CN105222991A - 碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法及测量装置 - Google Patents

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王亚辉
汪凌飞
田瑞
张肖
赵晓燕
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本发明提供一种碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法及测量装置，通过在聚焦平面处布置若干个不同位置的热电偶得到不同位置的能流密度值，从而得到聚焦平面的能流密度分布，测量装置包括若干个热电偶、固定装置、支架、调节装置、数据记录仪和计算机，所述支架固定在调节装置上，所述固定装置安装在支架上，若干个热电偶按不同位置固定在固定装置上，且热电偶测温端的端面与太阳能碟式聚光器的聚焦平面重合，由热电偶处测量的温度经数据记录仪存储至计算机进行分析。本发明解决了传统直接法测量和间接法测量的弊端，其能够精确的实现对碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度的测量，测量精度高、分辨率高，且结构简单、灵活性强、成本低廉。

Description

碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法及测量装置
技术领域
本发明主要涉及碟式太阳能的光热利用技术领域，具体是碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法及测量装置。
背景技术
随着世界范围内化石能源的逐年减少，国际能源的日趋严峻，大力开发太阳能是保障能源安全的重要途径。随着太阳能行业的发展，太阳能聚光技术得到了重视。在塔式、槽式、碟式等聚光技术中，又以碟式聚光发电或高温热利用技术效率最高。碟式聚光利用旋转抛物面反射太阳光到聚焦平面上，大大提高了聚光后的太阳光能流密度。在聚焦平面上安装接收器或斯特林发电机，就可以将太阳能转换为高温热能或电能，以便后续利用。碟式聚光器采用二维跟踪，其聚光比非常高。太阳光经碟式聚光器聚焦后的能流密度值很高，但分布却极为不均匀。准确的测量碟式聚光器聚焦平面的能流密度分布对接收器的结构设计、安装位置和转换效率等起到了关键作用。
目前，常用的碟式太阳能聚焦平面能流密度分布的方法主要有直接测量和间接测量两种，直接法测量能流密度分布是在聚焦平面上离散安装能流计或辐射计来测量能流密度分布，能流计或辐射计采光平面较大，而碟式聚光器聚光后的焦斑面积较小，故传感器在焦面处的布置数量有限，后续要利用数值插值法来处理数据，这就造成了直接测量法分辨率低。同时能流计或辐射计的结构复杂，面对的又是高倍聚光后的太阳能能流，容易损坏，测量过程中还要通过移动其位置点来增加测点的数量，对测试台架要求较高。间接法测量能流密度场是采用光学成像法对能流密度场进行测量，测量系统一般由ChargeCoupledDevice(CCD相机)或数字成像辐射仪、滤光片、朗伯靶和数据采集系统等组成，间接测量方法具有空间分辨率高、数据采集时间短、响应速度快等优点，但是无法得到真实的能流密度值，需要建立图像与能流的函数关系，再通过反演得到能流密度分布。间接测量方法要利用朗伯靶和CCD相机，设备造价昂贵，并且对CCD相机的使用条件有一定要求，灵活性较差。
发明内容
为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法及测量装置，本发明解决了传统直接法测量和间接法测量的弊端，其能够精确的实现对碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度的测量，测量精度高、分辨率高，且结构简单、灵活性强、成本低廉。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法，所述的测量方法是将热电偶垂直于碟式聚光器的聚焦平面安装，使热电偶测温端的平面与聚焦平面重合，在热电偶测温端的平面反射聚焦光束的同时会吸收聚焦光束的能量，并把能量传导至热电偶测温头和套管，当热电偶测温端的温度恒定时，读取热电偶的温度值，建立此传热过程中热电偶的传热模型，通过参数反演得到热电偶测温端平面的能流密度值，通过在聚焦平面处布置若干个不同位置的热电偶得到不同位置的能流密度值，从而得到聚焦平面的能流密度分布。
所述传热模型的建立方法是：投射到热电偶测温端的能流为Eflux，能流Eflux一部分被反射Eref＝ρEflux，另外部分被吸收Eabs＝αEflux，其中吸收的能流Eabs使测温端的温度升高同时会对环境辐射散热和对流散热，辐射散热和对流散热对应的能流分别为Erad和Econv，计算公式为：
Erad＝εσT4(1)
Econv＝h(T-Tenv)(2)
热电偶测温端的能量平衡公式为：
Eabs＝αEflux＝Erad+Econv(3)
上述公式中：ρ为反射率；α为吸收率，且α＝1-ρ；ε为套管的反射率；h为对流换热系数w/(m2·k)；T为套管温度；Tenv为环境温度；σ为玻尔兹曼常数。
所述的测量方法还包括整体的上下移动热电偶，可得到与聚焦平面平行的不同面上的能流密度分布。
应用上述测量方法的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，所述的测量装置包括若干个热电偶、固定装置、支架、调节装置、数据记录仪和计算机，所述支架固定在调节装置上，所述固定装置安装在支架上，若干个热电偶按不同位置固定在固定装置上，且热电偶测温端的端面与太阳能碟式聚光器的聚焦平面重合，由热电偶处测量的温度经补偿导线传输至数据记录仪，数据记录仪通过数据线将数据存储至计算机进行分析。
所述固定装置包括上盘、下盘，所述上盘和下盘之间通过固定螺栓连接，在上盘和下盘上设有相对应的安装孔，所述热电偶固定在安装孔内。
所述下盘的下部设有耐火材料。
所述支架包括三根互成120°角的钢制连接轴，三根连接轴下部连接一竖直的支撑轴，连接轴连接固定装置，支撑轴连接调节装置。
所述调节装置包括圆管和紧固螺钉，所述支撑轴插入圆管后由圆管外侧的紧固螺钉固定。
所述热电偶是铠装热电偶。
所述热电偶包括热电偶测温端、热电偶测温头和套管，由热电偶测温端吸收聚焦光束的能量，并把能量传导至热电偶测温头和套管，所述热电偶测温头包括探头金属外壳、内部绝缘材料和电偶丝。
本发明的有益效果：
1、本发明通过建立热电偶的传热模型，采用同时多点测量的方法可测量出碟式太阳能聚焦平面处的能流密度分布情况，从而实现对聚光器聚光性能的测试与评价，为接收器的设计与安装提供良好的基础。
2、本发明的测量方法简单、可靠，测量精度和分辨率高。
3、本发明结构简单、灵活性强，测量能直接读取热电偶的温度，且结构成本低廉，使用稳定。
4、本发明采用铠装热电偶，方便多点布置和测量。
附图说明
附图1为本发明测量装置结构示意图；
附图2为本发明热电偶的布置结构示意图；
附图3为本发明热电偶结构示意图；
附图4为本发明的工作原理示意图；
附图5为本发明的调节装置结构示意图。
附图中所示标号：1、热电偶；2、固定螺栓；3、上盘；4、下盘；5、耐火材料；6、连接轴；7、支撑轴；8、热电偶测温端；9、内部绝缘材料；10、电偶丝；11、套管；12、探头金属外壳；13、太阳能碟式聚光器；14、太阳光入射光线；15、太阳光反射光线；16、补偿导线；17、计算机；18、数据线；19、数据记录仪；20、调节装置；21、紧固螺钉；22、圆管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明是在太阳能碟式聚光器的聚焦平面处布置热电偶，热电偶垂直于聚焦平面放置，使热电偶的测温端平面和聚焦平面重合，热电偶的测温端平面在反射聚焦光束的同时，会吸收聚焦光束的能量，并把能量传导至热电偶测温头和套管，套管会对外界环境对流散热和辐射散热，达到能量平衡后，热电偶测温端的温度恒定，建立此传热过程中的传热模型，通过参数反演可得到聚焦面对应点的能流强度，同时多点测量可绘制出聚焦面处能流密度分布情况；为了更全面的分析，整体的上下移动热电偶，使热电偶的测温端平面分别处于聚焦平面的平行平面上，可以测得与聚焦平面平行的不同面上的能流密度分布。
本发明的测试原理如下：
碟式聚光器将投射过来的太阳光聚集在热电偶上，热电偶测量能流过程的具体能量转换关系如下所述，投射到热电偶测温端的能流为Eflux，能流Eflux一部分被反射Eref＝ρEflux，另外部分被吸收Eabs＝αEflux，其中吸收的能流Eabs导致套管温度升高，并把热量传导给内部绝缘层，热电偶测温头温度升高，同时会对环境辐射散热和对流散热，辐射散热和对流散热对应的能流分别为Erad和Econv，计算公式为：
Erad＝εσT4(1)
Econv＝h(T-Tenv)(2)
热电偶测温端的能量平衡公式为：
Eabs＝αEflux＝Erad+Econv(3)
上述公式中：ρ为反射率；α为吸收率，且α＝1-ρ，可根据热电偶套管材质确定其数值；ε为套管的反射率，根据基尔霍夫定律ε＝α；h为对流换热系数w/(m2·k)；T为套管温度；Tenv为环境温度；σ为玻尔兹曼常数5.67×10-8W/(m2K4)。
在测量过程中，当热电偶温度恒定或变化较小时，记录其温度值，测量完成后，利用上述公式中入射能流密度和热电偶温度间的函数关系，得到热电偶布置点的能流密度值，通过数据差值，得到聚焦平面能流密度分布情况。聚焦平面上设置的多个热电偶的位置直接关系到测量系统的分辨率和精确度，热电偶设置的数量和位置由聚光器的理论焦斑大小及热电偶的尺寸决定。
基于以上测量原理，本发明设计了一种测量装置。如附图1～4所示，该装置主要包括若干个热电偶1、固定装置、支架、调节装置20、数据记录仪19和计算机17，所述支架固定在调节装置20上，所述固定装置安装在支架上，若干个热电偶1按不同位置固定在固定装置上，且热电偶测温端8的端面与太阳能碟式聚光器13的聚焦平面重合，由热电偶1处测量的温度经补偿导线16传输至数据记录仪19，数据记录仪19通过数据线18将数据存储至计算机17进行分析。
本发明中调节装置20用于整体调节热电偶1的位置，使热电偶1处于太阳能碟式聚光器13的聚焦平面上，通过数据记录仪19实时记录热电偶1的温度，数据记录仪19通过数据线18将数据存储至计算机17进行分析计算，得到聚光器聚焦平面处的能流密度分布。
如附图1所示，为本发明测量装置结构示意图，其中本发明的固定装置的上盘3和下盘4相对应位置留有安装孔，用于固定热电偶1，其安装孔的设计通过聚光器理论焦斑进行分析设计如何布置，附图2所示的布置方案为案例中的一种方式。耐火材料5置于固定装置中下盘4的下面，其开孔同上盘3和下盘4一样，在上盘3、下盘4和耐火材料5的周围均匀的开有固定孔，用固定螺栓2将他们连接固定起来。同时固定螺栓2还用于连接支架中的连接轴6，连接轴6是由三根互成120°角的钢制圆管连接，连接轴6下部焊接支撑轴7，通过调节装置20可调节支撑轴7的位置来改变热电偶1的位置。
调节装置20结构如附图5所示，是一个简单的升降调节装置，其包括圆管22和紧固螺钉21，支撑轴7可以为圆管或实心轴，圆管22内径略大于支撑轴7的外径，保证松开紧固螺钉21后，支撑轴7可自由滑动即可，支撑轴7套入圆管22内，拧紧紧固螺钉21即可使紧固螺钉21顶紧支撑轴7，达到支撑轴7的固定。该调节装置结构简单、操作方便，使用稳定性强。
如附图3所示，热电偶1优先选用铠装热电偶，由于铠装热电偶较细且采光口面积较小，故可以较多设置布点，提高了测量的分辨率，且成本较低。铠装热电偶由热电偶测温端8、探头金属外壳12、内部绝缘材料9、电偶丝10和套管11组成。其中热电偶测温端8的受热面与耐火材料5的外表面平行设置，热电偶测温端8吸收聚焦光束的能量，并把能量传导至热电偶测温头(包括探头金属外壳12、内部绝缘材料9以及电偶丝10)和套管12，套管12会对外界环境对流散热和辐射散热。
附图4所示，为本发明的原理图，太阳光入射光线14经太阳能碟式聚光器13发射后变为太阳光反射光线15，太阳光反射光线15进入到热电偶测温端8被反射和吸收。通过调整调节装置20，将热电偶1调节到太阳能碟式聚光器13的聚焦平面上，固定好后，运行太阳能碟式聚光器13，启动数据记录仪19和计算机17，同步采集存储数据，得到聚光器聚焦平面处的能流密度分布，通过再次调节热电偶1的安装位置，可测得与聚光器聚焦平面上下平行平面的能流密度分布。
在使用本发明进行测试时，
(1)通过调节调节装置20使铠装热电偶1安装在太阳能碟式聚光器13的聚焦平面处。温度恒定后，测得每个铠装热电偶1所在点的温度值。
(2)运用数值插值法得到更多点的温度值，然后通过热电偶传热模型，将温度值反演成能流密度值，从而得到焦平面处的能流密度分布。
(3)调节支撑轴调节装置20，使热电偶1安装在碟式聚光器焦平面的上下不同位置。重复(1)、(2)步骤，得到碟式聚光器焦平面上下不同平面的能流密度分布。
(4)对比分析不同面的能流密度分布特性，得出太阳能碟式聚光器13的聚光性能，为后续接收器的结构设计及安装位置等提供基础。
本发明的测量方法物理意义明确，理论与实际切实可行。测量装置结构简单、灵活性强，测量能直接读取热电偶温度，精度较高，由于铠装热电偶较细且采光口面积较小，故可以较多设置布点，提高了测量的分辨率，且成本较低。

Claims (10)

1.碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法，其特征在于，所述的测量方法是将热电偶垂直于碟式聚光器的聚焦平面安装，使热电偶测温端的平面与聚焦平面重合，在热电偶测温端的平面反射聚焦光束的同时会吸收聚焦光束的能量，并把能量传导至热电偶测温头和套管，当热电偶测温端的温度恒定时，读取热电偶的温度值，建立此传热过程中热电偶的传热模型，通过参数反演得到热电偶测温端平面的能流密度值，通过在聚焦平面处布置若干个不同位置的热电偶得到不同位置的能流密度值，从而得到聚焦平面的能流密度分布。
2.如权利要求1所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法，其特征在于，所述传热模型的建立方法是：投射到热电偶测温端的能流为Eflux，能流Eflux一部分被反射Eref＝ρEflux，另外部分被吸收Eabs＝αEflux，其中吸收的能流Eabs使测温端的温度升高同时会对环境辐射散热和对流散热，辐射散热和对流散热对应的能流分别为Erad和Econv，计算公式为：
Erad＝εσT4(1)
Econv＝h(T-Tenv)(2)
热电偶测温端的能量平衡公式为：
Eabs＝αEflux＝Erad+Econv(3)
上述公式中：ρ为反射率；α为吸收率，且α＝1-ρ；ε为套管的反射率；h为对流换热系数w/(m2·k)；T为套管温度；Tenv为环境温度；σ为玻尔兹曼常数。
3.如权利要求1所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量方法，其特征在于，所述的测量方法还包括整体的上下移动热电偶，可得到与聚焦平面平行的不同面上的能流密度分布。
4.应用权利要求1测量方法的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括若干个热电偶(1)、固定装置、支架、调节装置(20)、数据记录仪(19)和计算机(17)，所述支架固定在调节装置(20)上，所述固定装置安装在支架上，若干个热电偶(1)按不同位置固定在固定装置上，且热电偶测温端(8)的端面与太阳能碟式聚光器(13)的聚焦平面重合，由热电偶(1)处测量的温度经补偿导线(16)传输至数据记录仪(19)，数据记录仪(19)通过数据线(18)将数据存储至计算机(17)进行分析。
5.如权利要求4所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，其特征在于，所述固定装置包括上盘(3)、下盘(4)，所述上盘(3)和下盘(4)之间通过固定螺栓(2)连接，在上盘(3)和下盘(4)上设有相对应的安装孔，所述热电偶(1)固定在安装孔内。
6.如权利要求5所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，其特征在于，所述下盘(4)的下部设有耐火材料(5)。
7.如权利要求6所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，其特征在于，所述支架包括三根互成120°角的连接轴(6)，三根连接轴(6)下部连接一竖直的支撑轴(7)，连接轴(6)连接固定装置，支撑轴(7)连接调节装置(20)。
8.如权利要求7所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，其特征在于，所述调节装置(20)包括圆管(22)和紧固螺钉(21)，所述支撑轴(7)插入圆管(22)后由圆管(22)外侧的紧固螺钉(21)固定。
9.如权利要求4所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，其特征在于，所述热电偶(1)是铠装热电偶。
10.如权利要求9所述的碟式太阳能聚光器聚焦平面能流密度测量装置，其特征在于，所述热电偶(1)包括热电偶测温端(8)、热电偶测温头和套管(11)，由热电偶测温端(8)吸收聚焦光束的能量，并把能量传导至热电偶测温头和套管(11)，所述热电偶测温头包括探头金属外壳(12)、内部绝缘材料(9)和电偶丝(10)。
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Application publication date: 20160106