[发明专利]太阳能塔式吸热器开口平面上热流分布的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量太阳能塔式吸热器开口平面上热流密度分布的方法。

背景技术

在太阳能塔式聚光集热系统中，吸热器一般放置在太阳塔的顶端，太阳塔一侧地面上是 众多的定日镜，这些定日镜能自动跟踪太阳，形成聚光场，都把入射太阳光反射向吸热器的 接收面。当然，也有的吸热器是放置在地面上，安装在塔顶的大型二次反光镜把来自聚光场 的汇聚太阳光，再次反射向地面吸热器的开口。

吸热器开口是太阳能塔式聚光集热系统能量流的一个天然界面，既是聚光场能量流的出 口，也是吸热器能量流的入口，因而有必要测量和表征吸热器开口平面上的热流密度分布， 这对评价聚光场的光学性能以及分析吸热器的吸热效率都很重要。

然而，太阳能塔式聚光的特点是在吸热器接收面上的高聚光比，高聚光热流密度，以及 伴生的聚光高温，因而给吸热器开口平面上热流密度的测量和表征带来难度。

测量吸热器开口平面上的能流密度分布有三大类，第一类是直接法，第二类是间接法， 第三类是直接法与间接法相结合的混合法。

直接法是在吸热器开口平面上按一定间隔行列布置一些热流计，测得到吸热器开口平面 上阵列采样点处的热流密度值；或者通过平移或旋转机构，带动安装着线阵列热流计的耐高 温杆件，快速从吸热器开口平面上掠过，并以一定的采样频率获取吸热器开口平面上各热流 计经过位置的热流密度测量值。对阵列式热流计测量法，各热流计要在较长的时间暴露在高 强度热流中，因此需要用循环水冷却；而对于线阵列热流计扫掠式测量法，线阵列热流计扫 掠时间短，可以不用循环水冷却。由于短时间内吸热器开口的热流密度变化甚小，因此线阵 列热流计扫掠式测量法是合理的，相比阵列式热流计测量法应用更为普遍。参见文献“A non-water-cooled heat flux measurement system under concentrated solar radiation conditions”(Jesus Ballestrin.Solar Energy，第73卷，2002年第3期159-168)中的线阵 列热流计扫掠式测量法。

间接测量法需要使用移动的朗伯靶、CCD相机和参考热流计，即驱动机构带动朗伯靶 平行扫掠过吸热器开口平面，光斑图像采集系统控制着CCD相机不断拍摄漫反射效果良好 的朗伯靶上的光斑图像。光斑图像每个像素的灰度值对应于吸热器开口平面上相应点处的热 流密度值。根据朗伯靶的漫反射特性，吸热器开口平面上的热流密度值应该与光斑图像采集 系统获得的图像灰度值成正比，这个比例系数通过布置在吸热器开口平面上的某个固定位置 的参考热流计来确定。由于参考热流计要长时间处在吸热器开口平面的高热流照射中，必须 用循环水作冷却，以保持其在稳定的工作温度范围内。当然，采集到的光斑图像除了需要通 过参考热流计作热流密度的线性标定之外，为了得到更准确的热流分布测量结果，还需要作 其他的校正，如参考热流计的误差、参考热流计的温度漂移以及CCD本身的非线性相应特 性等。

对口径很小的吸热器，可以使用一个能覆盖吸热器开口的方形朗伯靶，朗伯靶快速移动 到吸热器开口位置，短暂停留，待CCD相机采集一帧光斑图像完毕后，再快速移开。参见 文献“A non-water-cooled heat flux measurement system under concentrated solar radiation conditions”(Jesus Ballestrin.Solar Energy，第73卷，2002年第3期159-168) 中的实验用朗伯靶。

对开口较大的吸热器，为了减轻朗伯靶的重量和变形，选用长条形的板状朗伯靶。在测 量吸热开口平面上的热流分布时，条形朗伯靶在驱动机构的带动下，平行于吸热器开口平面 从吸热器开口的一边扫掠向另一边，期间光斑图像采集系统连续采集多帧朗伯靶上的光斑图 像。之后，通过光斑图像处理由这些序列图像合成完整的吸热器开口平面上的光斑图像。参 见文献“Calibration corrections of solar tower flux density measurements”(Steffen Ulmer等 人.Energy，2004年第29卷.925-933)中涉及的移动朗伯靶热流分布测量系统。