CN110082008B - 一种测量光斑划分区域热量和热流密度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种测量光斑划分区域热量和热流密度的装置及方法，涉及太阳能热利用技术领域。针对现有技术中光斑能量测量装置只能测量整个光斑的能量，无法同时测量光斑范围内各局部区域的能量和能流密度的问题，本申请将原有的一体式的腔式吸热器分割为两个或两个以上的独立腔体，每个独立腔体上均缠绕换热管道，同时在反光挡风板背面设冷却水管道，本申请可同时测量光斑划分区域的能量和热流密度，对实际应用中调整镜场以提高光斑聚光效率具有重要指导意义。本申请提供的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置及方法，实用性强，准确度高，适于产业上推广运用。
Description
技术领域
本申请涉及太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种测量光斑划分区域热量和热流密度的装置及方法。
背景技术
太阳能高温热利用是太阳能热利用领域的重要研究项目，广泛应用于点聚焦的太阳能发电***。腔式吸热器作为太阳能热发电***中将聚集的太阳光转化成热能的装置，通过对其光斑能量的测量可判断太阳能聚光装置的聚光效率。
现有技术中，有一种适用于太阳能聚光的光斑能量测量***，该***包括桶形结构的腔式吸热器，吸热器上设有采光口，采光口的开口处设有反光挡风板，腔式吸热器的内腔与外壁之间设有换热管道；采光口一端设有冷工质入口，另一端设有热工质出口，冷工质入口与热工质出口通过换热管道相连通；冷工质入口通过第一管道与水槽连接；热工质出口通过第二管道与回收槽连接；第一管道和第二管道上均设有测温测压装置。通过测量第一管道和第二管道上温度和压力计算出光斑的能量。
但是，这种测量***由于只采用了一个腔式吸热器接收整个光斑的能量，导致光斑各划分区域不能被同时测量，因而也就无法判断光斑的热流密度分布是否均匀，亦不能指导镜场调整以优化太阳能聚光装置的聚光效率。
发明内容
本申请的目的是提供一种测量光斑划分区域热量和热流密度的装置及方法，以解决现有技术中无法同时测量光斑局部区域的能量，无法得知光斑的热流密度分布是否均匀，不能给镜场调整提供依据以优化太阳能聚光装置的聚光效率的问题。
为了达到本申请的目的，本申请采用了如下技术方案：
本申请的一方面，提供一种测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，包括腔式吸热器、反光挡风板、换热管道和测温元件；
所述腔式吸热器的腔室上设有采光口，所述采光口的开口处设有所述反光挡风板，所述反光挡风板为上下开口的圆台形薄板，所述反光挡风板与所述采光口无缝连接，所述反光挡风板的背光面一侧设有冷却管道；
所述腔式吸热器由至少两个腔体组成，所述腔体的开口由所述腔式吸热器的采光口分割而成，所述腔体呈指状分叉，所述腔体的内壁上有选择性吸收涂层；
所述腔式吸热器外部设有换热管道，所述换热管道一端为工质入口，另一端为工质出口，所述换热管道依次缠绕所述腔体的外壁，每次缠绕至少两圈；
所述换热管道上对应于所述腔体设有测温元件，所述测温元件在每个缠绕部分的两端外设置，在两个相邻缠绕的所述腔体的中间只设置一个测温元件。
进一步的，所述腔体之间填充隔热材料，所述换热管道外壁包裹保温层，所述保温层的导热系数≤0.03W/(m·K)。
进一步的，所述反光挡风板的迎光面为漫反射面，所述迎光面的反射率≥0.9，所述反光挡风板与所述采光口竖向中心轴线的夹角为45至80度之间任一数值。
进一步的，还包括水泵、流量计和球阀，所述水泵设置在所述换热管道的冷工质入口一端，在所述水泵的顺水流方向上依次设置所述流量计和所述球阀。
进一步的，还包括信号处理设备和信号输出设备，所述信号处理设备与所述测温元件以及所述流量计相连，所述信号输出设备与所述信号处理设备相连。
进一步的，所述选择性吸收涂层对太阳光的吸收率≥0.92，发射率≤0.07，所述采光口的面积≤全部所述腔体内壁表面积之和的0.6％。
本申请的另一方面，提供一种测量光斑划分区域热量和热流密度的方法，基于本申请的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，包括以下步骤：
调整腔式吸热器的采光口对准光斑；
将工质由工质入口通入换热管道内，当工质由工质出口从换热管道流出达预设要求时，测温元件开始检测换热管道各部位的工质温度；
根据测温元件检测的工质温度，记录同一时刻依次流经各腔体的工质的温度值T1、T2…Tn、Tn+1，其中，T1为流经第一个腔体的工质的初始温度，T2为流经第二个腔体的工质的初始温度，以此类推，Tn为流经最后一个腔体的工质的初始温度，Tn+1为流经最后一个腔体的工质的结束温度，且流经下一个腔体的工质的初始温度与流经前一个腔体的工质的结束温度相同；
根据记录的同一时刻不同部位工质的温度值和单位时间内工质的流量，计算各单个光斑在单位时间内的能量值Q1、Q2…Qn，并得出整个光斑的能量值，其中，Q1为流经的第一个腔体的单个光斑能量值，Q2为流经的第二个腔体的单个光斑能量值，Qn为流经的最后一个腔体的单个光斑能量值；
根据各腔体的开口面积计算各个划分区域光斑的热流密度以及整个光斑的热流密度。
进一步的，在所述调整腔式吸热器的采光口对准光斑步骤之前，将冷工质通入所述冷却管道。
进一步的，在所述测温元件开始检测换热管道各部位的工质温度的同时，使用流量计测量所述换热管道中工质流量，使用信号处理设备提取所述测温元件检测的工质温度值以及所述流量计测量的流量值，并计算各个划分区域光斑的能量值以及整个光斑的能量值，并将结果在信号输出设备上显示。
进一步的，在所述将工质由工质入口通入换热管道内的步骤中，通过调节水阀的大小，在工质不同的流速下，对光斑能量进行多次测量。
本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：
本申请的一方面，提供一种测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，将现有的一体式腔式吸热器分割为两个或两个以上的独立腔体，光斑能量被这些独立的腔体所吸收，既可以同时测量光斑分割区域的能量，也可以测量整个光斑的能量，同时，可以对光斑各区域的能流密度进行测量，从而识别光斑的能量分布是否均匀，这对实际应用中调整镜场以提高光斑聚光效率具有重要指导意义；另外，缠绕的圈数设定为至少两圈，有利于充分换热，使吸收的光斑能量有效传导给换热管道的工质，从而使测量更加准确；在反光挡风板的背光面一侧设冷却水管道，防止反光挡风板被光斑的高温烤坏，增加了装置使用的可靠性；对应设置测温元件，利于读取温度值以测算光斑的能量。
本申请的另一方面，提供一种测量光斑划分区域热量和热流密度的方法，是基于本申请提供的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，本方法依据物理学比热容公式Q＝cmΔt，条理清晰，测量数据类型较少，实际操作简单，给反光挡风板背面的冷却管道通入冷工质的方法，为反光挡风板降温防止其被光斑烤坏，增加了可靠性；使用信号处理设备和信号输出设备进一步提升了本方法的自动化水平；另外，通过调节水阀改变工质的流量，在多个流量下进行测量，进一步保证了测量的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置的结构示意图；
图2为本申请的换热管道测量***示意图；
图3为本申请的测量光斑划分区域热量和热流密度的方法的流程图。
附图标记说明：1-腔体、2-换热管道、3-反光挡风板、4-冷却管道、5-测温元件、6-水泵、7-流量计、8-球阀。
具体实施方式
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
请参考附图1，该图示出了本实施例提供的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置的结构示意图。
本申请提供的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，包括腔式吸热器、反光挡风板、换热管道和测温元件。
腔式吸热器的腔室由至少两个腔体组成，腔式吸热器的腔室上设有采光口，腔体的开口由腔式吸热器的采光口分割而成，腔体呈指状分叉，腔体的内壁上有选择性吸收涂层。
采光口按照用户要求进行分割，将一个完整的采光口分割完全，没有剩余，这样才能保证既可以测量整个完整光斑的能量，同时也可以测量光斑任意区域的能量，进而获知光斑各不同区域的热流密度；从另一个角度来看，腔体为一端开口一端封闭的中空腔体，腔体的开口由采光口分割而来，腔体是由分割后的区域采光口向空间平移延伸而形成，且分割后的采光口对应的腔体之间分叉开，腔体分叉可使腔体相互之间距离增大，将彼此热传递的影响进一步降低，尽可能削弱干扰以使测量结果更准确。
腔室上采光口的开口处设有反光挡风板，反光挡风板为上下开口的圆台形薄板，反光挡风板与采光口无缝连接，反光挡风板的背光面一侧设有冷却管道；冷却管道的设置有效保护反光挡风板不被光斑的高温毁坏。通常情况下，整个光斑刚好布满采光口，但这是非常理想的情况，实际操作中很难保证光斑的边缘没有丝毫逸出，即使是没有逸出，由于光斑边缘的温度也非常高，导致与采光口无缝连接的反光挡风板的边缘处经受炙烤，容易受到高温的损毁，这样，给反光挡风板进行冷却就显得尤为重要。
腔式吸热器外部设有换热管道，换热管道的一端为工质入口，另一端为工质出口，换热管道依次缠绕腔体的外壁，每次缠绕至少两圈；缠绕两圈以上是为了使光斑的能量有效传导给换热管道中的工质，理论上认为缠绕圈数越多则效果越好，但实际应用中需要综合考虑成本和可实施性。
换热管道上对应于腔体设有测温元件，测温元件在每个缠绕部分的两端外设置，在两个相邻缠绕的腔体的中间只设置一个测温元件；设置测温元件可及时准确的测量工质的温度，在每个缠绕部分的两端外设置测温元件可准确的计算出对应腔体接收的光斑能量，另外，两个相邻缠绕的腔体的中间只设置一个测温元件是出于实用性考虑，由于两个相邻缠绕的腔体之间的距离并不远，一个测温元件检测的温度值既可以表征流经前一个腔体的工质温度，也可以表征流经后一个腔体的工质温度，为了经济实用只设置一个测温元件。
参考附图2，图中示出了换热管道测量***示意图。本申请中直接测量的是换热管道中工质的温度和流量，因此将换热管道和与之直接相连的部分作为测量***单独作图，有利于加深对本申请的理解。需要理解的是，图中标识的腔体的数量并非是唯一固定的。实际上，腔体的数量可以是两个及两个以上的任意值。另外，本换热管道测量***只是一种选择，不应机械地理解为是唯一选择或者限定。
进一步的，腔体之间填充隔热材料，隔热材料的应用可以在很大程度上防止腔体之间相互热传导，从而利于排除干扰以确保测量结果更准确；换热管道外壁包裹保温层；所述保温层的保温材料导热系数≤0.03W/(m·K)，所述保温层外表面散热损失小于或等于光斑总能量的0.1％。保温层的作用与隔热材料类似，降低了换热管道中工质能量的散失，进一步确保测量结果的准确性。
进一步的，反光挡风板的迎光面为漫反射面，迎光面的反射率≥0.9，反光挡风板与采光口竖向中心轴线的夹角为45至80度之间任一数值。
进一步的，还包括水泵、流量计和球阀，水泵设置在换热管道的工质入口一端，在水泵的顺水流方向上依次设置流量计和球阀。
进一步的，还包括信号处理设备和信号输出设备，信号处理设备与测温元件以及流量计相连，信号输出设备与信号处理设备相连。
进一步的，选择性吸收涂层对太阳光的吸收率≥0.92，发射率≤0.07，采光口的面积≤全部腔体内壁表面积之和的0.6％。
请参考附图3，该图示出了本实施例提供的测量光斑划分区域热量和热流密度的方法的流程图。
本实施例的测量光斑划分区域热量和热流密度的方法包括以下步骤：
S101，调整腔式吸热器的采光口对准光斑；
此步骤使入射光线即光斑照射在各腔体的内壁上，光斑能量被腔体内壁上的选择性吸收涂层所吸收。
S102，将工质由工质入口通入换热管道内，当工质由工质出口从换热管道流出达预设要求时，测温元件开始检测换热管道各部位的工质温度；
此步骤中给换热管道适当预热，使腔式吸热器的各部分温度处于一个相对稳定的状态，即达到预设要求时，再测量工质的温度，可以认为腔体吸收的热量均传递给了换热管道中的工质，排除了换热管道本身升温消耗能量的影响，也降低了腔体的自身吸收热量以及环境温度升温吸收热量造成的影响，使测量结果更准确。
S103，根据测温元件检测的工质温度，记录同一时刻依次流经各腔体的工质的温度值T1、T2…Tn、Tn+1，其中，T1为流经第一个腔体的工质的初始温度，T2为流经第二个腔体的工质的初始温度，以此类推，Tn为流经最后一个腔体的工质的初始温度，Tn+1为流经最后一个腔体的工质的结束温度，且流经下一个腔体的工质的初始温度与流经前一个腔体的工质的结束温度相同；
S104，根据记录的同一时刻不同部位工质的温度值和单位时间内工质的流量，计算各单个光斑在单位时间内的能量值Q1、Q2…Qn，并得出整个光斑的能量值，其中，Q1为流经的第一个腔体的单个光斑能量值，Q2为流经的第二个腔体的单个光斑能量值，Qn为流经的最后一个腔体的单个光斑能量值；
S105，根据各腔体的开口面积计算各单个光斑的热流密度以及整个光斑的热流密度。
进一步的，在调整腔式吸热器的采光口对准光斑步骤之前，将冷工质通入冷却管道。
进一步的，在测温元件开始检测换热管道各部位的工质温度的同时，使用流量计测量换热管道中工质流量，使用信号处理设备提取测温元件检测的工质温度值以及流量计测量的流量值，并计算各单个光斑的能量值以及整个光斑的能量值，并将结果在信号输出设备上显示。
进一步的，在将工质由工质入口通入换热管道内的步骤中，通过调节水阀的大小，在工质不同的流速下，对光斑能量进行多次测量。多次测量同一光斑不同流量下的工质进出口温度差，并求得多次测量的平均值，可使测量结果更准确。
需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，其特征在于，包括：
腔式吸热器、反光挡风板(3)、换热管道(2)和测温元件(5)；
所述腔式吸热器的腔室由至少两个腔体(1)组成，所述腔式吸热器的腔室上设有采光口，所述腔体为一端开口一端封闭的中空腔体，所述腔式吸热器的采光口用于对准光斑；所述腔体(1)的开口由所述腔式吸热器的采光口分割而成，所述腔体(1)呈指状分叉，所述腔体(1)的内壁上有选择性吸收涂层；
所述采光口的开口处设有所述反光挡风板(3)，所述反光挡风板(3)为上下开口的圆台形薄板，所述反光挡风板(3)与所述采光口无缝连接，所述反光挡风板(3)的背光面一侧设有冷却管道(4)；
所述腔式吸热器外部设有换热管道(2)，所述换热管道(2)一端为工质入口，另一端为工质出口，所述换热管道(2)依次缠绕所述腔体(1)的外壁，每次缠绕至少两圈；
所述换热管道(2)上对应于所述腔体(1)设有测温元件(5)，所述测温元件(5)在每个缠绕部分的两端外设置，在两个相邻缠绕的所述腔体(1)的中间只设置一个测温元件(5)；
采用所述装置测量光斑划分区域热量和热流密度的步骤包括：
调整腔式吸热器的采光口对准光斑；
工质由工质入口通入换热管道(2)内，待所有测量值稳定后，测温元件(5)开始检测换热管道(2)各部位的工质温度；
根据测温元件(5)检测的工质温度，记录同一时刻依次流经各腔体(1)的工质的温度值T1、T2…Tn、Tn+1，其中，T1为流经第一个腔体(1)的工质的初始温度，T2为流经第二个腔体(1)的工质的初始温度，以此类推，Tn为流经最后一个腔体(1)的工质的初始温度，Tn+1为流经最后一个腔体(1)的工质的结束温度，且流经下一个腔体(1)的工质的初始温度与流经前一个腔体(1)的工质的结束温度相同；
根据记录的同一时刻不同部位工质的温度值和单位时间内工质的流量，计算各单个光斑在单位时间内的能量值Q1、Q2…Qn，并得出整个光斑的能量值，其中，Q1为流经的第一个腔体(1)的单个光斑能量值，Q2为流经的第二个腔体(1)的单个光斑能量值，Qn为流经的最后一个腔体(1)的单个光斑能量值；
根据各腔体(1)的开口面积计算各单个光斑的热流密度以及整个光斑的热流密度。
2.根据权利要求1所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，其特征在于，所述腔体(1)之间填充隔热材料，所述换热管道(2)外壁包裹保温层。
3.根据权利要求1所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，其特征在于，所述反光挡风板(3)的迎光面为漫反射面，所述迎光面的反射率≥0.9，所述反光挡风板(3)与所述采光口竖向中心轴线的夹角为45至80度之间任一数值。
4.根据权利要求1所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，其特征在于，还包括水泵(6)、流量计(7)和球阀(8)，所述水泵(6)设置在所述换热管道(2)的工质入口一端，在所述水泵(6)的顺水流方向上依次设置所述流量计(7)和所述球阀(8)。
5.根据权利要求4所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，其特征在于，还包括信号处理设备和信号输出设备，所述信号处理设备与所述测温元件(5)以及所述流量计(7)相连，所述信号输出设备与所述信号处理设备相连。
6.根据权利要求1所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，其特征在于，所述选择性吸收涂层对太阳光的吸收率≥0.92，发射率≤0.07，所述采光口的面积≤全部所述腔体(1)内壁表面积之和的0.6％。
7.一种测量光斑划分区域热量和热流密度的方法，基于权利要求1-6任意一项所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的装置，其特征在于，包括以下步骤：
调整腔式吸热器的采光口对准光斑；
工质由工质入口通入换热管道(2)内，待所有测量值稳定后，测温元件(5)开始检测换热管道(2)各部位的工质温度；
根据测温元件(5)检测的工质温度，记录同一时刻依次流经各腔体(1)的工质的温度值T1、T2…Tn、Tn+1，其中，T1为流经第一个腔体(1)的工质的初始温度，T2为流经第二个腔体(1)的工质的初始温度，以此类推，Tn为流经最后一个腔体(1)的工质的初始温度，Tn+1为流经最后一个腔体(1)的工质的结束温度，且流经下一个腔体(1)的工质的初始温度与流经前一个腔体(1)的工质的结束温度相同；
根据记录的同一时刻不同部位工质的温度值和单位时间内工质的流量，计算各单个光斑在单位时间内的能量值Q1、Q2…Qn，并得出整个光斑的能量值，其中，Q1为流经的第一个腔体(1)的单个光斑能量值，Q2为流经的第二个腔体(1)的单个光斑能量值，Qn为流经的最后一个腔体(1)的单个光斑能量值；
根据各腔体(1)的开口面积计算各单个光斑的热流密度以及整个光斑的热流密度。
8.根据权利要求7所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的方法，其特征在于，在所述调整腔式吸热器的采光口对准光斑步骤之前，将冷工质通入所述冷却管道(4)。
9.根据权利要求7所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的方法，其特征在于，在所述测温元件(5)开始检测换热管道(2)各部位的工质温度的同时，使用流量计(7)测量所述换热管道(2)中工质流量，使用信号处理设备提取所述测温元件(5)检测的工质温度值以及所述流量计(7)测量的流量值，并计算各划分区域光斑的能量值以及整个光斑的能量值，并将结果在信号输出设备上显示。
10.根据权利要求7所述的测量光斑划分区域热量和热流密度的方法，其特征在于，在所述将工质由工质入口通入换热管道(2)内的步骤中，通过调节水阀的大小，在工质不同的流速下，对光斑能量进行多次测量。
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