、第二上轴承支撑座34、第二下轴承支撑座35、第三上轴承支撑座36、第三下轴承支撑座37、底座横梁38、第一边梁39、第二边梁40、第一底座纵梁44、第二底座纵梁45、第三底座纵梁46、以及滑轨16和滑块43构成。所述的传动部分由丝杠15、联轴器23、步进电机24、减速机25、第一齿轮芯轴20、第二齿轮芯轴30、第三齿轮芯轴27、第一小齿轮31、第二小齿轮47，以及一个大齿轮32构成。

如图1所示，所述主体部分中，小朗伯靶17表面喷涂有涂层，所述的涂层具有漫反射特性。小朗伯靶17安装在丝杠15和滑轨16上，由丝杠15带动小朗伯靶17在滑轨16上下移动。所述能流计14固定在铝型材构架11上端横梁的中间位置。

所述的支撑部分中，铝型材构架11底部为一个长方体底座，底座的长方体宽度方向的第一边梁39和第二边梁40的中间位置各固定一个立柱，在两根立柱的上端由铝型材横梁连接两个立柱，组成铝型材构架。两个所述的丝杠安装座12分别安装在铝型材构架11上端横梁的两侧。所述的丝杠支撑座13固定于丝杠安装座12之上，与丝杠15的一端装配在一起。丝杠15的另一端通过连轴器23与第一齿轮芯轴20和第三齿轮芯轴27相连。滑轨16安装于铝型材构架11两侧的立柱上，滑块43安装在小朗伯靶17背面的两端。

如图2所示，在铝型材构架11的底座内安装有一根底座横梁38。所述的第一支撑座22、第二支撑座28和第三支撑座29安装在底座横梁38上，第一支撑座22和第三支撑座29安装在底座横梁38靠近端部的位置，第二支撑座28安装在底座横梁38的中间位置。铝型材构架底座内还有安装有三根底座纵梁44、45和46。第一上轴承支撑座21安装在第一支撑座22的下表面，第一下轴承支撑座33安装于第一底座纵梁44上。第二上轴承支撑座34安装在第二支撑座28的下表面，第二下轴承支撑座35安装于第二底座纵梁45上。第三上轴承支撑座36安装在第三支撑座29的下表面，第三下轴承支撑座37安装于第三底座纵梁46上。电机安装座26安装在第二支撑座28的上表面。

所述的传动部分中，丝杠15插入丝杠支撑座13固定装配。如图2和3所示，所述的第一小齿轮31和第二小齿轮47与大齿轮32啮合，并且大齿轮32处于第一小齿轮31和第二小齿轮47两者之间。其中第一齿轮芯轴20的上下两端分别与第一上轴承支撑座21和第一下轴承支撑座33装配在一起，第三齿轮芯轴27的上下两端分别与第三上轴承支撑座36和第三下轴承支撑座37装配在一起。第一齿轮芯轴20和第三齿轮芯轴27的上端分别从第一上轴承支撑座21和第三上轴承支撑座36伸出，第一齿轮芯轴20和第三齿轮芯轴27所伸出的部分通过联轴器23与丝杠15下端固定在一起。第二支撑座28上面安装电机安装座26，步进电机24和减速机25组合装配一起安装在电机安装座26之上。减速机25通过联轴器23和第二齿轮芯轴30的上端连接在一起。步进电机24将动力传递给减速机25，经减速机25降速后再传递给大齿轮32，带动两个小齿轮31旋转，丝杠15同时也旋转，带动小朗伯靶17在丝杠15和滑轨16上上下移动。

图4a和4b为本发明主体部分的小朗伯靶的正面和背面示意图。所述的小朗伯靶17面向太阳的一面为正面，此面喷涂有漫反射涂层41，涂层41的材质为三氧化二铝。小朗伯靶背面的两个端部安装有所述的滑块43，所述的滑块43与滑轨16配合安装。滑块43固定在小朗伯靶背面两个端部。小朗伯靶背面还安装有丝杠螺母42，通过丝杠螺母42与丝杠15装配。丝杠螺母42在小朗伯靶背面的安装位置根据丝杠15的装配位置确定。

本发明工作原理和工作过程是:通过控制步进电机24的转动速度，带动减速机25输出一定转速和扭矩，带动大齿轮32旋转，与大齿轮32啮合的第一小齿轮31和第二小齿轮47同时转动，丝杠15分别跟随第一小齿轮31和第二小齿轮47一起运动，从而带动小朗伯靶17在滑轨16上下移动。小朗伯靶17往复运动在太阳光聚焦处，在远离小朗伯靶一定距离处安放相机，相机面向小朗伯靶，拍摄表面太阳光斑。在小朗伯靶17开始运动的同时相机开始连续拍摄。能流计14固定安装在铝型材构架11上端横梁的中间位置，正好处于太阳光聚焦的焦点光斑边缘位置。太阳焦点光斑边缘光照在能流计14上，能流计14采集到太阳光焦点光斑边缘位置能流数值，将此能流数值传送入计算机。当小朗伯靶17移动到与能流计14坐标位置重合时，小朗伯靶17便遮挡住能流计14，此时照射在能流计14上的太阳光便照射在小朗伯靶17上，相机拍摄到这一时刻的太阳光斑照片，把此太阳光斑照片与小朗伯靶17未经过能流计14坐标位置时能流计14测的能流值对应起来组成一组，作为参考点，与所得到的小朗伯靶17其他位置照片对应的能流值，合成焦点位置光斑能流分布图。从而为计算吸热器的效率评价、运行和设计提供技术参数，并通过能流分布图了解和改进定日镜场系统的跟踪效果。

Claims

1.一种小朗伯靶能流密度测量仪，其特征在于，所述的测量仪包括主体部分、支撑部分和传动部分；所述的主体部分为小朗伯靶（17）和能流计（14）；所述的支撑部分由铝型材构架（11）、丝杠安装座（12）、丝杠支撑座（13）、第一上轴承支撑座（21）、第一支撑座（22）、电机安装座（26）、第二支撑座（28）、第三支撑座（29）、第一下轴承支撑座（33）、第二上轴承支撑座（34）、第二下轴承支撑座（35）、第三上轴承支撑座（36）、第三下轴承支撑座（37）、底座横梁（38）、第一边梁（39）、第二边梁（40）、第一底座纵梁（44）、第二底座纵梁（45）、第三底座纵梁（46）、滑轨（16）和滑块（43）构成；所述的传动部分由丝杠（15）、联轴器（23）、步进电机（24）、减速机（25）、齿轮芯轴（20、27、30）、第一小齿轮（31）、大齿轮（32）、丝杠螺母（42）、第二小齿轮（47）构成；小朗伯靶（17）安装在丝杠（15）和滑轨（16）上，由丝杠（15）带动小朗伯靶（17）在滑轨（16）上上下移动；所述能流计（14）固定在铝型材构架（11）上端横梁的中间位置；所述的支撑部分中，铝型材构架（11）底座的长方体宽度方向的两根边梁（39、40）的中间位置各固定一个立柱，两根立柱的上端由铝型材横梁连接两个立柱，组成铝型材构架；两个所述的丝杠安装座（12）分别安装在铝型材构架（11）上端横梁的两侧；所述的丝杠支撑座（13）固定于丝杠安装座（12）之上，与丝杠（15）的一端装配在一起，丝杠（15）的另一端通过连轴器（23）与第一齿轮芯轴（20）和第三芯轴（27）相连；滑轨（16）安装于铝型材构架(11)两侧的立柱上，滑块(43)安装在小朗伯靶（17）背面的两端；所述的第一支撑座（22）、第二支撑座（28）和第三支撑座（29）安装在铝型材构架（11）底座内的底座横梁（38）上，第一支撑座（22）和第三支撑座（29）安装在底座横梁(38)靠近端部的位置，第二支撑座（28）安装在底座横梁(38)的中间位置；第一上轴承支撑座（21）安装在第一支撑座（22）的下表面，第一下轴承支撑座（33）安装于铝型材构架(11)底座内的第一底座纵梁（44）上；第二上轴承支撑座（34）安装在第二支撑座（28）的下表面，第二下轴承支撑座（35）安装于铝型材构架(11)底座内的第二底座纵梁（45）上；第三上轴承支撑座（36）安装在第三支撑座（29）的下表面，第三下轴承支撑座（37）安装于铝型材构架(11)底座内的第三底座纵梁（46）上；电机安装座（26）安装在第二支撑座（28）的上表面；所述的传动部分中，丝杠（15）插入丝杠支撑座（13）固定装配；所述的第一小齿轮（31）和第二小齿轮（47）与大齿轮（320啮合，大齿轮(32)处于第一小齿轮（31）和第二小齿轮（47）之间；第一齿轮芯轴（20）的上下两端分别与第一上轴承支撑座（21）和第一下轴承支撑座（33）装配在一起，第三齿轮芯轴（27）的上下两端分别与第三上轴承支撑座（36）和第三下轴承支撑座（37）装配在一起；第一齿轮芯轴（20）和第三齿轮芯轴（27）的上端分别从第一上轴承支撑（21）和第三上轴承支撑座（36）伸出，第一齿轮芯轴（20）和第三齿轮芯轴（27）所伸出的部分通过联轴器（23）与丝杠（15）的下端固定在一起；第二支撑座（28）上安装电机安装座（26），步进电机（24）和减速机（25）组合装配一起安装在电机安装座（26）之上；减速机（25）通过联轴器（23）和第三齿轮芯轴(30）的上端连接在一起。

2.按照权利要求1所述的小朗伯靶能流密度测量仪，其特征在于：所述的步进电机（24）的输出端和减速机（25）的输入端配合安装固连，通过大齿轮（32）与第一小齿轮（31）和第二小齿轮（47）啮合转动传递给丝杠（15）输出动力。

3.按照权利要求1所述的小朗伯靶能流密度测量仪，其特征在于：小朗伯靶（17）表面涂有三氧化二铝涂层（41）。