CN111323341A - 颗粒聚光辐射吸收特性测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能热发电技术领域，特别涉及一种颗粒聚光辐射吸收特性测量装置及其测量方法。根据本发明的测量装置以及测量方法，可以分别测量已知光谱反射率的参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)、背景的反射光的输出响应信号Sb(λ)和图像信号，然后模拟吸热器中颗粒的运动形式并检测此时背景及颗粒的反射光的输出响应信号Sbp(λ)和图像信号。根据检测到的三个输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)的数据，以及通过对两次图像信息的处理计算得到的平均背景占比Pb，计算得到颗粒的吸收率αp(λ，Tbp)，从而获得吸热器中运动状态下的颗粒的辐射吸收特性。公式(1)的公式科学合理，利用公式(1)计算得到的颗粒的吸收率更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热发电技术领域，特别涉及一种颗粒聚光辐射吸收特性测量装置及其测量方法。
背景技术
太阳能分布广泛，每年达到地球表面的辐射能达到3×1021kJ，约为全球能量消耗总量的5000倍。太阳能光热发电输出稳定、效率高，可作为基础负荷和调峰电源，发展潜力巨大。根据国际能源署预测，2050年全球太阳能热发电装机可望达到10亿千瓦，发电量占全球的11％。根据我国《电力发展“十三五”规划》，到2020年我国太阳能热发电装机容量将达到500万千瓦,预计到2030年将达到3000万千瓦。
具体而言，太阳能热发电是指将收集的太阳能转化为热能并用于发电的技术，在光热发电的过程中，将颗粒作为吸热装置的吸热介质具有高温，高效，方便，简洁，安全等优势，目前，国际上比较常见的颗粒吸热装置类型有幕帘式颗粒吸热器、阻碍流式颗粒吸热器、离心式颗粒吸热器、流化床式颗粒吸热器等，其中浙江大学提出了一种斜面式颗粒吸热器，以期解决现有颗粒吸热器技术中吸热温度较低且不完全可控的问题。
大多数高温颗粒吸热器为直接式颗粒吸热器，即颗粒直接受到聚焦太阳能辐射加热的吸热器，因此颗粒在高温运动状态下的辐射吸收特性会直接影响到高温颗粒吸热器本身的运行工况和运行效率，如果可以获得高温颗粒吸热器内的高温运动颗粒的辐射吸收特性，就可以对吸热器本身的运行和优化策略提供重要的数据支持。当前，样品辐射吸收特性的测量一般是利用光谱仪(比如法布里-珀罗干涉仪，傅里叶红外光谱仪),积分球等仪器进行测量，但这些测量往往都只能应用于室温下的静止样品，这对于一些需要知道高温运动样品的辐射吸收特性的装置，比如高温颗粒吸热器来说，是难以应用的，因此需要一种针对太阳能高温颗粒吸热器中颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法。
发明内容
本发明针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，本发明的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法分别检测参考标准样品的反射光的输出响应信号、背景的反射光的输出响应信号和图像信息、背景及颗粒的反射光的输出响应信号和图像信息，通过计算得到运动颗粒的吸收率，从而获得吸热器中高温运动颗粒的辐射吸收特性，从而有利于依据颗粒的辐射吸收特性对吸热器进行改进与优化，提高吸热器的吸热效率。
具体来说，本发明提供了一种颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，用于测试吸热器中的高温颗粒处于运动状态时的辐射吸收特性，包括如下步骤：
步骤S1：调整并保持输出光处于第一波长以及光强状态；
步骤S2：检测得出光谱反射率为ρr(λ)的参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)；
步骤S3：加入背景并将背景加热至Tbp，检测得出背景的反射光的输出响应信号Sb(λ)；
步骤S4：采集背景处的图像信息；
步骤S5：加入颗粒，驱动颗粒运动，并将颗粒加热至Tbp，检测得出背景及颗粒的反射光的输出响应信号Sbp(λ)；
步骤S6：采集背景及颗粒处的图像信息；
步骤S7：对两次获得的图像信息进行处理，得到背景的平均背景占比Pb；
步骤S8：利用如下公式，计算得到颗粒的吸收率αp(λ,Tbp)：
步骤S9：调整并保持输出光处于第二波长以及光强状态，重复上述步骤S2～S8。
相较于现有技术而言，本发明提供的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，通过检测得到已知光谱反射率的参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)、背景的反射光的输出响应信号Sb(λ)和图像信息，然后模拟吸热器中颗粒的运动形式并检测此时背景及颗粒的反射光的输出响应信号Sbp(λ)和图像信息。根据检测到的三个输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)的数据，以及通过对两次获得的图像信息进行处理得到的平均背景占比Pb，计算得到高温运动颗粒的吸收率αp(λ,Tbp)，从而获得吸热器中运动状态下的颗粒的聚光辐射吸收特性。公式(1)的公式科学合理，利用公式(1)计算得到的颗粒的吸收率更加准确。
通过检测以及计算得到的运动颗粒的辐射吸收特性的结果真实、准确且有效，依据该方法得到的高温运动颗粒的辐射吸收特性有利于对吸热器进行改进与优化，提高吸热器的吸热效率。
另外，作为优选，在步骤S2中，具体为：在常温静止状态下，将已知光谱反射率的参考标准样品放在积分球的样品孔处，开启光源和单色仪，调整单色仪的出射光处于第一波长和光强状态，光源依次穿过单色仪以及积分球，在此基础上，测光机构收集经参考标准样品反射的光并检测获得参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)；
在步骤S3中，具体为：加入背景并对背景加热至Tbp，开启光源和单色仪，调整单色仪的出射光处于第一波长和光强状态，光源依次穿过单色仪以及积分球并到达背景，在此基础上，测光机构收集经背景反射的光并检测获得背景的反射光的输出响应信号Sb(λ)；
在步骤S5中，具体为：加入活动的颗粒并将颗粒加热至Tbp，开启光源和单色仪，调整单色仪的出射光处于第一波长和光强状态，光源依次穿过单色仪以及积分球并到达背景及颗粒，并在此基础上，测光机构收集经背景及颗粒反射的光并检测获得背景及颗粒的反射光的输出响应信号Sbp(λ)。
根据该优选方案，利用单色仪可以简单、快速地将接收到的复色光改变为特定波长的单色光。利用积分球使得待测物体的反射光在积分球内部经多次反射后均匀地散射在积分球内部，能够降低由光线形状、发散角度、及测光机构上不同位置的响应度差异所造成的测量误差，以提高测量精度。光源产生的光穿过单色仪获得第一波长和光强的单色光，经参考标准样品、背景、背景及颗粒反射后进入积分球内经多次反射并均匀分布在积分球内部，经多次反射的光被测光机构获取，测光机构检测得到相应反射光的输出响应信号Sr)λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)，检测的过程简单，测量精准。
进一步地，作为优选，在步骤S5中，测量吸收率时的颗粒的运动状态与吸热器中工况下颗粒的运动状态保持一致。
根据该优选方案，使颗粒的运动状态与吸热器中工况下的运动状态一致，使得测得的运动颗粒的吸收率率更加准确有效，有利于更好地检测该运动状态下颗粒的辐射吸收特性。
进一步地，作为优选，在步骤S3中、步骤S5中，利用管式加热炉、燃烧室或者聚光镜加热器作为加热机构分别对背景、背景及颗粒进行加热，调节背景、背景及颗粒的温度与吸热器中工况下温度保持一致。
另外，作为优选，在步骤S3中、步骤S5中，利用收光器初步收集背景、背景及颗粒反射的光线，然后将接收到的光线传导至积分球内。
根据该优选方案，收光器能够将背景、背景及颗粒反射的光收集并传导至积分球内，减少光学损失，保证光强稳定，减少实验误差，提高检测数据的有效性。
另外，作为优选，在步骤S1至步骤S8中，利用冷却机构，对高于吸热器中工况下温度的积分球以及收光器进行降温处理。
根据该优选方案，冷却机构能够冷却积分球及收光器，避免积分球及收光器内材料及涂层的高温氧化等问题，提高积分球及收光器的工作寿命。
进一步地，作为优选，在步骤S7中，通过布尔运算减去背景的图像，结合边缘识别技术获得背景所占面积比例，测量并计算多次，取平均值作为平均背景占比Pb。
根据该优选方案，利用如上计算方法能够减小误差，测得的平均背景占比Pb更加精准有效，提高后续高温运动颗粒吸收率αp(λ,Tbp)的计算结果的准确性。
另外，作为优选，在步骤S1至步骤S8中，利用测温机构测量背景、背景及颗粒、积分球以及收光器的温度。
根据该优选方案，利用测温机构测量背景、背景及颗粒，可以及时根据测得的温度决定加热机构对背景、背景及颗粒的加热与否、加热强度以及加热时间。利用测温机构测量积分球、收光器的温度，可以及时根据测得的温度决定冷却机构对积分球、收光器的冷却与否、冷却强度以及冷却时间。
进一步地，作为优选，利用计算机作为控制单元，控制测量步骤的进行。
根据该优选方案，利用计算机统一管理并控制检测方法中各个步骤的工作，计算机的控制精准、快速且高效，减少各个环节数据的误差，提高检测数据的有效性，进而提高最终计算结果的有效性。
本发明还提供了一种颗粒聚光辐射吸收特性测量装置，采用上述任一技术方案中的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，包括：
单色光生成机构，用于生成特定波长和光强的单色光；
积分球，所述积分球的入射孔与所述单色光生成机构的出口相连；
收光器，与所述积分球的样品孔相连；
背景，供颗粒放置，所述背景以及颗粒与收光器相连；
传动机构，用于驱动颗粒的运动状态与吸热器中工况下颗粒的运动状态保持一致；
加热机构，用于加热背景、背景及颗粒至背景、背景及颗粒的温度与吸热器中工况下温度保持一致；
冷却机构，用于对超温的积分球以及收光器降温；
测光机构，用于接收经由位于积分球内的参考标准样品、背景、背景及颗粒反射的光并测量对应的反射光的输出响应信号；
测温机构，用于检测背景、背景及颗粒、积分球以及收光器的温度；
拍摄机构，用于采集背景、背景及颗粒的图像；
计算机，分别与所述单色光生成机构、所述传动机构、所述加热机构、所述冷却机构、所述测光机构以及所述测温机构通信连接、并控制上述机构的运行状态。
相较于现有技术而言，本发明提供的颗粒聚光辐射吸收特性的测量装置，通过检测得到已知光谱反射率的参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)、背景的反射光的输出响应信号Sb(λ)和图像信息，然后模拟吸热器中颗粒的运动形式并检测此时背景及颗粒的反射光的输出响应信号Sbp(λ)和图像信息。根据检测到的三个输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)的数据，以及通过对两次获得的图像信息进行处理得到的平均背景占比Pb，计算得到高温运动颗粒的吸收率αp(λ,Tbp)。本装置真实模拟吸热器中颗粒的运动状态以及温度状态，使得测得的数据更加贴近吸热器中颗粒的真实辐射吸收特征，减小实验误差，提高实验数据的有效性。
附图说明
图1是本发明实施方式一的流程图；
图2是本发明实施方式一的测量原理示意图；
图3是陶瓷颗粒未进行热处理以及进行热处理后的吸收率变化曲线图；
图4是作为标准参考样品的紫外加强型铝膜反射镜的标准反射率；
图5是采集的背景处的图像信息示意图；
图6是采集的背景及颗粒处的图像信息示意图；
图7是本发明实施方式一中输出响应信号测量原理结构示意图；
图8是本发明实施方式一中图像信息测量原理结构示意图；
图9是本发明实施方式二输出响应信号测量原理结构示意图；
图10是本发明实施方式二中图像信息测量原理结构示意图。
附图标记说明：
100、计算机；200、单色光生成机构；1、光源；2、单色仪；3、积分球；3a、入射孔；3b、探测孔；3c、样品孔；4、背景；4a、斜板；4b、幕帘背墙；5、颗粒；6、收光器；7、测光机构；8、传动机构；9、加热机构；10、冷却机构；11、测温机构；12、拍摄机构；13、保温材料。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其做出调整，以便适应具体的应用场合。例如，尽管说明书中所述的用于光热发电的颗粒吸热装置的各个组成部分都具有预定的形状和结构，但是，这些组成部分显然还可以被设置成其他的形状和结构，只要该组成部分能够完成预定功能即可。这种组成部分形状和结构的改变并不偏离本发明的基本原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本发明的优选实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或组成部分必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“配合”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组成部分内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施方式一
本发明的第一实施方式提供了一种颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，参见图1和图2所示，用于测试吸热器中的颗粒5处于运动状态时的辐射吸收特性，包括如下步骤：
步骤S1：调整并保持输出光处于第一波长以及光强状态；
步骤S2：检测得出光谱反射率为ρr(λ)的参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)；
步骤S3：加入背景4并加热背景4至Tbp，检测得出背景4的反射光的输出响应信号Sb(λ)；
步骤S4：采集背景4处的图像信息；
步骤S5：加入颗粒5并加热背景4及颗粒5至Tbp，驱动颗粒5运动，检测得出背景4和运动的颗粒5作为整体(以下简称背景4及颗粒5)的反射光的输出响应信号Sbp(λ)；
步骤S6：采集背景4及颗粒5处的图像信息；
步骤S7：对两次获得的图像信息进行处理，得到背景4所占面积比例为Pb；
步骤S8：利用如下公式，计算得到高温运动颗粒5的吸收率αp(λ,Tbp)：
相较于现有技术而言，本发明提供的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，通过检测得到已知光谱反射率的参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)、背景4的反射光的输出响应信号Sb(λ)及图像信息，然后模拟吸热器中颗粒5的运动形式并检测此时背景4及颗粒5的反射光的输出响应信号Sbp(λ)和图像信息。根据检测到的三个输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)的数据以及通过对两次图像信息的处理计算得到的平均背景占比Pb，计算得到高温运动颗粒5的吸收率αp(λ,Tbp)，从而获得吸热器中运动状态下的颗粒5的聚光辐射吸收特性。公式(1)的公式科学合理，利用公式(1)计算得到的颗粒5的吸收率更加准确。
通过检测以及计算得到的运动颗粒5的辐射吸收特性的结果真实、准确且有效，依据该得到的准确特性便于对吸热器进行改进与优化，提高吸热器的吸热效率。
上述的测量可以重复多次，分别进行计算得出初始结果，然后取多个初始结果的平均值作为最后的计算结果。也可以间隔一定时间连续检测得出响应的输出响应信号，并间隔一定时间连续对背景、背景及颗粒进行拍照，取平均值并进行计算，得到最后的计算结果。间隔时间不宜过短，可以每1min-2min检测或者拍照一次。
本实施方式一还提供了一种颗粒聚光辐射吸收特性测量装置，采用上述方案中的测量方法测量颗粒的聚光辐射吸收特性。该测量装置包括单色光生成机构200，用于生成特定波长和光强的单色光；积分球3，积分球3的入射孔3a与单色光生成机构200的出口相连；收光器6，与积分球3的样品孔3c相连；背景4，供颗粒5放置，背景4以及颗粒5与收光器6相连；传动机构8，用于驱动颗粒5的运动状态与吸热器中工况下颗粒5的运动状态保持一致；加热机构9，用于加热背景4、背景4及颗粒5至背景4、背景4及颗粒5的温度与吸热器中工况下温度保持一致；冷却机构10，用于对超温的积分球3以及收光器6降温；测光机构7，用于接收经由位于积分球3内的参考标准样品以及背景4、背景4及颗粒5反射的光并测量对应的反射光的输出响应信号；测温机构11，用于检测背景4、背景4及颗粒5、积分球3以及收光器6的温度；拍摄机构12，用于采集背景4、背景4及颗粒5的图像；计算机100，分别与单色光生成机构200、传动机构8、加热机构9、冷却机构10、测光机构7以及测温机构11通信连接、并控制上述机构的运行状态。
单色光生成机构200包括光源1以及单色仪2，单色仪2的出口与积分球3的入射孔3a相连通，积分球3的探测孔3b与测光机构7相连通，积分球3的样品孔3c与收光器6相连通，收光器6与背景4、背景5及颗粒5相连通，加热机构9、测温机构11与背景4、背景4及颗粒5热连接，传动机构8与背景4、背景4及颗粒5传动连接，冷却机构10与积分球3、收光器6热连接，单色光生成机构200、冷却机构10、加热机构9、传动机构8、测光机构7、测温机构11以及拍摄机构12都与计算机100通信连接。
相较于现有技术而言，本发明提供的颗粒聚光辐射吸收特性测量装置，通过设置单色光生成机构200、积分球3以及收光器6，使得光线均匀分布在积分球3内部，标准参考样品、背景4、背景4及颗粒5上的反射光能够均匀地被测光机构7获取，测光机构7分别测得标准参考样品、背景4、背景4及颗粒5反射的光的输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)，并通过对背景4、背景4及颗粒5的图像信息的处理计算得到的平均背景占比Pb，计算得到高温运动颗粒5的吸收率αp(λ,Tbp)。本装置真实模拟吸热器中颗粒5的运动状态以及温度状态，使得测得的数据更加贴近吸热器中颗粒5的真实辐射吸收特征，减小实验误差，提高实验数据的有效性。
特别地，颗粒5包括但不限于一般高温颗粒吸热器中使用的铝钒土陶粒砂。优选地，改变颗粒5的温度进行多次测量。图3中示出的是陶瓷颗粒未进行热处理以及进行热处理后的吸收率的变化。从图中更可以看出，未经热处理的颗粒5的吸收率和经热处理的颗粒5的吸收率具有明显的变化，因此有必要对不同温度下颗粒5的吸收率进行测量。此处的热处理是指加热到700℃，然后冷却到室温。因此，测量方法还包括步骤S9：调整并保持输出光处于第二波长以及光强状态，重复上述步骤S2～S8。改变光的波长以及光强，测得不同温度下颗粒的辐射吸收特性。
针对太阳光谱范围，优选地，选用紫外加强型铝膜反射镜(Thorlabs，PF10-03-F01)作为标准参考样品，其标准反射率如图4所示。
由于太阳能高温颗粒吸热器吸收的是太阳能，因此只需测量太阳光谱范围波长和光强的光即可，其中，在地面上观测的太阳辐射的波长范围大约为0.295μm～2.5μm，也即调节并控制单色光的波长范围在0.295μm～2.5μm之内。
在步骤S3中、步骤S5中，利用收光器6初步收集背景4、背景4及颗粒5反射的光线，然后将接收到的光线传导至积分球3内。收光器6可采用但不限于倒圆锥与光纤配合的结构来对光线进行初步收集。收光器6将背景4、背景4及颗粒5反射的光收集并传导至积分球3内，能够减少光学损失，保证光强稳定，减少实验数据的误差，提高检测数据的有效性。
具体地，颗粒5的辐射吸收特性计算原理如下：
经由参考标准样品反射、收光器6初步收集并由积分球3反射后光线的输出响应信号为：
Sr(λ)＝R(λ)·C·A·ρr(λ)·L(λ) (2)
其中R(λ)为测光机构7本身的信号响应函数，如果直接输出光强信号，则R值为1，C为收光器常数，与收光器6的几何结构及内壁涂层物性有关，A为积分球常数，与积分球3的几何结构及内壁涂层物性有关，ρr(λ)为参考标准样品的反射率，L(λ)为单色光生成机构200的输出光强。
经由背景4反射、收光器6初步收集并由积分球3反射后的光线输出响应信号为：
Sb(λ)＝R(λ)·C·A·ρb(λ,Tb)·L(λ) (3)
其中ρb(λ)为背景4的反射率。
经由背景4及颗粒5反射、收光器6初步收集并由积分球3反射后光线的输出响应信号为：
Sbp(λ)＝R(λ)·C·A·ρbp(λ,Tbp)·L(λ) (4)
其中ρbp(λ)为背景4及颗粒5的综合反射率。
由于背景透射率一般为0，因此根据能量守恒可知辐射吸收率α(λ)为：
α(λ)＝1-ρ(λ) (5)
因此，根据(1)、(2)、(4)式可知，背景4吸收率为：
根据(1)、(3)、(4)式可知，背景4及颗粒5综合吸收率为：
用CCD相机获得的一张或多张背景4及颗粒5图像，通过布尔运算减去背景4图像，再结合边缘识别等技术获得背景4所占面积比例为Pb,则颗粒5的吸收率可以表示为：
将(6)、(7)、(8)合并，颗粒5的吸收率进一步表示为：
特别地，在本实施方式以中，用计算机100作为控制单元，控制测量步骤的进行。在每一次测量参考标准样品、背景4、背景4及颗粒5的反射光的输出响应信号之初，均通过计算机100调节输出光的波长以及光强，使得同一组测量数据中输出光的波长以及光强保持不变。利用计算机100统一管理并控制检测方法中各个步骤的工作，计算机100的控制精准、快速且高效，减少各个环节数据的误差，提高检测数据的有效性，进而提高最终计算结果的有效性。
利用单色仪2可以简单、快速地将接收到的复色光改变为特定波长的单色光。利用积分球3使得反射光在其内部经多次反射后均匀地散射在积分球3内部，能够降低由光线形状、发散角度、及测光机构7上不同位置的响应度差异所造成的测量误差，以提高测量精度。因此，在步骤S2、步骤S3以及步骤S5中，利用单色仪2以及积分球3获得入射到需测量物体上的均匀的光线。
具体地，在步骤S2中，在常温静止状态下，将已知光谱反射率的参考标准样品放在积分球3的样品孔3c处，开启光源1和单色仪2(光源1和单色仪2组成单色光生成机构200)，调整单色仪2的出射光处于第一波长和光强状态，光源1依次穿过单色仪2以及积分球3，在此基础上，测光机构7收集经参考标准样品反射的光并检测获得参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)。
在步骤S3中，具体为：加入背景4并加热背景4至Tbp，开启光源1和单色仪2，调整单色仪2的出射光处于第一波长和光强状态，光源1依次穿过单色仪2以及积分球3并到达背景4，在此基础上，测光机构7收集经背景4反射的光并检测获得背景4的反射光的输出响应信号Sb(λ)。
在步骤S5中，具体为：继续加入活动的颗粒5并加热背景4及颗粒5至Tbp，开启光源1和单色仪2，调整单色仪2的出射光处于第一波长和光强状态，光源1依次穿过单色仪2以及积分球3并到达背景4及颗粒5，并在此基础上，测光机构7收集经背景4及颗粒5反射的光并检测获得背景4及颗粒5的反射光的输出响应信号Sbp(λ)
光源1产生的光穿过单色仪2获得第一波长和光强的单色光，单色光到达待测物体，如参考标准样品、背景4、背景4及颗粒5后并经反射，反射光进入积分球3内经多次反射并均匀分布在积分球3内部，在积分球3内经反射的光被测光机构7获取，测光机构7检测得到相应反射光的输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)，检测的过程简单，测量精准。
在步骤S5中，利用传动机构8驱动颗粒5循环运动，具体传动原理和类型取决于高温颗粒吸热器中的高温颗粒5的运动原理。比如斜面式高温颗粒吸热器使颗粒5在重力的作用下沿着斜面滑落，则传动机构8应同样采用斜面式，使颗粒5在重力的作用下滑落，并保证颗粒5的粒度、颗粒层的厚度、以及流速等都与实际吸热器工况一致。比如用气力输送型高温颗粒吸热器，则传动机构8应同样采用气力输送的形式，使颗粒5在气流的作用下运动，并保证颗粒5的运动状态与吸热器中工况下颗粒5的运动状态基本保持一致。利用传动机构8使颗粒5运动，并驱动颗粒5的运动状态与吸热器中颗粒5的运动状态一致，使得测得的运动颗粒5的吸收率率更加准确有效，有利于更好地检测该运动状态下颗粒5的辐射吸收特性。传动机构8驱动颗粒5循环运动，颗粒5循环使用、使用率高，减少浪费，节约成本。
测光机构7用来测量经由参考标准样品反射并在积分球3多次反射后的光线的输出响应信号、经由背景4、背景4及颗粒5反射后、由收光器6初步收集并由积分球3反射后的光线的输出响应信号、以及测量其它对比组的输出响应信号。测光机构7包括但不限于利用一般光谱仪自带的探测器，用来将光信号转换为电信号传输给计算机100，从而判断光强大小。
一般的，吸热器均是高温工作，吸热器中的颗粒5处于高温运动状态。为了使得测量的温度状态与吸热器的温度状态一致，在步骤S3中、步骤S5中，利用管式加热炉、燃烧室或者聚光镜加热器作为加热机构9分别对背景4、背景4及颗粒5进行加热，调节背景4、背景4及颗粒5的温度与吸热器中工况下温度保持一致。具体加热方式包括但不限于管式炉电力加热、燃烧室燃烧加热或者聚光镜聚光加热。加热机构9对背景4、背景4及颗粒5进行加热，模拟背景、背景及颗粒在吸热器工作时的温度状态，有效检测吸热器在工况下颗粒5的吸收率，提高检测数据的真实性和有效性。
在测量过程中，高温会使积分球3以及收光器6内材料及涂层氧化，造成光损失，不利于检测结果的准确性。在步骤S1至步骤S8中，利用冷却机构10，对高于吸热器中工况下温度的积分球3以及收光器6进行降温处理，冷却形式包括但不限于水冷、空冷等常规冷却手段。利用冷却机构10冷却积分球3及收光器6，避免积分球3及收光器6内材料及涂层的高温氧化，减少光学损失，提高积分球3及收光器6的工作寿命。
为了及时、准确地对相关机构进行加热或者冷却处理，在步骤S1至步骤S8中，利用测温机构11测量背景4、背景4及颗粒5、积分球3以及收光器6的温度。利用测温机构11测量背景4、背景4及颗粒5，可以及时根据测得的温度决定加热机构9对背景4、背景4及颗粒5的加热与否、加热强度以及加热时间。利用测温机构11测量积分球3、收光器6的温度，可以及时根据测得的温度决定冷却机构10对积分球3、收光器6的冷却与否、冷却强度以及冷却时间。
在步骤S7中，通过布尔运算减去背景4的图像，并结合边缘识别技术获得背景4所占面积比例，测量并计算多次，取平均值作为平均背景占比Pb。简单来说，在步骤S4中采集的是背景4的图像信息，采集的图像如图5所示，可以计算得到背景4处的像素信息。在步骤S6中采集的是背景4及颗粒5的图像信息，采集的图像如图6所示，可以计算得到背景4及颗粒5的像素信息。比较背景4、背景4及颗粒5的rbg值，像素不同的为p，像素相同的为q，平均背景占比Pb为：
利用如上计算方法能够减小误差，测得的平均背景占比Pb更加精准有效，提高后续颗粒5吸收率αp(λ,Tbp)的计算结果的准确性。
在步骤S4和步骤S6中，摄像机构为CCD相机，利用CCD相机摄像并采集背景4、背景4及颗粒5的图像信息。使用CCD相机拍摄的图像，能够感应光线，并把图像像素转换成数字信号。CCD相机还具有高光效率，光效率可达70％(能捕捉到70％的入射光)，远高于传统软片的2％。
具体的，在本实施方式一中，检测的是斜面式太阳能高温颗粒吸热器内高温运动颗粒5的聚光辐射吸收特性，背景4为斜板4a。参见图7和图8所示，该测量方法的具体操作步骤如下：
1.在常温静止状态下，将已知光谱反射率为ρr)λ)的参考标准样品放在积分球3的样品孔3c处，开启光源1和单色仪2；通过计算机100调整光源1和单色仪2，使单色仪2的出射光处于第一波长和光强状态，在此基础上，从测光机构7获得参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)。
此时，光线的传播路径为：光源1-单色仪2-积分球3内直射-参考标准样品-积分球3内多次反射-测光机构7。
2.移走参考标准样品，将收光器6的入光口与积分球3的样品孔3c紧密连接，先不放置颗粒5，只放置斜板4a作为背景4，并布置好吸热器模型，如冷却机构10、测温机构11、加热机构9等，并在斜板4a处设置保温材料13。此处的紧密连接是指固定不透光连接，收光器6和积分球6可以焊接、螺纹连接等。
3.冷却机构10工作，开启冷却水，及时对积分球3和收光器6进行冷却处理。
4.开启加热机构9对斜板4a加热，将斜板4a加热至吸热器中工况下斜板4a的温度并保持稳定。
5.开启光源1和单色仪2，通过计算机100调整光源1和单色仪2，使单色仪2的出射光也处于第一波长和光强状态，在此基础上，从测光机构7获得斜板4a的反射光的输出响应信号Sb(λ)。
此时，光线的传播路径为：光源1-单色仪2-积分球3内直射-斜板4a-收光器6-积分球3内多次反射-测光机构7。
6.移开光源1、单色仪2以及积分球3，使用拍摄机构12对斜板4a进行图像采集。
7.传动机构8工作，优选为气力输送，驱动颗粒5循环运动并使颗粒5的运动状态与吸热器中工况下颗粒5的运动状态一致。气力输送的工作流程为：颗粒5自由落体到斜板4a的下端，并在密闭管道内，沿着气流的方向被气流输送到斜板4a的上方，实现颗粒5的循环运动。气力输送的结构以及工作原理均为现有技术，在此不做过多赘述。
8.测温机构11测量颗粒5的温度，根据颗粒5的温度实时调整加热功率，使颗粒5达到吸热器中工况下颗粒5的温度并保持稳定。
9.复位光源1、单色仪2以及积分球3，开启光源1和单色仪2，通过计算机100调整光源1和单色仪2，使单色仪2的出射光也处于第一波长和光强状态，在此基础上，从测光机构7获得斜板4a及颗粒5的反射光的输出响应信号Sbp(λ)。
此时，光线的传播路径为：光源1-单色仪2-积分球3内直射-斜板4a及颗粒5-收光器6-积分球3内多次反射-测光机构7。
10.重复第1、第5和第9步操作，取五次测量平均值为参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)、斜板4a的反射光的输出响应信号Sb(λ)、斜板4a及颗粒5反射时得到的反射光的输出响应信号Sbp(λ)。在其他实施方式中，也可以取其他次数的测量平均值作为测量结果。
11.移开光源1、单色仪2以及积分球3，使用拍摄机构12对斜板4a及颗粒5进行图像采集。
12.重复第6和第11步操作，得到10次斜板4a、斜板4a及颗粒5的图像信息。在其他实施方式中，也可以拍摄其他次数的图像信息，并且，每次的时间间隔不宜过短，时间间隔可以为1min-2min。
13.通过布尔运算减去作为背景4的图像，再结合边缘识别等技术获得背景4所占面积比例，取十次斜板4a所占比例的平均值作为平均背景占比Pb。在其他实施方式中，也可以取其他次数的平均值作为测量结果。
14.根据参考标准样品、斜板4a、斜板4a及颗粒5的反射光所得到的输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)、参考标准样品的反射率为ρr(λ)以及平均背景占比Pb，利用上述公式(1)计算得到颗粒5的辐射吸收特性αp(λ,Tbp)。
15.调整并保持输出光处于同的波长以及光强状态，重复1-14步操作，可测量不同波长、不同温度下，高温运动颗粒5的辐射吸收特性。
16.测量结束后，首先关闭加热系统，待装置降至室温，方可关闭冷却系统。
实施方式二
本发明的第二实施方式提供了一种颗粒聚光辐射吸收特性测量装置，第二实施方式相对于第一实施方式是基于同一原理下的不同的实施方式，未做特别说明的部分包括附图标记及文字描述，均与第一实施方式相同，在此不再赘述。
第二实施方式相对于第一实施方式的主要区别在于，在本发明的第二实施方式中，结合图9和图10来看，本实施方式二中的吸热器为幕帘式高温颗粒吸热器，本实施方式二中的颗粒5在重力的作用下自由落体，并在传动机构8的驱动下进行循环。优选地，本实施方式二中的传动机构8同样采用气力输送。
在本实施方式二中，背景4为幕帘背墙4b，该测量方法的具体操作步骤如下：
1.在常温静止状态下，将已知光谱反射率为ρr(λ)的参考标准样品放在积分球3的样品孔3c处，开启光源1和单色仪2；通过计算机100调整光源1和单色仪2，使单色仪2的出射光处于第一波长和光强状态，在此基础上，从测光机构7获得参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)。
此时，光线的传播路径为：光源1-单色仪2-积分球3内直射-参考标准样品-积分球3内多次反射-测光机构7。
2.移走参考标准样品，将收光器6的入光口与积分球3的样品孔3c紧密连接，先不放置颗粒5，只放置幕帘背墙4b作为背景4，并布置好吸热器模型，如冷却机构10、测温机构11、加热机构9，并在幕帘背墙4b处设置保温材料13等。
3.冷却机构10工作，开启冷却水，及时对积分球3和收光器6进行冷却处理。
4.开启加热机构9对幕帘背墙4b加热，将幕帘背墙4b加热至吸热器中工况下幕帘背墙4b的温度并保持稳定。
5.开启光源1和单色仪2，通过计算机100调整光源1和单色仪2，使单色仪2的出射光也处于第一波长和光强状态，在此基础上，从测光机构7获得幕帘背墙4b的反射光的输出响应信号Sb(λ)。
此时，光线的传播路径为：光源1-单色仪2-积分球3内直射-幕帘背墙4b-收光器6-积分球3内多次反射-测光机构7。
6.移开光源1、单色仪2以及积分球3，使用拍摄机构12对幕帘背墙4b进行图像采集。
7.传动机构8工作，优选为气力输送，驱动颗粒5循环运动并使颗粒5的运动状态与吸热器中工况下颗粒5的运动状态一致。
8.测温机构11测量颗粒5的温度，根据颗粒5的温度实时调整加热功率，使颗粒5达到吸热器中工况下颗粒5的温度并保持稳定。
9.复位光源1、单色仪2以及积分球3，开启光源1和单色仪2，通过计算机100调整光源1和单色仪2，使单色仪2的出射光也处于第一波长和光强状态，在此基础上，从测光机构7获得幕帘背墙4b及颗粒5的反射光的输出响应信号Sbp(λ)。
此时，光线的传播路径为：光源1-单色仪2-积分球3内直射-幕帘背墙4b及颗粒5-收光器6-积分球3内多次反射-测光机构7。
10.重复第1、第5和第9步操作，取五次测量平均值为参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)、幕帘背墙4b的反射光的输出响应信号Sb(λ)、幕帘背墙4b及颗粒5反射时得到的反射光的输出响应信号Sbp(λ)。在其他实施方式中，也可以取其他次数的测量平均值作为测量结果。
11.移开光源1、单色仪2以及积分球3，使用拍摄机构12对幕帘背墙4b及颗粒5进行图像采集。
12.重复第6和第11步操作，得到10次幕帘背墙4b、幕帘背墙4b及颗粒5的图像信息。
13.通过布尔运算减去作为背景4的图像，再结合边缘识别等技术获得背景4所占面积比例，取十次幕帘背墙4b所占比例的平均值作为平均背景占比Pb。
14.根据参考标准样品、幕帘背墙4b、幕帘背墙4b及颗粒5的反射光所得到的输出响应信号Sr(λ)、Sb(λ)、Sbp(λ)、参考标准样品的反射率为ρr(λ)以及平均背景占比Pb，利用上述公式(1)计算得到颗粒5的辐射吸收特性αp(λ,Tbp)。
15.调整并保持输出光处于同的波长以及光强状态，重复1-14步操作，可测量不同波长、不同温度下，高温运动颗粒5的辐射吸收特性。
16.测量结束后，首先关闭加热系统，待装置降至室温，方可关闭冷却系统。
对于本领域技术人员来说，在本发明技术思想的范围内能够根据需要而对于上述控制方法的各个步骤进行删减或者顺序调整。
本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，用于测试吸热器中的颗粒处于运动状态时的辐射吸收特性，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：调整并保持输出光处于第一波长以及光强状态；
步骤S2：检测得出光谱反射率为ρr(λ)的参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)；
步骤S3：加入背景并将背景加热至Tbp，检测得出背景的反射光的输出响应信号Sb(λ)；
步骤S4：采集背景处的图像信息；
步骤S5：加入颗粒并将背景及颗粒加热至Tbp，驱动颗粒运动，检测得出背景及颗粒的反射光的输出响应信号Sbp(λ)；
步骤S6：采集背景及颗粒处的图像信息；
步骤S7：对两次获得的图像信息进行处理，得到背景的平均背景占比Pb；
步骤S8：利用如下公式，计算得到颗粒的吸收率αp(λ,Tbp)：
步骤S9：调整并保持输出光处于第二波长以及光强状态，重复上述步骤S2～S8。
2.根据权利要求1所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，在步骤S2中，具体为：在常温静止状态下，将已知光谱反射率的参考标准样品放在积分球的样品孔处，开启光源和单色仪，调整单色仪的出射光处于第一波长和光强状态，光源依次穿过单色仪以及积分球，在此基础上，测光机构收集经参考标准样品反射的光并检测获得参考标准样品的反射光的输出响应信号Sr(λ)；
在步骤S3中，具体为：加入背景并将背景加热至Tbp，开启光源和单色仪，调整单色仪的出射光处于第一波长和光强状态，光源依次穿过单色仪以及积分球并到达背景，在此基础上，测光机构收集经背景反射的光并检测获得背景的反射光的输出响应信号Sb(λ)；
在步骤S5中，具体为：加入活动的颗粒并将背景及颗粒加热至Tbp，开启光源和单色仪，调整单色仪的出射光处于第一波长和光强状态，光源依次穿过单色仪以及积分球并到达背景及颗粒，并在此基础上，测光机构收集经背景及颗粒反射的光并检测获得背景及颗粒的反射光的输出响应信号Sbp(λ)。
3.根据权利要求1或2所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，在步骤S5中，利用传动机构驱动颗粒循环运动，使颗粒的运动状态与吸热器中工况下颗粒的运动状态保持一致。
4.根据权利要求2所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，在步骤S3中、步骤S5中，利用管式加热炉、燃烧室或者聚光镜加热器作为加热机构分别对背景、背景及颗粒进行加热，调节背景、背景及颗粒的温度与吸热器中工况吸热器中保持一致。
5.根据权利要求4所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，在步骤S3中、步骤S5中，利用收光器初步收集背景、背景及颗粒反射的光线，然后将接收到的光线传导至积分球内。
6.根据权利要求5所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，在步骤S1至步骤S8中，利用冷却机构，对高于吸热器中工况下温度的积分球以及收光器进行降温处理。
7.根据权利要求1所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，在步骤S7中，通过布尔运算减去背景的图像，结合边缘识别技术获得背景所占面积比例，测量并计算多次，取平均值作为平均背景占比Pb。
8.根据权利要求1所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，在步骤S1至步骤S8中，利用测温机构测量背景、背景及颗粒、积分球以及收光器的温度。
9.根据权利要求1所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，利用计算机作为控制单元，控制测量步骤的进行。
10.一种颗粒聚光辐射吸收特性测量装置，采用如权利要求1-9中的任一项所述的颗粒聚光辐射吸收特性的测量方法，其特征在于，包括：
单色光生成机构，用于生成特定波长和光强的单色光；
积分球，所述积分球的入射孔与所述单色光生成机构的出口相连；
收光器，与所述积分球的样品孔相连；
背景，供颗粒放置，所述背景以及颗粒与收光器相连；
传动机构，用于驱动颗粒运动的状态与吸热器中工况下颗粒的运动状态保持一致；
加热机构，用于加热背景、背景及颗粒至背景、背景及颗粒的温度与吸热器中工况下温度保持一致；
冷却机构，用于对超温的积分球以及收光器降温；
测光机构，用于接收经由位于积分球内的参考标准样品、背景、背景及颗粒反射的光并测量对应的反射光的输出响应信号；
测温机构，用于检测背景、背景及颗粒、积分球以及收光器的温度；
拍摄机构，用于采集背景、背景及颗粒的图像；
计算机，分别与所述单色光生成机构、所述传动机构、所述加热机构、所述冷却机构、所述测光机构以及所述测温机构通信连接、并控制上述机构的运行状态。
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| CN201811534529.6A CN111323341A (zh) | 2018-12-14 | 2018-12-14 | 颗粒聚光辐射吸收特性测量装置及其测量方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113390190A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-09-14 | 吉林建筑大学 | 一种二次反射式颗粒吸热器 |
| CN113418890A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-21 | 南京航空航天大学 | 一种高温粒子幕光谱发射率的测量系统及其方法 |
-
2018
- 2018-12-14 CN CN201811534529.6A patent/CN111323341A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN113418890B (zh) * | 2021-06-11 | 2022-07-26 | 南京航空航天大学 | 一种高温粒子幕光谱发射率的测量系统及其方法 |
| CN113390190A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-09-14 | 吉林建筑大学 | 一种二次反射式颗粒吸热器 |
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