CN113418890A - 一种高温粒子幕光谱发射率的测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温粒子幕光谱发射率的测量系统及其方法，该系统包括傅里叶红外光谱仪、黑体辐射源、反射镜、旋转台、光路保护罩、氮气瓶、粒子幕加热炉、双色红外测温仪和计算机，所述傅里叶红外光谱仪与第一计算机连接；所述黑体辐射源由数字式PID控制器控制；粒子幕加热炉由温度控制器控制；颗粒放置在粒子幕加热炉的内胆中，预热完成后通过第一高温阀门释放形成粒子幕，一个双色红外测温仪用于测量自由落体粒子幕的温度，该双色红外测温仪与第二计算机相连；利用傅里叶红外光谱仪测量粒子幕辐射信号和同温度下黑体辐射信号计算得到粒子幕光谱发射率。本发明可以测量不同温度和厚度粒子幕的光谱发射率。
Description
技术领域
本发明涉及塔式聚光太阳能热发电技术领域，具体涉及高温粒子幕光谱发射率的测量系统。
背景技术
塔式太阳能热发电技术具有聚光比高、发电效率高等优点，是大规模太阳能热发电的主流形式之一。其主要原理是利用定日镜将太阳光聚集起来加热集热器中的传热工质，将太阳能转化为热能，而后通过换热和动力循环进行发电，将热能转化为电能。为了获取更高的集热温度进而提高发电效率，太阳能集热器已经从以水和导热油为工质的液体集热器发展到以熔盐和固体颗粒为工质的熔盐集热器和固体颗粒集热器。其中，固体颗粒集热器集热温度可达1000℃以上，具有更高的发电效率，被广泛关注。
使用固体颗粒作为集热工质具有集热温度高，储热方式简单和成本低廉等优点，目前国际上已有多座利用固体颗粒集热器的太阳能塔式热发电站。在固体颗粒集热器中，换热的主要形式为辐射换热，颗粒的辐射特性对集热器的集热效率具有重要影响作用。然而，关于颗粒的辐射特性的数据十分缺乏，特别是高温状态下固体颗粒群的发射率比较缺乏。
固体颗粒集热器使用的颗粒直径范围为0.1mm—1.0mm，针对该尺寸的固体颗粒高温发射率测量，常见的方法是直接测量堆积状态的颗粒高温发射率。但固体颗粒集热器中的颗粒状态为相互之间有一定间隙的粒子幕，高温颗粒之间相互辐射又相互遮挡辐射，情况复杂，其辐射特性与堆积状态的颗粒具有很大差异，因此需要对高温粒子幕的发射率进行测定。
发明内容
本发明的目的是为了满足不同温度下粒子幕光谱发射率的测量需求，从而提供了高温粒子幕光谱发射率测量系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高温粒子幕光谱发射率的测量系统，包括傅里叶红外光谱仪1、黑体辐射源2、数字式PID控制器3、反射镜4、旋转台5、光路保护罩6、氮气瓶7、粒子幕加热炉8、双色红外测温仪11和温度控制器12，所述光路保护罩6分别连接傅里叶红外光谱仪1外光路引入口、黑体辐射源2出光口和粒子幕加热炉8的粒子幕观察窗83，所述黑体辐射源2出光口和粒子幕加热炉8的粒子幕观察窗83位于光路保护罩6横向相对的两端，所述傅里叶红外光谱仪1外光路引入口位于光路保护罩6的上端，所述光路保护罩6内设置有固定于旋转台5上的反射镜4，旋转台5可180°旋转带动反射镜4切换进入傅里叶红外光谱仪1外光路引入口的光源，即切换粒子幕加热炉8形成的粒子幕9和黑体辐射源2的辐射信号，所述光路保护罩6上还连接有能够向其中填充氮气的氮气瓶7；所述数字式PID控制器3控制黑体辐射源2，所述温度控制器12控制粒子幕加热炉8加热待测颗粒并释放形成粒子幕9；
所述傅里叶红外光谱仪1与第一计算机13连接，所述第一计算机13操作和控制傅里叶红外光谱仪1采集粒子幕9和黑体辐射源2的光谱特性曲线；
所述双色红外测温仪11与第二计算机10相连，所述第二计算机10控制双色红外测温仪11采集和保存粒子幕9的温度数据。
进一步的，傅里叶红外光谱仪外光路引入口和反射镜中心同轴，黑体辐射源出光口和加热炉观察窗与反射镜中心同轴。颗粒在加热炉膛内预热，预热结束后开启炉膛下方的高温阀门，高温颗粒通过粒子幕调节片自由落体形成粒子幕。双色红外测温仪通过加热炉侧面观察窗测量粒子幕温度，数据由计算机保存。粒子幕的红外辐射信号通过另一观察窗被反射镜反射至傅里叶红外光谱仪，最终由计算机保存光谱信号。
进一步的，所述傅里叶红外光谱仪1的外光路引入口和反射镜4的镜面中心与竖直线共线；所述黑体辐射源2的出口中心轴线、粒子幕观察窗83的中心轴线及反射镜4中心与水平线共线；所述反射镜4中心与黑体辐射源2出光口和粒子幕9距离相同；所述反射镜4的中心与傅里叶红外光谱仪1的外光路引入口中心水平距离为400—450mm。
进一步的，所述的粒子幕加热炉8包括依次自上至下设置的加热炉膛81、第一高温阀门82、观察段83、第二高温阀门84和粒子回收仓85，其中：所述加热炉膛81的壁面均匀缠绕电加热丝，对待测颗粒进行加热升温；第一高温阀门82控制待测颗粒的释放形成粒子幕9；观察段83的上端设置有粒子幕调节片86；位于粒子幕调节片86以下的观察段83上设置有粒子幕观察窗83，透过粒子幕观察窗83对粒子幕9的运动状态、温度和辐射信号进行观察和测量；所述观察段83为双层水冷管壁，所述观察段83外壁的下端设置有水冷进水口，所述观察段83外壁的上段设置有水冷出水口，工作时将底部的水冷进水口和水冷出水口连接到水冷机上，打开水冷机进行冷却，循环水从水冷进水口流入，从水冷出水口流出，可将观察段83的金属壁面冷却至较低温度，避免背景辐射的影响；所述观察段83的内壁内面涂有高吸收率涂层，可减少反射辐射和金属壁面发出辐射的影响。
进一步的，所述粒子幕调节片86中间设置有矩形孔，可根据不同厚度的粒子幕测试需求，选择不同尺寸的粒子幕调节片86进行测试。
进一步的，所述粒子幕观察窗83为四个，相邻的粒子幕观察窗83呈90°设置，即四个粒子幕观察窗83均匀的设置于同一高度的观察段83侧壁上。
进一步的，所述粒子幕观察窗83和黑体辐射源2出光口均设有光阑，光阑上孔的直径相同，且均为30mm。
进一步的，所述光路保护罩6的内壁涂有高吸收率涂层，高吸收率涂层吸收2.5μm—25μm的杂散辐射。
进一步的，所述氮气瓶7通过四氟管连接光路保护罩6，对光路进行吹扫，减少空气中水汽和CO2的影响。
进一步的，所述傅里叶红外光谱仪1的型号为Nicolet iS50。
进一步的，所述第一高温阀门82、第二高温阀门84，观察段83、粒子回收仓85和粒子幕调节片86的材质均为310S不锈钢，可在850℃下长期工作。
进一步的，测试波长范围为2.5μm—25μm。
一种高温粒子幕光谱发射率的测量方法，测量步骤如下：
步骤一，打开傅里叶红外光谱仪1，开启傅里叶红外光谱仪1的校准激光，调节反射镜4，使校准激光被反射至黑体辐射源2出光口中心，旋转反射镜4，同样使校准光被反射至粒子幕观察窗83的中心，重复进行此步骤，直至光路准确；
步骤二，开启黑体辐射源2，设定温度从300℃到800℃，间隔为100℃，各个温度下的黑体辐射信号由傅里叶红外光谱仪1测量并保存在第一计算机13中，利用双温法对傅里叶红外光谱仪1进行标定，获得光谱仪仪器响应函数R(λ)和背景函数S0(λ)；
步骤三，将粒子幕加热炉8中的待测颗粒预热至温度T1，打开第一高温阀门82，使待测颗粒通过粒子幕调节片86形成粒子幕9，利用双色红外测温仪11测量经过粒子幕观察窗83的粒子幕9温度T2，傅里叶红外光谱仪1测量反射镜4反射的粒子幕辐射信号为Sc(λ,T2)；
步骤四，将黑体辐射源2升温至T2，傅里叶光谱仪1测量反射镜4反射的黑体辐射信号为Sb(λ,T2)；
步骤五，根据傅里叶红外光谱仪1测量信号S(λ,T)与待测颗粒样品辐射信号E(λ,T)的关系：S(λ,T)＝R(λ)E(λ,T)+S0(λ)，计算粒子幕和黑体的光谱辐射力Ec(λ,T2)和Eb(λ,T2)；
步骤六，根据公式
计算温度为T2下的粒子幕表观光谱发射率εc(λ,T2)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过自由落体释放颗粒，可实现不同厚度下粒子幕光谱发射率的测量；本发明中颗粒加热炉可实现800℃以下的加热，极大提高了粒子幕的温度测量范围；本发明测试环境与实际的幕帘式颗粒集热器类似，测得的粒子幕表观发射率更接近实际工况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中粒子幕加热炉的结构示意图。
图3为本发明中粒子幕调节片的结构示意图；
图4为本发明中粒子幕调节片的截面图。
具体实施方式
如图1-4所示，一种高温粒子幕光谱发射率的测量系统，包括傅里叶红外光谱仪1、黑体辐射源2、数字式PID控制器3、反射镜4、旋转台5、光路保护罩6、氮气瓶7、粒子幕加热炉8、双色红外测温仪11和温度控制器12，所述光路保护罩6分别连接傅里叶红外光谱仪1外光路引入口、黑体辐射源2出光口和粒子幕加热炉8的粒子幕观察窗83，所述黑体辐射源2出光口和粒子幕加热炉8的粒子幕观察窗83位于光路保护罩6横向相对的两端，所述傅里叶红外光谱仪1外光路引入口位于光路保护罩6的上端，所述光路保护罩6内设置有固定于旋转台5上的反射镜4，旋转台5可180°旋转带动反射镜4切换进入傅里叶红外光谱仪1外光路引入口的光源，即切换粒子幕加热炉8形成的粒子幕9和黑体辐射源2的辐射信号，所述光路保护罩6上还连接有能够向其中填充氮气的氮气瓶7；所述氮气瓶7通过四氟管连接光路保护罩6，对光路进行吹扫，减少空气中水汽和CO2的影响；所述光路保护罩6的内壁涂有高吸收率涂层，高吸收率涂层吸收2.5μm—25μm的杂散辐射；所述数字式PID控制器3控制黑体辐射源2，所述温度控制器12控制粒子幕加热炉8加热待测颗粒并释放形成粒子幕9；所述傅里叶红外光谱仪1与第一计算机13连接，所述第一计算机13操作和控制傅里叶红外光谱仪1采集粒子幕9和黑体辐射源2的光谱特性曲线；所述双色红外测温仪11与第二计算机10相连，所述第二计算机10控制双色红外测温仪11采集和保存粒子幕9的温度数据。傅里叶红外光谱仪外光路引入口和反射镜中心同轴，黑体辐射源出光口和加热炉观察窗与反射镜中心同轴。颗粒在加热炉膛内预热，预热结束后开启炉膛下方的高温阀门，高温颗粒通过粒子幕调节片自由落体形成粒子幕。双色红外测温仪通过加热炉侧面观察窗测量粒子幕温度，数据由计算机保存。粒子幕的红外辐射信号通过另一观察窗被反射镜反射至傅里叶红外光谱仪，最终由计算机保存光谱信号。
作为一个优选方案，所述傅里叶红外光谱仪1的外光路引入口和反射镜4的镜面中心与竖直线共线；所述黑体辐射源2的出口中心轴线、粒子幕观察窗83的中心轴线及反射镜4中心与水平线共线；所述反射镜4中心与黑体辐射源2出光口和粒子幕9距离相同；所述反射镜4的中心与傅里叶红外光谱仪1的外光路引入口中心水平距离为400—450mm。
作为一个优选方案，所述的粒子幕加热炉8包括依次自上至下设置的加热炉膛81、第一高温阀门82、观察段83、第二高温阀门84和粒子回收仓85，其中：所述加热炉膛81的壁面均匀缠绕电加热丝，对待测颗粒进行加热升温；第一高温阀门82控制待测颗粒的释放形成粒子幕9；观察段83的上端设置有粒子幕调节片86；位于粒子幕调节片86以下的观察段83上设置有粒子幕观察窗83，透过粒子幕观察窗83对粒子幕9的运动状态、温度和辐射信号进行观察和测量；所述观察段83为双层水冷管壁，所述观察段83外壁的下端设置有水冷进水口，所述观察段83外壁的上段设置有水冷出水口，工作时将底部的水冷进水口和水冷出水口连接到水冷机上，打开水冷机进行冷却，循环水从水冷进水口流入，从水冷出水口流出，可将观察段83的金属壁面冷却至较低温度，避免背景辐射的影响；所述观察段83的内壁内面涂有高吸收率涂层，可减少反射辐射和金属壁面发出辐射的影响；所述粒子幕调节片86中间设置有矩形孔，可根据不同厚度的粒子幕测试需求，选择不同尺寸的粒子幕调节片86进行测试；所述粒子幕观察窗83为四个，相邻的粒子幕观察窗83呈90°设置，即四个粒子幕观察窗83均匀的设置于同一高度的观察段83侧壁上；所述粒子幕观察窗83和黑体辐射源2出光口均设有光阑，光阑上孔的直径相同，且均为30mm。
作为一个优选方案，所述傅里叶红外光谱仪1的型号为Nicolet iS50。
作为一个优选方案，所述第一高温阀门82、第二高温阀门84，观察段83、粒子回收仓85和粒子幕调节片86的材质均为310S不锈钢，可在850℃下长期工作。
作为一个优选方案，测试波长范围为2.5μm—25μm。
一种高温粒子幕光谱发射率的测量方法，测量步骤如下：
步骤一，打开傅里叶红外光谱仪1，开启傅里叶红外光谱仪1的校准激光，调节反射镜4，使校准激光被反射至黑体辐射源2出光口中心，旋转反射镜4，同样使校准光被反射至粒子幕观察窗83的中心，重复进行此步骤，直至光路准确；
步骤二，开启黑体辐射源2，设定温度从300℃到800℃，间隔为100℃，各个温度下的黑体辐射信号由傅里叶红外光谱仪1测量并保存在第一计算机13中，利用双温法对傅里叶红外光谱仪1进行标定，获得光谱仪仪器响应函数R(λ)和背景函数S0(λ)；
步骤三，将粒子幕加热炉8中的待测颗粒预热至温度T1，打开第一高温阀门82，使待测颗粒通过粒子幕调节片86形成粒子幕9，利用双色红外测温仪11测量经过粒子幕观察窗83的粒子幕9温度T2，傅里叶红外光谱仪1测量反射镜4反射的粒子幕辐射信号为Sc(λ,T2)；
步骤四，将黑体辐射源2升温至T2，傅里叶光谱仪1测量反射镜4反射的黑体辐射信号为Sb(λ,T2)；
步骤五，根据傅里叶红外光谱仪1测量信号S(λ,T)与待测颗粒样品辐射信号E(λ,T)的关系：S(λ,T)＝R(λ)E(λ,T)+S0(λ)，计算粒子幕和黑体的光谱辐射力Ec(λ,T2)和Eb(λ,T2)；
步骤六，根据公式
计算温度为T2下的粒子幕表观光谱发射率εc(λ,T2)。
用在太阳能颗粒集热器中的粒子直径一般在0.2—1.0mm，释放粒子的狭缝宽度在2cm以内，因此粒子幕调节片设置的最大矩形孔尺寸为20mm×60mm，可测试的颗粒直径0.2mm—2mm，测试的温度为300℃—8000℃，测试光谱范围：2.5—25μm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：包括傅里叶红外光谱仪(1)、黑体辐射源(2)、数字式PID控制器(3)、反射镜(4)、旋转台(5)、光路保护罩(6)、氮气瓶(7)、粒子幕加热炉(8)、双色红外测温仪(11)和温度控制器(12)，所述光路保护罩(6)分别连接傅里叶红外光谱仪(1)外光路引入口、黑体辐射源(2)出光口和粒子幕加热炉(8)的粒子幕观察窗(83)，所述黑体辐射源(2)出光口和粒子幕加热炉(8)的粒子幕观察窗(83)位于光路保护罩(6)横向相对的两端，所述傅里叶红外光谱仪(1)外光路引入口位于光路保护罩(6)的上端，所述光路保护罩(6)内设置有固定于旋转台(5)上的反射镜(4)，旋转台(5)可180°旋转带动反射镜(4)切换进入傅里叶红外光谱仪(1)外光路引入口的光源，即切换粒子幕加热炉(8)形成的粒子幕(9)和黑体辐射源(2)的辐射信号，所述光路保护罩(6)上还连接有能够向其中填充氮气的氮气瓶(7)；所述数字式PID控制器(3)控制黑体辐射源(2)，所述温度控制器(12)控制粒子幕加热炉(8)加热待测颗粒并释放形成粒子幕(9)；
所述傅里叶红外光谱仪(1)与第一计算机(13)连接，所述第一计算机(13)操作和控制傅里叶红外光谱仪(1)采集粒子幕(9)和黑体辐射源(2)的光谱特性曲线；
所述双色红外测温仪(11)与第二计算机(10)相连，所述第二计算机(10)控制双色红外测温仪(11)采集和保存粒子幕(9)的温度数据。
2.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：所述傅里叶红外光谱仪(1)的外光路引入口和反射镜(4)的镜面中心与竖直线共线；所述黑体辐射源(2)的出口中心轴线、粒子幕观察窗(83)的中心轴线及反射镜(4)中心与水平线共线；所述反射镜(4)中心与黑体辐射源(2)出光口和粒子幕(9)距离相同；所述反射镜(4)的中心与傅里叶红外光谱仪(1)的外光路引入口中心水平距离为400—450mm。
3.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：所述的粒子幕加热炉(8)包括依次自上至下设置的加热炉膛(81)、第一高温阀门(82)、观察段(83)、第二高温阀门(84)和粒子回收仓(85)，其中：所述加热炉膛(81)的壁面均匀缠绕电加热丝，对待测颗粒进行加热升温；第一高温阀门(82)控制待测颗粒的释放形成粒子幕(9)；观察段(83)的上端设置有粒子幕调节片(86)；位于粒子幕调节片(86)以下的观察段(83)上设置有粒子幕观察窗(83)，透过粒子幕观察窗(83)对粒子幕(9)的运动状态、温度和辐射信号进行观察和测量；所述观察段(83)为双层水冷管壁，所述观察段(83)的内壁内面涂有高吸收率涂层。
4.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：所述粒子幕调节片(86)中间设置有矩形孔，可根据不同厚度的粒子幕测试需求，选择不同尺寸的粒子幕调节片(86)进行测试。
5.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：所述粒子幕观察窗(83)为四个，相邻的粒子幕观察窗(83)呈90°设置。
6.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：所述粒子幕观察窗(83)和黑体辐射源(2)出光口均设有光阑，光阑上孔的直径相同，且均为30mm。
7.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：所述光路保护罩(6)的内壁涂有高吸收率涂层，高吸收率涂层吸收2.5μm—25μm的杂散辐射。
8.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：所述氮气瓶(7)通过四氟管连接光路保护罩(6)。
9.根据权利要求1所述的高温粒子幕光谱发射率的测量系统，其特征在于：测试波长范围为2.5μm—25μm。
10.一种高温粒子幕光谱发射率的测量方法，其特征在于：所述测量方法使用权利要求1所述测量系统，测量步骤如下：
步骤一，打开傅里叶红外光谱仪(1)，开启傅里叶红外光谱仪(1)的校准激光，调节反射镜(4)，使校准激光被反射至黑体辐射源(2)出光口中心，旋转反射镜(4)，同样使校准光被反射至粒子幕观察窗(83)的中心，重复进行此步骤，直至光路准确；
步骤二，开启黑体辐射源(2)，设定温度从300℃到800℃，间隔为100℃，各个温度下的黑体辐射信号由傅里叶红外光谱仪(1)测量并保存在第一计算机(13)中，利用双温法对傅里叶红外光谱仪(1)进行标定，获得光谱仪仪器响应函数R(λ)和背景函数S0(λ)；
步骤三，将粒子幕加热炉(8)中的待测颗粒预热至温度T1，打开第一高温阀门(82)，使待测颗粒通过粒子幕调节片(86)形成粒子幕(9)，利用双色红外测温仪(11)测量经过粒子幕观察窗(83)的粒子幕(9)温度T2，傅里叶红外光谱仪(1)测量反射镜(4)反射的粒子幕辐射信号为Sc(λ,T2)；
步骤四，将黑体辐射源(2)升温至T2，傅里叶光谱仪(1)测量反射镜(4)反射的黑体辐射信号为Sb(λ,T2)；
步骤五，根据傅里叶红外光谱仪(1)测量信号S(λ,T)与待测颗粒样品辐射信号E(λ,T)的关系：S(λ,T)＝R(λ)E(λ,T)+S0(λ)，计算粒子幕和黑体的光谱辐射力Ec(λ,T2)和Eb(λ,T2)；
步骤六，根据公式
计算温度为T2下的粒子幕表观光谱发射率εc(λ,T2)。
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