CN105973505A - 一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，首先在腔式吸热器入口两侧的壁面上分别均匀设置若干CCD相机；采用CCD相机拍摄腔式吸热器其它壁面的图片；将CCD靶面离散成m个像位点，通过Matable软件对拍摄的图片进行处理得到每个像位点上的辐射能量强度I_ccd‑i；接着将腔式吸热器入口离散成M_c个面单元，利用逆向蒙特卡洛方法得到CCD靶面第i个像位点到腔式吸热器入口第j个面单元的辐射传递因子RD_i,j；最后建立腔式吸热器入口处面单元和CCD靶面像位点之间的能量关系方程组，利用阻尼最小二乘QR分解算法求解方程组得到腔式吸热器入口处热流密度分布。本发明为塔式太阳能吸热器入口光斑的测定提供了新的一种间接方便的方法。

Description

一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法

技术领域

本发明属于热流密度测定领域，具体涉及一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，目前化石燃料是目前能源消耗的主要能源，随着全球工业的发展，能源消耗也剧增，环境污染问题日益突出。太阳能作为一种无污染的可再生能源，它具有廉价无污染储量大等优势，越来越受到人们的关注。我国太阳能资源丰富，尤其是西部沙漠地区，太阳能资源及空地资源丰富，有条件发展大规模太阳能热发电。

塔式太阳能热发电系统是通过多块带有双轴太阳能追踪的定日镜场将太阳能反射到吸热器中，在吸热器中将太阳能转化给传热工质，然后推动汽轮机发电。由于定日镜场聚焦到吸热器开口处的阳光能流密度通常分布很不均匀，并且能量密度高达900KW/m²，开口处的能流密度的分布会直接影响腔体内温度和热流密度的分布，对于整个发电系统来说，设计的关键点是在聚焦区域形成均匀分布的光斑。

吸热器一般安装于70-100m的高塔上并且入口处能流密度一般比较高，运行过程中腔体内壁面温度高达500K，直接测量入口处的热流密度较为困难。目前现有的技术是利用朗伯靶、CCD相机和相应的滤光片，通过在相应设置一个朗伯靶，通过拉杆可以控制靶面在焦点区域沿着与聚光器光轴平行的方向移动，将CCD相机安装在聚光器的顶点处，面向朗伯靶，为了防止成像靶上的强光使CCD阵列达到饱和，相机透镜前方放置一套中性密度滤光片。CCD的灰度值和入口处的热流密度呈线性关系，通过对图像灰度的处理可以得到热流密度的分布，一般这种方法适用于热流密度小安装位置低的蝶式聚光器上。针对塔式太阳能安装位置高入口处热流密度法等特点，目前尚未有成熟的技术直接测量吸热器入口处的热流密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过CCD相机获得腔体内辐射信息，通过逆向蒙特卡洛的数学方法构建入口处的热流密度分布，为塔式太阳能腔式吸热器入口光斑的测定提供了新的一种间接方便的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，包括以下步骤：

步骤一：在腔式吸热器入口两侧的壁面上分别均匀设置若干CCD相机；

步骤二：太阳光通过镜场反射到腔式吸热器入口处，然后由其他壁面漫反射到达CCD相机，采用CCD相机拍摄腔式吸热器其它壁面的图片；

步骤三：CCD靶面离散成m个像位点，通过Matable软件对拍摄的图片进行处理得到每个像位点上的辐射能量强度I_ccd-i；

步骤四：将腔式吸热器入口离散成M_c个面单元，且M_c＜m，利用逆向蒙特卡洛方法得到腔式吸热器入口第j个面单元到CCD靶面第i个像位点的辐射传递因子RD_j,i；

步骤五：建立腔式吸热器入口处面单元和CCD靶面像位点之间的能量关系方程组，利用阻尼最小二乘QR分解算法求解方程组得到腔式吸热器入口处热流密度分布。

进一步地，步骤一中在腔式吸热器入口两侧的壁面上分别均匀设置三个CCD相机，且每个壁面上的三个CCD相机分布在其竖直中心线上。

进一步地，腔式吸热器壁面材料对太阳光的吸收率为0.5-0.6。

进一步地，CCD相机的镜头中安装有滤光片，CCD相机的有效像素为1000万以上。

进一步地，步骤四中采用逆向蒙特卡洛方法计算时追踪过程中射线数目不少于50万。

进一步地，步骤五中所建立方程组如下：

AX＝B

其中，

$X=\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ X_{Mc-1}\\ X_{Mc}\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{I}_{ccd-1}\\ I_{ccd-2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ I_{ccd-m-1}\\ I_{ccd-m}\end{array}\right]$

式中，ε_j为腔式吸热器入口第j个面单元的发射率，S_j为腔式吸热器入口第j个面单元的面积，RD_j,i为腔式吸热器入口第j个面单元到CCD靶面第i个像位点的辐射传递因子，X_i为CCD靶面第i个像位点的热流密度，I_ccd-i为CCD相机靶面第i个像位点的辐射能量强度，其中，i＝1,2…m；j＝1,2…M_c。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法具有操作简单方便，通过CCD相机获得腔体内辐射信息，通过逆向蒙特卡洛的数学方法构建入口处的热流密度分布，具有误差小等特点。传统的测试方式适用于吸热器安装位置低，并且需要多次测量。与传统方法相比克服了塔式太阳能腔式吸热器安装位置高不易直接测量的难题，利用CCD相机可以获得腔体入口处的辐射信息，具有误差小等特点。

附图说明

图1本发明的CCD相机布置图；

图2是本发明的成像计算示意图；

图3是本发明的计算流程图。

其中，1、第一壁面；2、第二壁面；3、第三壁面；4、第四壁面；5、第五壁面；6、CCD相机；7、吸热器入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1中可以看出，在第一壁面1和第二壁面2上中线位置布置CCD相机测点，腔体各个壁面之间为活动连接，第一壁面1和第五壁面5以及第二壁面2和第三壁面3之间的角度可以调节，第一壁面1及第二壁面2和吸热器入口7之间的角度可以调节，图中吸热器入口7的面单元向腔体内发射太阳光，太阳光由吸热器内壁面吸收然后漫反射到达CCD相机镜头被靶面记录。腔体上不同位置测点的CCD相机可以完整的拍摄到吸热器内太阳光的辐射。

图2中吸热器腔体可以近似成一个三维系统，在腔体特定位置布置工业CCD照相机可以得到系统内部辐射信息。CCD相机靶面在平面X2Y2上，镜头与靶面距离OP＝L，当射线到达镜头时，接触点M可以由蒙特卡洛方法确定，MO之间的距离可以由M和O点的坐标确定，假设透镜半径为r，如果MO>r，则射线无法到达透镜内部；如果MO<r，则射线可以到达透镜。

假设发射点为A1，发射的射线为A1M，在CCD相机靶面上成像过程如下：点A1成像的清晰点为N，MN与平面之间的交点为点C1；设相机焦距为f，副焦距为f1＝f/cos(A1MZ)，角度(A1MZ)指的是直线AM和Z轴之间的夹角，像点N的像距d可以根据1/f1＝1/d+1/s计算得到，s为物距，入射点M的坐标可以由蒙特卡洛方法得到，直线NM的方程也就可以确定，根据直线NM和平面X2Y2计算得到交点C1的坐标，C1为CCD相机靶面上的像点，这样发射点A1的成像情况就确定了。

图4为具体测定步骤：⑴在腔体测试位置调整相机焦距，使得相机能够更多的拍摄到腔体内辐射信息。⑵利用Matable软件对拍摄的图片灰度值进行处理得到像位点上的辐射能量大小。⑶CCD相机每个像位点上的辐射能量来自于开口面单元上所有单元辐射的总合，通过腔体的蒙特卡洛计算得到了开口面每个面单元到达镜头每个像位点的辐射传递因子RD_j,i。⑷建立能量平衡方程组。CCD相机安装有滤波片，只拍摄入口进入腔体的可见光。太阳光主要由可见光、紫外光和红外组成，其中可见光能量占47.29％。CCD靶面上得到的辐射能是镜场聚焦通过吸热器入口直接辐射或壁面反射给的可见光能量的总合。将CCD靶面离散成m个像点，整个吸热器入口离散成M_c个面单元。通过CCD相机可以得到靶面的灰度值，建立灰度值和辐射强度I_ccd-i之间的函数关系。由腔式吸热器入口第j个单元到CCD靶面第i个像素点的辐射传递因子RD_j,i通过逆向蒙特卡洛方法得出，可以建立靶面像位点到开口面单元的能量方程组：

AX＝B ⑴

其中，

$X=\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ X_{Mc-1}\\ X_{Mc}\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{I}_{ccd-1}\\ I_{ccd-2}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ I_{ccd-m-1}\\ I_{ccd-m}\end{array}\right]$

计算过程中吸热器入口被离散成M_c个面单元，CCD相机靶面被离散成m个像位点，其中m>M_c。上式中ε_j为腔式吸热器入口第j个面单元的发射率，S_j为腔式吸热器入口第j个面单元的面积，RD_j,i为腔式吸热器入口第j个面单元到CCD靶面第i个像位点的辐射传递因子，X_i为CCD靶面第i个像位点的热流密度，I_ccd-i为CCD相机靶面第i个像位点的辐射能量强度，其中，i＝1,2…m；j＝1,2…M_c。

通过联立CCD所有n张图片和Mc面单元的辐射强度，建立一个n个Mc×m阶超正定线性方程组，通过阻尼最小二乘QR分解算法(LSQR方法)求解式(1)可以得到开口处的热流密度分布。

Claims (6)

1.一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在腔式吸热器入口两侧的壁面上分别均匀设置若干CCD相机；

步骤二：太阳光通过镜场反射到腔式吸热器入口处，然后由其他壁面漫反射到达CCD相机，采用CCD相机拍摄腔式吸热器其它壁面的图片；

步骤三：CCD靶面离散成m个像位点，通过Matable软件对拍摄的图片进行处理得到每个像位点上的辐射能量强度I_ccd-i；

步骤四：将腔式吸热器入口离散成M_c个面单元，且M_c＜m，利用逆向蒙特卡洛方法得到腔式吸热器入口第j个面单元到CCD靶面第i个像位点的辐射传递因子RD_j,i；

步骤五：建立腔式吸热器入口处面单元和CCD靶面像位点之间的能量关系方程组，利用阻尼最小二乘QR分解算法求解方程组得到腔式吸热器入口处热流密度分布。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，其特征在于，步骤一中在腔式吸热器入口两侧的壁面上分别均匀设置三个CCD相机，且每个壁面上的三个CCD相机分布在其竖直中心线上。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，其特征在于，腔式吸热器壁面材料对太阳光的吸收率为0.5-0.6。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，其特征在于，CCD相机的镜头中安装有滤光片，CCD相机的有效像素为1000万以上。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，其特征在于，步骤四中采用逆向蒙特卡洛方法计算时追踪过程中射线数目不少于50万。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器开口处热流密度测定方法，其特征在于，步骤五中所建立方程组如下：

AX＝B

其中，

$X=\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ X_{Mc-1}\\ X_{Mc}\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{I}_{ccd-1}\\ I_{ccd-2}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ I_{ccd-m-1}\\ I_{ccd-m}\end{array}\right]$

式中，ε_j为腔式吸热器入口第j个面单元的发射率，S_j为腔式吸热器入口第j个面单元的面积，RD_j,i为腔式吸热器入口第j个面单元到CCD靶面第i个像位点的辐射传递因子，X_i为CCD靶面第i个像位点的热流密度，I_ccd-i为CCD相机靶面第i个像位点的辐射能量强度，其中，i＝1,2…m；j＝1,2…M_c。