[发明专利]一种表面能流密度测量系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能热发电技术领域，尤其涉及太阳能热发电系统中一种接收面表面能流密度测量系统和方法。

背景技术

太阳能热发电系统是利用日光反射装置将太阳光反射到接收面上，然后借助传热工质如水、空气、液态金属或融盐等将太阳辐射能转变为接收面输出的热能，可见接收面是热发电系统负责光热转换的核心部件。接收面能流密度测量准确与否对计算系统的热效率具有至关重要的作用。迄今为止，表面能流密度的测量方法主要分为两种，即直接测量方法和间接测量方法。

(1)直接测量方法

直接测量方法是直接用热流计对接收面上的离散点进行测量，其主要优点是简单、直接；缺点是只能在接收面的离散点上获取数据，热流计的数目决定空间分辨率的高低，并且当瞬间状态发生时，热流计相对较长的记录时间使测量精度降低。

(2)间接测量方法

间接测量方法是在接收面之前设置一光斑成像装置，该光斑成像装置面积需不小于待测接收面面积，且可各向同性地反射经日光反射装置反射的光线，用图像采集装置采集光斑成像装置表面的光斑，所得光斑图像的灰度值与热流密度之间存在一定的对应关系，通过换算即可得到光斑成像装置表面的能流密度分布。该方法相对于直接测量方法具有以下优点：分辨率更高；数据采集时间更短；使用相机、滤光片等经济元件。

申请号为201010241767.5的中国发明专利《红外成像测温式能流密度测量装置》基于红外成像测温原理，对光斑成像装置上的光斑进行红外成像测温分析，计算光斑能流密度；哈尔滨工业大学刘颖的博士论文《太阳能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理论与实验研究》针对碟式聚光系统提出了一种聚焦光斑能流密度分布测量系统，该系统选用了典型的间接测量方法，得到了聚焦光斑的能流密度。以上技术要求光斑成像装置尺寸大于被测光斑口径，因此光斑成像装置尺寸往往很大，而大尺寸光斑成像装置制造成本很高，实际操作起来难度较大，因此现有系统及方法并不适用于大尺寸接收面能流密度的测量。

发明内容

本发明就是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种高精度、低成本、易操作的间接测量接收面表面能流密度的测量系统和方法，并且适用于大尺寸接收面的能流密度测量。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种表面能流密度测量系统，用于间接测量接收面表面能流密度，包括光斑成像装置、图像采集装置和图像处理装置，图像采集装置采集光斑成像装置表面的图像信息，并由图像处理装置进行处理，计算能流密度分布；所述光斑成像装置沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。

所述测量系统还包括运动辅助机构，所述光斑成像装置与运动辅助机构活动连接并通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。优选的，所述运动辅助机构为导轨；所述光斑成像装置一端或两端连接导轨并通过导轨沿着接收面滑动或翻转，运动轨迹覆盖整个接收面。

优选的，所述运动辅助机构为转轴；所述光斑成像装置一端与转轴枢接，沿着接收面绕转轴旋转，运动轨迹覆盖整个接收面。

优选的，所述光斑成像装置为表面具有漫反射特性的板，所述图像采集装置为摄像机，所述图像处理装置为具有图像处理能力的计算机；所述板的表面涂有均匀涂层材料，该涂层材料为具有漫反射特性的防水涂料。

优选的，所述测量系统还包括参数测量装置，该参数测量装置具体包括：热流计，用于采集接收面表面热流密度；红外测温仪，用于测量接收面表面温度；风速仪，用于测量接收面周围风速；大气温度传感器，用于测量接收面周围环境温度。

一种表面能流密度测量方法，用于间接测量接收面表面能流密度，包括以下步骤：

(1)在接收面周围安装运动辅助机构，将光斑成像装置与运动辅助机构连接；光斑成像装置通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面；

(2)图像采集装置实时采集光斑成像装置表面的图像信息，获得一组表面光斑图像；将所得光斑图像信息传输给图像处理装置，由图像处理装置进行处理，得到完整的光斑图；

(3)提取光斑图中各点的灰度值，建立光斑图中像点位置和接收面表面物点位置的相互对应关系；坐标标定完成后，提取采集到的光斑图的灰度值，并与接收面的坐标点对应起来；

(4)确定灰度值和接收面能流密度间的换算系数F_c；

(5)根据换算系数F_c计算得到接收面能流密度分布。