CN103175675A

CN103175675A - 一种聚光倍率测试装置

Info

Publication number: CN103175675A
Application number: CN2011104511784A
Authority: CN
Inventors: 梁培; 董前民; 邹世碧; 陈志明; 黄杰
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明公开了一种聚光倍率测试装置，包括：光源、扩束系统、斩波器、聚光透镜、硅光电池、信号采集系统、信号处理系统、步进电机、导轨、底座等。导轨，步进电机位于底座上，光源、扩束系统、斩波器、聚光透镜、硅光电池位于导轨上，步进电机通过导轨调节聚光透镜和硅光电池水平位置，硅光电池与信号采集系统连接，信号采集系统与信号处理系统连接。该装置由光源发出光束，通过斩波器、扩束系统、聚光透镜、硅光电池扫描采集信号并转变为电信号输出到信号采集系统，通过信号采集系统将信号传送到信号处理系统，由信号处理系统处理数据，经PC机输出结果。

Description

一种聚光倍率测试装置

技术领域

本发明涉及一种测试装置，尤其涉及一种透镜聚光性能测试装置。

背景技术

太阳能利用主要基于光伏效应和光热效应，目前，太阳能光伏效应被广泛应用于太阳能发电，而对于太阳能光伏系统，其中聚光系统的使用能够大大提高太阳能的利用率。人们对聚光系统的性能要求越来越高，对聚光系统光学、电学等性能的测试显得尤为重要。传统的聚光倍率测试方法主要采用比较聚光前后光斑的大小来确定，但这种方法有两个难点，其一是准平行光的夹角仅为0.2°，难以模拟，光源系统难以获得；其二是光斑的大小受诸多因素的影响，最重要的有激光模式、衍射和球差，因此准确判定光斑大小难度高。

发明内容

本发明的目的是提供一种以能量的方法来测试聚光倍率的装置，即将聚光前后的光强信号转换成电信号来比较获得聚光倍率，该装置结构简单、测试方便，在室内便可对聚光系统的聚光倍率进行测试。

本发明解决问题的技术方案为：一种聚光倍率测试装置，其特征在于该装置包括：光源、扩束系统、斩波器、聚光透镜、硅光电池、信号采集系统、信号处理系统、步进电机、导轨、底座等，导轨，步进电机位于底座上，光源、扩束系统、斩波器、聚光透镜、硅光电池位于导轨上，步进电机通过导轨调节聚光透镜和硅光电池水平位置，硅光电池与信号采集系统连接，信号采集系统与信号处理系统连接。

所述的光源采用是激光光源或白光LED光源，可模拟太阳光。

所述的扩束系统使用二级扩束，得到焦斑直径较大的平行光，以测试不同聚光倍率的聚光镜。

所述的光源、扩束系统、斩波器、聚光透镜、硅光电池可根据需要调节方向、位置，可拆卸。

所述的信号采集系统由硅光电池，NI数据采集卡构成，硅光电池采集光强信号并转变成电信号输出到NI数据采集卡，NI数据采集卡将信号传送到信号处理系统。

所述的信号处理系统采用LabVIEW程序语言编程处理数据。首先将采集得到的信号进行放大和窗口函数滤波处理，再通过计算聚光前后的电流信号数值大小，输出实时聚光倍数测量值。

图1是该聚光倍率测试装置的系统框图。

图2是该聚光倍率测试装置的结构示意图。图中1为光源，2为斩波器，3为扩束系统，4为聚光透镜，51、52为硅光电池，6为底座，7为水平导轨，8为垂直导轨，9为垂直导轨，101、102为步进电机，11为数据采集线。

图3是该聚光倍率测试装置中信号采集系统的构成框图。

图4是该聚光倍率测试装置的底座几何关系示意图。图中1为光源，2为斩波器，3为扩束系统，4为聚光透镜，51、52为硅光电池。

图5是该聚光倍率测试装置中聚光透镜和硅光电池52的控制电路。图中P1、P2为步进电机驱动，U1、U2分别为P1、P2的控制电路，S1、S2、S3、S4、S5为开关。

图6是该聚光倍率测试装置中扩束系统的结构原理图。

图7是该聚光倍率测试装置中信号处理系统中采集数据示意图，图7a为聚光后光强信号采集过程，图7b为采集得到的矩阵数据。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

图1中，光源发出光束，连续光束通过斩波器形成脉冲光束，通过扩束系统得到焦斑直径较大的平行光，脉冲光束经过聚光透镜，硅光电池扫描，采集信号转变为电信号输出到NI数据采集卡，聚光透镜每在轨道上滑动一个扫描点，硅光电池匀速滑动过整个轨道，由单片机控制的两个步进电机控制其运动，按照预定的采样频率采集信号，直到聚光透镜逐点滑动过整个轨道后，通过NI数据采集卡将采集到的电信号传送到PC，得到聚光后光强信号。信号处理系统Labview通过将电信号进行放大、滤波，将聚光前后电信号强度进行比较，显示输出实时测试结果，得到聚光透镜的聚光倍率。信号处理系统Labview通过将电信号进行放大、滤波，将聚光前后电信号强度进行比较，显示输出实时测试结果，得到聚光透镜的聚光倍率。

图2、图3和图4中，该聚光倍率测试装置由光源1、斩波器2、扩束系统3、聚光透镜4、硅光电池51、导轨7，8，9、底座6构成。光源1与斩波器2之间的距离为L1，斩波器2与扩束系统之间的距离为L2，扩束系统3与聚光透镜4之间的距离为L3，聚光透镜4与硅光电池51之间的距离为L4，扩束系统3中两个扩束镜间的距离为L5，底座的宽度为D、长度为L，聚光透镜的长度为A，A的大小不得超过D的一半。光源1使用激光光源或者白光LED光源，模拟太阳光；斩波器2将连续光束变成脉冲光束，以消除杂散光等引起的环境噪声；扩束系统3使用二级扩束的方法，得到焦斑直径较大的平行光，以测试不同聚光倍率的聚光透镜；聚光透镜4由单片机控制的步进电机101控制，可以在轨道8上左右滑动，通过手动调节在轨道7上前后移动，调节位置将光束汇聚到一点，获得均匀且强的照度；硅光电池52由单片机控制的步进电机102控制，可以在轨道9上左右匀速滑动，可以通过手动调节在轨道7上前后移动，调节位置获取最优测试点；信号采集系统由硅光电池51、52、数据采集线11、NI数据采集卡构成，硅光电池采集光强信号并转换成电信号输出到NI数据采集卡，NI数据采集卡将电信号传送到信号处理系统。

图5是聚光倍率测试装置步进电机的驱动控制电路，控制聚光透镜4和硅光电池52分别在导轨8、9上左右滑动。图中，P1接步进电机101，电路模块U1控制其运动；P2接步进电机102，电路模块U2控制其运动；S1为复位开关，按下后系统重新开始测试；S2，S3可以调节电路模块产生的脉冲信号的占空比，从而进一步控制步进电机的转速快慢；S4，S5为控制步进电机运动方向，即正转或反转。

图6是该聚光倍率测试装置中扩束系统的结构原理图，两级扩束采用伽利略望远镜系统原理，由两组凹透镜、凸透镜组成，光束经两级扩束得到焦斑直径较大的平行光，提高了光束的准直性，能够减小测试误差，提高测量精度。

图7是该聚光倍率测试装置中信号处理系统采集数据示意图，a为聚光后光强信号采集过程，b为采集得到的矩阵数据。聚光透镜4通过第一个扫描点，硅光电池52通过n个扫描点，得到a₁₁、a₁₂……a_1n一组数据，当聚光透镜通过m个扫描点完成一次测试后，将得到一组m×n的矩阵数据。信号采集系统采集得到的初始光强信号强度为I_O，将矩阵内所有数据相加，除以m得到最终光强信号强度I，最终光强信号强度I除以初始光强信号强度为I_O为聚光透镜的聚光倍率η。其中计算式为：η＝I/I_O，

具体的测试步骤如下：

按照聚光倍率测试装置的结构示意图安装好各元件，开启光源，连续光束通过斩波器得到脉冲光束，位于斩波器和扩束系统之间的硅光电池光敏面正对斩波器通光处，使光束全部照射在硅光电池上，待脉冲光束稳定后，开始采集初始信号强度，记录初始数据，得到初始光强信号。

将位于斩波器和扩束系统之间的硅光电池取下，光源发出的连续光束通过斩波器得到脉冲光束，脉冲光束通过扩束系统和聚光透镜照射在硅光电池上，待光束稳定后，硅光电池开始扫描采集信号，记录聚光后数据，得到最终光强信号强度。

信号处理系统根据两次所测量记录的光强信号强度，根据聚光倍率计算方法，直接计算获得聚光透镜的聚光倍率，并由PC机显示。

根据聚光透镜的不同可以对该装置中各种部件的距离进行调试，以便测试结果更加精确。该装置结构简单，操作方便，适用范围广。

Claims

1.一种聚光倍率测试装置，其特征在于该装置包括：光源、扩束系统、斩波器、聚光透镜、硅光电池、信号采集系统、信号处理系统、步进电机、导轨、底座等，导轨，步进电机位于底座上，光源、扩束系统、斩波器、聚光透镜、硅光电池位于导轨上，步进电机通过导轨调节聚光透镜和硅光电池水平位置，硅光电池与信号采集系统连接，信号采集系统与信号处理系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种聚光倍率测试装置，其特征在于：所述的光源是激光光源或者白光LED光源。

3.根据权利要求1所述的一种聚光倍率测试装置，其特征在于：所述的斩波器将连续光束转变为脉冲光束，以在信号处理时消除环境噪声。

4.根据权利要求1所述的一种聚光倍率测试装置，其特征在于：所述的扩束系统采用二级扩束，得到焦斑直径较大的平行光。

5.根据权利要求1所述的一种聚光倍率测试装置，其特征在于：所述的信号采集系统由硅光电池，NI数据采集卡构成，硅光电池采集光强信号并转变成电信号输出到NI数据采集卡，NI数据采集卡将信号传送到信号处理系统。