CN105509998A - 聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置及测量方法，涉及能流检测领域，解决现有测量方法获得光斑的能流密度分布以及光斑的总功率的误差较大的问题，包括氙灯单元、光斑接收单元以及光斑图像采集和处理单元；水冷漫反射靶安装在升降台上，氙灯单元产生的聚焦光斑汇聚在光斑接收单元的水冷漫反射靶的靶面上；高温热流计安装在水冷漫反射靶的中心，移动漫反射靶沿运动导轨运动，运动至覆盖住高温热流计时，光斑图像采集和处理单元采集光斑的图像，获得高温热流计对应面积上的光斑的灰度值；根据高温热流计的读数以及对应面积上的光斑的灰度值，标定所述光斑的像素灰度值与光斑能流密度值的比例因子，并根据整体光斑的灰度图像，获得光斑的能流密度分布。

Description

聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及能流检测领域中的太阳模拟器的能流密度检测装置，具体涉及一种聚焦型高功率的太阳模拟器的能流密度测量装置。
背景技术
太阳模拟器是用人工光源代替太阳光从而实现在室内模拟太阳辐射特性的一种实验和定标设备。聚焦型太阳模拟器可产生高聚焦比的光斑，其能流峰值通常高达几百甚至数千kW/m2。它主要用于模拟太阳能热发电站的聚光镜场所产生的高能流的聚焦光斑，从而在实验室环境下对槽式吸热管、塔式吸热器和碟式斯特林机等热吸收器和热反应器进行热性能的研究。同时聚焦型太阳模拟器对高温材料的热化学性能的研究也具有重要意义。
在聚焦型太阳模拟器的使用过程中，其光斑的能流密度的测量是十分重要的工作。聚焦光斑的能流密度的分布不仅是评价太阳模拟器性能的关键指标，而且是对吸热器、高温材料等进行热性能实验时的重要的入口参数。由于聚焦型太阳模拟器的能流密度可高达几兆瓦每平米，因而传统的光功率的测量方法和测量设备皆不适用。目前在实际应用中通常采用直接法测量，它通过移动高温热流计对光斑范围内的一些点的能流密度进行测量，而整个光斑的能流分布则通过插值法求得。这种方法对于测量点处的能流密度值的测量的精度很高，但整个光斑的能流分布的准确性则严重依赖于测量点的数目以及高温热流计的定位精度。通常由该方法得到的整个光斑的能流密度分布以及光斑的总功率的误差较大。现阶段还没有一种标准的、简单有效的测量聚焦型太阳模拟器的能流密度的方法和装置。
发明内容
本发明为解决现有测量方法获得的光斑的能流密度分布以及光斑的总功率的误差较大的问题，提供一种聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置及测量方法。
聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置，包括氙灯单元、光斑接收单元以及光斑图像采集和处理单元；所述的光斑接收单元包括底座、升降台、水冷漫反射靶、高温热流计、运动导轨和移动漫反射靶；所述水冷漫反射靶安装在升降台上，氙灯单元产生的聚焦光斑汇聚在光斑接收单元的水冷漫反射靶的靶面上；所述高温热流计安装在水冷漫反射靶的中心；所述移动漫反射靶沿运动导轨运动，运动至覆盖住高温热流计时，所述光斑图像采集和处理单元采集光斑的图像，获得高温热流计对应面积上的光斑的灰度值；
根据高温热流计的读数以及高温热流计对应面积上的光斑的灰度值，标定所述光斑图像采集和处理单元中测量相机的像素灰度值与光斑能流密度值的比例因子，并根据整体光斑的灰度图像，获得整体光斑的能流密度分布。
聚焦型太阳模拟器能流密度测量方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、氙灯单元出射的聚焦光斑汇聚在光斑接收单元的水冷漫反射靶上；调节升降台的高度，使所述光斑位于水冷漫反射靶的中心处，并且使高温热流计处于光斑的范围内；
步骤二、待高温热流计的示数稳定后读取热流计的读数；由电机控制移动漫反射靶向右运动，当移动漫反射靶完全挡住热流计时停止，用测量相机拍摄接收的光斑图像，拍摄完毕后用电机控制移动漫反射靶归位到最左侧的位置；
步骤三、将所述相机拍摄的光斑图像由计算机存储并进行图像处理，根据高温热流计所对应的面积上的光斑的灰度值，再根据步骤二所述的高温热流计的读数，标定出测量相机获得的光斑的像素灰度值与光斑能流密度值的比例因子，根据光斑的灰度图像，获得光斑的能流密度分布。
本发明的有益效果：本发明所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置可快速、准确的对聚焦型太阳模拟器的高功率光斑进行能流密度的测量。本装置使用间接测量法，运用测量相机拍摄光斑的灰度图像并结合高温热流计的读数标定出相机的像素灰度值与光斑的能流密度值的比例因子，进而得到光斑的精确的能流密度分布图。本装置测量速度快，图像处理简单，检测精度较高，根据所使用的CCD探测器的像元数目，本装置可以达到几百万个测量点的空间分辨率。
附图说明
图1为本发明所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置的结构示意图；
图2为本发明所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置的光斑接收单元的结构示意图。
图中，1、氙灯，2、反射镜，3、光斑接收单元，4、CCD探测器，5、镜头，6、中性衰减片，7、计算机，8、底座，9、升降台，10、水冷漫反射靶，11、高温热流计，12、运动导轨，13、电机，14、丝杆，15、滑块，16、移动漫反射靶。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置，包括氙灯单元、光斑接收单元3以及光斑图像采集和处理单元；
所述的氙灯单元包括氙灯1和反射镜2，一套聚焦型太阳模拟器由一个或多个氙灯单元组成，其产生的聚焦光斑汇聚在光斑接收单元3上。
所述的光斑接收单元3包括底座8、升降台9、水冷漫反射靶10、高温热流计11、运动导轨12和移动漫反射靶16；所述的水冷漫反射靶10安装在升降台9上，其内部有循环水冷却以保证整个靶面温度不会太高；所述的升降台9可以是手动升降台也可以是电动升降台，用来调整水冷漫反射靶10的高度，使由氙灯单元产生的聚焦光斑能打在水冷漫反射靶10的靶面上；所述的高温热流计11安装在水冷漫反射靶10的中心处，用来测量该点光斑的绝对能流密度；
所述的运动导轨12由电机13、丝杆14和滑块15组成，在电机13的控制下滑块15可以沿丝杆14左右方向运动；所述的移动漫反射靶16安装在运动导轨12的滑块15上，可以随着滑块15沿左右方向运动。移动漫反射靶16运动时与水冷漫反射靶10的靶面平行，它可以向右运动覆盖住高温热流计11，通过图像采集得到热流计对应面积上的光斑的灰度值。
如图1所示，所述的光斑图像采集和处理单元包括测量相机和计算机7，二者通过数据线相连；所述的测量相机由CCD探测器4、镜头5和中性衰减片6组成。所述的测量相机安装在太阳模拟器的桁架上，当氙灯单元为多个时，位置位于氙灯单元的缝隙处或整个太阳模拟器的边缘处，以保证测量相机能拍摄到光斑的图像，，测量相机具体的安装位置包括但不仅限于图1所示的位置。所述的中性衰减片6是为了防止CCD探测器4出现饱和。所述的计算机7用来接收测量相机拍摄的光斑的灰度图像，并结合高温热流计11的读数就可以标定出测量相机的像素灰度值与光斑能流密度值的比例因子，则由光斑的灰度图像就可得出光斑的能流密度分布，进而也可计算出光斑的总的辐射功率。
具体实施方式二、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置的测量方法，该方法由以下步骤实现：
一、由太阳模拟器产生的高功率的聚焦光斑汇聚在光斑接收单元3的水冷漫反射靶10上，调节升降台9的高度使光斑位于水冷漫反射靶10的中心处，并且使高温热流计11也处于光斑的范围内。
二、待高温热流计11的示数稳定后读取热流计11的读数。然后由电机13控制移动漫反射靶16向右运动，当移动漫反射靶16完全挡住热流计11时停止，此时用测量相机拍摄接收靶上的光斑图像，拍摄完毕后用电机13控制移动漫反射靶16归位到最左侧的起始位置。所述水冷漫反射靶10的靶面与移动漫反射靶16的靶面平行；
三、拍摄的光斑图像由计算机7存储并进行图像处理，即可得到热流计11所对应的面积上的光斑的灰度值，再结合热流计11的读数就可以标定出测量相机的像素灰度值与光斑能流密度值的比例因子，则由光斑的灰度图像就可得出光斑的能流密度分布，进而也可计算出光斑的总的辐射功率。

Claims (7)

1.聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置，包括氙灯单元、光斑接收单元(3)以及光斑图像采集和处理单元；其特征是；
所述的光斑接收单元(3)包括底座(8)、升降台(9)、水冷漫反射靶(10)、高温热流计(11)、运动导轨(12)和移动漫反射靶(16)；
所述的水冷漫反射靶(10)安装在升降台(9)上，氙灯单元产生的聚焦光斑汇聚在光斑接收单元(3)的水冷漫反射靶(10)的靶面上；
所述的高温热流计(11)安装在水冷漫反射靶(10)的中心；
所述移动漫反射靶(16)沿运动导轨(12)运动，运动至覆盖住高温热流计(11)时，所述光斑图像采集和处理单元采集光斑的图像，获得高温热流计(11)对应面积上的光斑的灰度值；
根据高温热流计(11)的读数以及高温热流计(11)对应面积上的光斑的灰度值，标定所述测量相机的像素灰度值与光斑能流密度值的比例因子，并根据整体光斑的灰度图像，获得整体光斑的能流密度分布。
2.根据权利要求1所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置，其特征在于，所述氙灯单元为一个或多个，每个氙灯单元包括氙灯(1)和反射镜(2)，氙灯(1)产生的光经反射镜汇聚在光斑接收单元(3)上。
3.根据权利要求1所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置，其特征在于，所述光斑图像采集和处理单元包括测量相机和计算机(7)，所述测量相机由CCD探测器(4)、镜头(5)和中性衰减片(6)组成；所述的测量相机安装在太阳模拟器的桁架上，所述计算机(7)用于接收测量相机拍摄的光斑的图像。
4.根据权利要求1所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置，其特征在于，所述的运动导轨(12)由电机(13)、丝杆(14)和滑块(15)组成，在电机(13)的控制下滑块(15)沿丝杆(14)左右方向运动；所述的移动漫反射靶(16)安装在运动导轨(12)的滑块(15)上，随着滑块(15)沿左右方向运动，移动漫反射靶(16)运动时与水冷漫反射靶(10)的靶面平行，向右运动覆盖住高温热流计(11)，通过所述光斑图像采集和处理单元采集光斑的图像获得热流计对应面积上的光斑的灰度值。
5.根据权利要求1所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置，其特征在于，所述升降台(9)用于调整水冷漫反射靶(10)的高度，所述升降台(9)为手动升降台或电动升降台。
6.根据权利要求1所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量装置的测量方法，其特征在于，该方法由以下步骤实现：
步骤一、氙灯单元出射的聚焦光斑汇聚在光斑接收单元(3)的水冷漫反射靶(10)上；调节升降台(9)的高度，使所述光斑位于水冷漫反射靶(10)的中心处，并且使高温热流计(11)也处于光斑的范围内；
步骤二、待高温热流计(11)的示数稳定后读取热流计(11)的读数；由电机(13)控制移动漫反射靶(16)向右运动，当移动漫反射靶(16)完全挡住热流计(11)时停止，用测量相机拍摄接收的光斑图像，拍摄完毕后用电机(13)控制移动漫反射靶(16)归位到最左侧的位置；
步骤三、将所述相机拍摄的光斑图像由计算机(7)存储并进行图像处理，根据高温热流计(11)所对应的面积上的光斑的灰度值，再根据步骤二所述的高温热流计(11)的读数，标定出测量相机获得的光斑的像素灰度值与光斑能流密度值的比例因子，根据光斑的灰度图像，获得光斑的能流密度分布。
7.根据权利要求3所述的聚焦型太阳模拟器能流密度测量方法，其特征在于，还包括根据光斑的能流密度分布，计算出光斑的总的辐射功率。
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