CN113758027B - 直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置及测量方法 - Google Patents

直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置及测量方法，所述装置包括红外测温装置、暗室、高频电火花放电装置、光谱检测装置及信号分析装置。红外测温装置用于采集集热管玻璃外管温度和金属内管膜层温度；暗室安装在待测直通式太阳真空集热管上；高频电火花放电装置安装在暗室夹层内，放电电极头放置在暗室的放电孔内，用于对集热管的环形空间内气体放电电离；光谱检测装置的光纤探测头安装在暗室的观察孔内，用来接收集热管环形空间内的光谱信号；所述的红外测温装置和光谱检测装置均与信号分析装置连接，通过温度和光谱信号可无损地获得待测直通式太阳真空集热管的热损与真空性能。

Description

直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置及测量 方法
技术领域
本发明涉及一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置及方法。
背景技术
线性聚焦式太阳能集热技术由于运行稳定、成本较低、可满足高中低温的多种应用需求，已经被广泛应用于太阳能采暖/制冷、工农业供热/蒸汽及太阳能热发电等领域，成为国家能源结构变革及实现国家双碳战略目标的一种重要的可再生能源利用技术。直通式太阳真空集热管是线性聚焦集热系统中将太阳能转换为热能的核心部件，它的热性能和可靠性决定了整个太阳能热发电系统的热效率。集热管包括带有选择性吸收膜层的金属内管和同轴围绕其上方的玻璃外管。玻璃外管和金属内管之间有一环形真空空间，其目的是为了削弱真空区内的对流换热而减少热损失并且保护选择性吸收膜层不会被氧化。金属内管外表面涂有选择性吸收涂层以增强太阳辐射的吸收并减少自身的辐射损失。金属内管和玻璃外管间的环形空间内常放置吸气剂，以此减少集热管在使用过程中环形空间出现气体而导致热效率降低。
集热管的真空失效一直是线性聚焦太阳能集热系统中存在的主要问题，其真空性能的优劣直接影响了整个太阳能集热系统效率和经济性。根据集热管的热损机理，热损主要来源于金属内管选择性吸收膜层的辐射热损和环形空间中的对流热损。其中集热管环形空间的真空一旦失效，其热损显著增加，金属内管膜层也会因高温氧化而性能退化，显著降低系统的热效率。近年来太阳能集热系统中发现集热管在运行时，导热油加热分解产生的氢气渗透到环形空间中，导致集热管热损急剧增大，出现“集热管过热现象”，其热损超过真空性能完好集热管的4倍以上，导致太阳能集热系统每年损失超过20％的收益，对系统造成较大的经济损失。因此，准确检测出当前运行中的集热管环形空间的真空状态显得尤为重要。
集热管安装在线性聚焦太阳能集热系统中运行时，只能进行无损的热损与真空检测。因此如何对在线运行的集热管进行无损的热损与真空性能检测成了人们越来越关注的问题。
发明专利CN 110398075 A中提出了采用高频电源、气体电离施加装置和光谱检测系统来测量集热管环形空间的真空度，但该专利无法检测环形空间气压为1Pa以下的集热管，同时该专利采用的高频电源电压等级高，需要注意放电安全性，高频电源装置体积大、重量大，在实际应用中仍有很大的不便性，缺乏便携性。
因此，本发明提出一种新型的具有放电安全性、便携性且可同时获得集热管热损和真空性能的一体式在线测量装置，可以准确掌握直通式太阳真空集热管的热损与真空性能，将显著提升系统光热性能和运行经济性。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置及测量方法，具有放电安全性、便携性等优点，能实现对集热管的热损与真空性能的无损测量，可在线性聚焦太阳能集热系统上对直通式太阳真空集热管进行在线、一体式热损与真空性能测量。
为了达到上述目的，本发明拟采用以下技术方案：
一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，所述的测量装置包括红外测温装置、暗室、高频电火花放电装置、光谱检测装置及信号分析装置；所述红外测温装置包括第一红外测温仪和第二红外测温仪，所述第一红外测温仪用于采集待测直通式太阳真空集热管的玻璃外管温度，所述第二红外测温仪用于采集待测直通式太阳真空集热管的金属内管膜层温度；暗室安装在待测直通式太阳真空集热管上；所述高频电火花放电装置安装在暗室夹层内，高频电火花放电装置的放电电极头安装在暗室的放电孔内；光谱检测装置的光纤探测头安装在暗室的观察孔内；通过红外测温装置和光谱检测装置与信号分析装置连接，获得待测直通式太阳真空集热管的热损与真空性能。
进一步的，所述的高频电火花放电装置的输出频率为0.1-3MHz，其放电电极头上的输出电压范围为10-40kV。
进一步的，所述的高频电火花放电装置的放电电极头垂直于待测直通式太阳真空集热管且位于距离其玻璃外管1-20mm的范围内。
进一步的，所述的放电孔具有半径为10-20mm半球形放电空间，使电火花充分反应。
进一步的，所述的第一红外测温仪的波长范围为5-14μm，所述的第二红外测温仪的波长范围为1-4μm。
进一步的，所述的暗室为电绝缘材料制作的中空半圆筒，其内壁或外壁为黑色用于遮挡外部光线从而形成暗室环境。
进一步的，所述的暗室上具有直径1-12mm的放电孔和3-12mm的观察孔，所述的放电孔距离观察孔任意方向上不少于10mm。
进一步的，所述的红外测温装置安装在暗室上，所述暗室具有直径为10-20mm的第一红外测温仪孔和直径为15-25mm的第二红外测温仪孔，用于分别放置所述第一红外测温仪和第二红外测温仪，所述的放电孔距离第一红外测温仪孔和第二红外测温仪孔任意方向上不少于30mm。
本发明还提出以下技术方案：
一种使用上述直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置的测量方法，所述的测量方法步骤如下：
1)将直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置安装在待测直通式太阳真空集热管上；
2)利用红外测温装置采集待测直通式太阳真空集热管的玻璃外管和金属内管膜层的温度，通过信号分析装置显示热损值；
3)开启高频电火花放电装置，用于对直通式太阳真空集热管的环形空间内气体放电电离，通过光谱检测装置检测气体电离时发射光谱的数据，通过信号分析装置分析光谱特征波长和光谱光照强度数值，并结合步骤2)获得的热损值，分析当前气体成分和压强。
本发明的技术方案中，所述的高频电火花放电装置由电源，高频振荡器发射器和放电电极头构成。电源通过高频振荡发射器在放电电极头位置发生电火花放电，并在玻璃外管上施加高频电场，高频电场使得环形空间内的稀薄气体进行电离，测量范围可低至0.1Pa。
所述的放电电极头通过释放高频电火花的形式对直通式太阳真空集热管环形空间内部的气体辉光放电，所述的放电电极头垂直于待测直通式太阳真空集热管且距离其玻璃外管 1-20mm范围内，保证直通式太阳真空集热管的玻璃外管在测量过程中不受损伤。
所述的红外测温装置由第一红外测温仪和第二红外测温仪构成。红外测温装置在测量温度时，均垂直于直通式太阳真空集热管的玻璃外管；所述的第一红外测温仪的波长范围为 5-14μm，所述的第二红外测温仪的波长范围为1-4μm。
所述的暗室为电绝缘材料制作的中空半圆筒，其内壁或外壁为黑色，用以降低外部环境带来的噪声干扰，暗室壁厚为5mm。暗室具有1-12mm的放电孔和3-12mm的观察孔。
所述的放电孔周围有半径为10-20mm半球形放电空间，使电火花充分反应。所述的观察孔为光纤探测头的插入位置，可以采集放电时气体的发射光谱，所述的观察孔距离放电区域任意方向上不少于10mm，防止电火花对光纤探测头造成损伤；所述的放电孔距离观察孔任意方向上不少于10mm，有效避免电火花对光纤探测头的损伤。
所述的红外测温装置安装在暗室上，减少潜在的外界因素产生的干扰，同时提高了整套装置的便携性；所述的暗室中具有直径10-20mm的第二红外测温仪孔和直径10-25mm的第一红外测温仪孔，所述的放电孔距离第一红外测温仪孔和第二红外测温仪孔任意方向上不少于30mm。
所述的光谱检测装置由光谱仪、光纤构成。所述的光谱仪可测量光谱波长范围为200nm-1100nm，所述的光纤探测头安装在暗室内部，垂直于所述的玻璃外管且距离玻璃外管1-20mm内。
所述的红外测温装置与光谱检测装置均与信号分析装置连接。
所述的信号分析装置由计算机和光谱测量软件、数据分析软件构成。所述的光谱测量软件可以设置采集时的积分时间，针对气压较低时采集到的光谱强度较低，不易分析，可通过增大积分时间的方式，有效增大采集到的发射光谱的强度，便于后续进行数据分析；所述的数据分析软件可通过所采集到的温度和发射光谱分析得出当前测量的直通式太阳真空集热管的热损和真空性能，并进一步评价集热管热损中来自膜层导致的热损和真空性能导致的热损值大小。
本发明的有益效果：
1、本发明直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置采用红外测温装置准确采集集热管玻璃外管与金属内管膜层的温度，判断当前所测量的直通式太阳真空集热管热损的大小。其次采用高频电火花放电装置在太阳真空集热管外施加高频电场从而引起环形空间内部气体辉光放电，利用光谱检测装置测量放电时产生的发射光谱，根据所测量到的发射光谱及其强度判断当前所测的太阳真空集热管内部的气体成分及其分压，并进一步评价集热管的来自膜层导致的热损和真空性能导致的热损值大小。本方法是一种新型无损测量方法，精度高，符合可再生和真空领域的技术要求，在太阳能集热和高中低温系统中有广阔的应用前景。
2、本发明直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置体积小，重量轻，便于携带，适合在现场作业。单个直通式太阳真空集热管热损与真空性能的检测时间低于10分钟，有着很高的工作效率，适合应用于大规模系统中。
3、本发明直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置的硬件部分通过增大间距、绝缘处理等方法做了保护处理，延长了本装置的使用寿命。本装置的安全距离至少0.5 米，测量时无辐射污染，极大地保障了操作人员的安全。
附图说明
图1是本发明一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置的示意图；
图2是本发明另一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置的示意图。
图中：1红外测温装置，2暗室，3高频电火花放电装置，4光谱检测装置，5信号分析装置，6集热管，7玻璃外管，8第一红外测温仪，9金属内管膜层，10第二红外测温仪，11 放电电极头，12放电孔，13光纤探测头，14观察孔，15第一红外测温仪孔，16第二红外测温仪孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，本发明的直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置包括红外测温装置1、暗室2、高频电火花放电装置3、光谱检测装置4、信号分析装置5。暗室2安装在待测直通式太阳真空集热管的玻璃外管7上，其内部放置有红外测温装置1、高频电火花放电装置3。暗室2中具有直径25mm的第一红外测温仪孔15和直径20mm的第二红外测温仪孔16。光谱检测装置4的光纤探测头13安装在暗室2的观察孔14内。
红外测温装置1中包括测量玻璃外管7温度的第一红外测温仪8和测量金属内管膜层9 温度的第二红外测温仪10。第一红外测温仪8的波长为8μm，第二红外测温仪10的波长为 2μm。暗室2长450mm，宽135mm，厚5mm，搭建在集热管6上，其内部放置有红外测温装置1、高频电火花放电装置3。暗室2具有直径15mm的第一红外测温仪孔和直径18mm 的第二红外测温仪孔，放电孔距离第一红外测温仪孔和第二红外测温仪孔水平距离为40mm。红外测温仪装置1测试玻璃温度和金属内管膜层温度信号通过信号分析装置5分析并获得待测集热管的热损值，并初步判定待测集热管的真空性能。
高频电火花放电装置3的输出频率为1MHz，通过放电电极头11输出电压幅值为10kV。暗室2内有直径为6mm的放电孔12和9mm的观察孔14，放电孔垂直于集热管6的玻璃外管7，放电孔12距离观察孔14任意方向上距离不少于10mm，用来保证光纤探测头13在放电过程中不被损坏。光谱检测装置4一头与计算机相连，另一头光纤相连，可检测 200nm-1100nm波长范围内的光谱。光纤芯径为400μm，外径为8mm，插入至暗室2内的观察孔14,通过光纤探测头13检测放电时的发射光谱。信号分析装置5将光谱检测装置4采集到的发射光谱进行数据分析梳理，得到集热管6环形空间内的气体成分及其分压，结合获得的热损值，评价集热管的来自膜层导致的热损和真空性能导致的热损值大小。
利用本发明装置测量直通式太阳真空集热管的真空性能步骤如下：
1)将直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置安装在待测直通式太阳真空集热管6上；
2)利用红外测温装置1采集待测直通式太阳真空集热管6的玻璃外管7和金属内管膜层9的温度，通过信号分析装置5显示热损值；
3)开启高频电火花放电装置3，通过光谱检测装置4检测气体电离时发射光谱的数据，通过信号分析装置5分析光谱特征波长和光谱光照强度数值，基于光谱特征波长获得集热管 6环形空间内气体的成分，利用不同特征波长的光谱光照强度分析不同气体的压强，并综合步骤2)获得的热损值，进一步分析当前气体成分和压强。
实施例2
图2是本发明另一种方式的直通式太阳真空集热管热损与真空性能在线测量装置的示意图，包括红外测温装置1、暗室2、高频电火花放电装置3、光谱检测装置4、信号分析装置 5和高压电源15。暗室2搭建于待测直通式太阳真空集热管的玻璃外管7上，其内部放置有高频电火花放电装置3。光谱检测装置4的光纤探测头13安装在暗室2的观察孔14内。红外测温装置1置于外界测试环境中。
红外测温装置1中包括测量玻璃外管7温度的第一红外测温仪8和测量金属内管膜层9 温度的第二红外测温仪10。第一红外测温仪8的波长范围为14μm，第二红外测温仪10的波长范围为4μm。第一红外测温仪8和第二红外测温仪10分别用于对直通式太阳真空集热管6的玻璃外管7和金属内管膜层9的温度测量。
暗室2长300mm，宽131mm，厚3mm，搭建在集热管6上，其内部放置有高频电火花放电装置3。高频电火花放电装置在放电电极头11输出频率为3MHz，输出电压幅值为40kV。暗室2内有直径为8mm的放电孔12和12mm的观察孔14，放电孔垂直于集热管6的玻璃外管7，放电孔12距离观察孔14任意方向上距离不少于20mm，用来保证光纤探测头13在放电过程中不被损坏。光谱检测装置4一头与计算机相连，另一头与光纤相连，可检测 200nm-1100nm波长范围内的光谱。光纤芯径为400μm，外径为8mm，插入至暗室2内的观察孔14,通过光纤探测头13检测放电时的发射光谱。信号分析装置5将光谱检测装置4采集到的发射光谱进行数据分析梳理，得到集热管6环形空间内的气体成分及其分压。
利用本发明装置测量直通式太阳真空集热管真空性能步骤如下：
1)将直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置安装在待测直通式太阳真空集热管6上；
2)利用红外测温装置1采集待测直通式太阳真空集热管6的玻璃外管7和金属内管膜层(9)的温度，通过信号分析装置5显示热损值；
3)开启高频电火花放电装置3，通过光谱检测装置4检测气体电离时发射光谱的数据，通过信号分析装置5分析光谱特征波长和光谱光照强度数值，并综合步骤2)获得的热损值，分析出当前气体成分和压强。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的测量装置包括红外测温装置(1)、暗室(2)、高频电火花放电装置(3)、光谱检测装置(4)及信号分析装置(5)；所述红外测温装置(1)包括第一红外测温仪(8)和第二红外测温仪(10)，所述第一红外测温仪(8)用于采集待测直通式太阳真空集热管(6)的玻璃外管(7)温度，所述第二红外测温仪(10)用于采集待测直通式太阳真空集热管(6)的金属内管膜层(9)温度；暗室(2)安装在待测直通式太阳真空集热管(6)上；所述高频电火花放电装置(3)安装在暗室(2)夹层内，高频电火花放电装置(3)的放电电极头(11)安装在暗室(2)的放电孔(12)内；光谱检测装置(4)的光纤探测头(13)安装在暗室(2)的观察孔(14)内；通过红外测温装置(1)和光谱检测装置(4)与信号分析装置(5)连接，获得待测直通式太阳真空集热管(6)的热损与真空性能。
2.根据权利要求1所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的高频电火花放电装置(3)的输出频率为0.1-3MHz，其放电电极头(11)上的输出电压范围为10-40kV。
3.根据权利要求1所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的高频电火花放电装置(3)的放电电极头(11)垂直于待测直通式太阳真空集热管(6)且位于距离其玻璃外管1-20mm的范围内。
4.根据权利要求1所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的放电孔(12)具有半径为10-20mm半球形放电空间，使电火花充分反应。
5.根据权利要求1所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的第一红外测温仪(8)的波长范围为5-14μm，所述的第二红外测温仪(10)的波长范围为1-4μm。
6.根据权利要求1所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的暗室(2)为电绝缘材料制作的中空半圆筒，其内壁或外壁为黑色用于遮挡外部光线从而形成暗室环境。
7.根据权利要求1所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的暗室(2)上具有直径1-12mm的放电孔(12)和3-12mm的观察孔(14)，所述的放电孔(12)距离观察孔(14)任意方向上不少于10mm。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置，其特征在于：
所述的红外测温装置(1)安装在暗室(2)上，所述暗室(2)具有直径为10-20mm的第一红外测温仪孔(15)和直径为15-25mm的第二红外测温仪孔(16)，用于分别放置所述第一红外测温仪(8)和第二红外测温仪(10)，所述放电孔(12)距离第一红外测温仪孔(15)和第二红外测温仪孔(16)任意方向上不少于30mm。
9.一种使用权利要求1-8中任一项所述的一种直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置的测量方法，其特征在于：
所述的测量方法步骤如下：
1)将直通式太阳真空集热管热损与真空性能一体测量装置安装在待测直通式太阳真空集热管(6)上；
2)利用红外测温装置(1)采集待测直通式太阳真空集热管(6)的玻璃外管(7)和金属内管膜层(9)的温度，通过信号分析装置(5)分析所述温度并显示热损值；
3)开启高频电火花放电装置(3)，用于对直通式太阳真空集热管的环形空间内气体放电电离，通过光谱检测装置(4)检测气体电离时发射光谱，通过信号分析装置(5)分析光谱特征波长和光谱光照强度，并结合2)步骤获得的热损值，分析当前气体成分和压强。
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