專利名稱：一種表面能流密度測量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中一種接收面表面能流密度測量系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用日光反射裝置將太陽光反射到接收面上，然后借助傳熱工質(zhì)如水、空氣、液態(tài)金屬或融鹽等將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮彰孑敵龅臒崮?，可見接收面是熱發(fā)電系統(tǒng)負責光熱轉(zhuǎn)換的核心部件。接收面能流密度測量準確與否對計算系統(tǒng)的熱效率具有至關(guān)重要的作用。迄今為止，表面能流密度的測量方法主要分為兩種，即直接測量方法和間接測量方法。(1)直接測量方法直接測量方法是直接用熱流計對接收面上的離散點進行測量，其主要優(yōu)點是簡單、直接；缺點是只能在接收面的離散點上獲取數(shù)據(jù)，熱流計的數(shù)目決定空間分辨率的高低，并且當瞬間狀態(tài)發(fā)生時，熱流計相對較長的記錄時間使測量精度降低。(2)間接測量方法間接測量方法是在接收面之前設(shè)置一光斑成像裝置，該光斑成像裝置面積需不小于待測接收面面積，且可各向同性地反射經(jīng)日光反射裝置反射的光線，用圖像采集裝置采集光斑成像裝置表面的光斑，所得光斑圖像的灰度值與熱流密度之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，通過換算即可得到光斑成像裝置表面的能流密度分布。該方法相對于直接測量方法具有以下優(yōu)點分辨率更高；數(shù)據(jù)采集時間更短；使用相機、濾光片等經(jīng)濟元件。申請?zhí)枮?01010M1767. 5的中國發(fā)明專利《紅外成像測溫式能流密度測量裝置》 基于紅外成像測溫原理，對光斑成像裝置上的光斑進行紅外成像測溫分析，計算光斑能流密度；哈爾濱工業(yè)大學劉穎的博士論文《太陽能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理論與實驗研究》針對碟式聚光系統(tǒng)提出了一種聚焦光斑能流密度分布測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用了典型的間接測量方法，得到了聚焦光斑的能流密度。以上技術(shù)要求光斑成像裝置尺寸大于被測光斑口徑，因此光斑成像裝置尺寸往往很大，而大尺寸光斑成像裝置制造成本很高，實際操作起來難度較大，因此現(xiàn)有系統(tǒng)及方法并不適用于大尺寸接收面能流密度的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提供一種高精度、低成本、易操作的間接測量接收面表面能流密度的測量系統(tǒng)和方法，并且適用于大尺寸接收面的能流密度測量。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種表面能流密度測量系統(tǒng)，用于間接測量接收面表面能流密度，包括光斑成像裝置、圖像采集裝置和圖像處理裝置，圖像采集裝置采集光斑成像裝置表面的圖像信息，并由圖像處理裝置進行處理，計算能流密度分布；所述光斑成像裝置沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面。所述測量系統(tǒng)還包括運動輔助機構(gòu)，所述光斑成像裝置與運動輔助機構(gòu)活動連接并通過運動輔助機構(gòu)沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面。優(yōu)選的，所述運動輔助機構(gòu)為導軌；所述光斑成像裝置一端或兩端連接導軌并通過導軌沿著接收面滑動或翻轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。優(yōu)選的，所述運動輔助機構(gòu)為轉(zhuǎn)軸；所述光斑成像裝置一端與轉(zhuǎn)軸樞接，沿著接收面繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。優(yōu)選的，所述光斑成像裝置為表面具有漫反射特性的板，所述圖像采集裝置為攝像機，所述圖像處理裝置為具有圖像處理能力的計算機；所述板的表面涂有均勻涂層材料， 該涂層材料為具有漫反射特性的防水涂料。優(yōu)選的，所述測量系統(tǒng)還包括參數(shù)測量裝置，該參數(shù)測量裝置具體包括熱流計， 用于采集接收面表面熱流密度；紅外測溫儀，用于測量接收面表面溫度；風速儀，用于測量接收面周圍風速；大氣溫度傳感器，用于測量接收面周圍環(huán)境溫度。一種表面能流密度測量方法，用于間接測量接收面表面能流密度，包括以下步驟(1)在接收面周圍安裝運動輔助機構(gòu)，將光斑成像裝置與運動輔助機構(gòu)連接；光斑成像裝置通過運動輔助機構(gòu)沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面；(2)圖像采集裝置實時采集光斑成像裝置表面的圖像信息，獲得一組表面光斑圖像；將所得光斑圖像信息傳輸給圖像處理裝置，由圖像處理裝置進行處理，得到完整的光斑圖；(3)提取光斑圖中各點的灰度值，建立光斑圖中像點位置和接收面表面物點位置的相互對應(yīng)關(guān)系；坐標標定完成后，提取采集到的光斑圖的灰度值，并與接收面的坐標點對應(yīng)起來；(4)確定灰度值和接收面能流密度間的換算系數(shù)F。；(5)根據(jù)換算系數(shù)F。計算得到接收面能流密度分布。優(yōu)選的，所述運動輔助機構(gòu)為導軌；所述光斑成像裝置一端或兩端連接導軌并通過導軌沿著接收面滑動或翻轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。優(yōu)選的，所述運動輔助機構(gòu)為轉(zhuǎn)軸；所述光斑成像裝置一端與轉(zhuǎn)軸樞接，沿著接收面繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。優(yōu)選的，所述步驟中，換算系數(shù)F。分別采用公式標定法和熱流計標定法求得， 并對兩種方法得到的結(jié)果取均值從而確定F。；通過參數(shù)測量裝置測量所需參數(shù)，具體包括 熱流計，用于采集接收面表面熱流密度；紅外測溫儀，用于測量接收面表面溫度；風速儀， 用于測量接收面周圍風速；大氣溫度傳感器，用于測量接收面周圍環(huán)境溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明使用較小的光斑成像裝置測量大尺寸接收面的能流密度，方便可靠、成本較低；2、采用直接測量方法只能得到接收面離散點的能流密度，而本發(fā)明可以得到整個接收面各點的能流密度及其能量分布圖，精度高、成本低、易操作；3、本發(fā)明采用公式標定法和熱流計標定法分別求得灰度值和光斑能流密度之間的換算系數(shù)F。，并對兩種方法計算所得結(jié)果取均值最終確定F。，提高了計算的準確性；4、本發(fā)明應(yīng)用在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，可以實時得到日光反射裝置的投入能量， 提高計算系統(tǒng)熱效率的精度。


圖1為本發(fā)明表面能流密度測量系統(tǒng)的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一的光斑成像裝置安裝示意圖；圖3為本發(fā)明實施例二的光斑成像裝置安裝示意圖；圖4為本發(fā)明實施例三的光斑成像裝置安裝示意圖；圖5為本發(fā)明實施例四的光斑成像裝置安裝示意圖；圖6為本發(fā)明實施例五的光斑成像裝置安裝示意圖；圖7為本發(fā)明實施例六的光斑成像裝置安裝示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例詳細描述本發(fā)明?！N表面能流密度測量系統(tǒng)，用于間接測量接收面表面能流密度，如圖1所示，包括光斑成像裝置100，用于接收日光反射裝置反射的光線；圖像采集裝置200，用于采集光斑成像裝置100表面的圖像信息；圖像處理裝置300，用于對圖像采集裝置200采集的圖像信息進行處理，計算能流密度分布。優(yōu)選的，光斑成像裝置100為表面具有漫反射特性的板，板的表面涂有均勻涂層材料，該涂層材料為具有漫反射特性的防水涂料；圖像采集裝置 200可采用工業(yè)攝像機或其他合適的攝像機，圖像處理裝置300為具有圖像處理功能的計算機。該測量系統(tǒng)還包括運動輔助機構(gòu)，光斑成像裝置100與運動輔助機構(gòu)活動連接并通過運動輔助機構(gòu)沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面。優(yōu)選的，該測量系統(tǒng)還包括參數(shù)測量裝置，該參數(shù)測量裝置具體包括熱流計，用于采集接收面表面熱流密度；紅外測溫儀，用于測量接收面表面溫度；風速儀，用于測量接收面周圍風速；大氣溫度傳感器，用于測量接收面周圍環(huán)境溫度。下面通過具體實施例詳細說明光斑成像裝置沿著接收面的運動方式及接收面表面能流密度測量方法。實施例一一種表面能流密度測量方法，用于間接測量接收面表面能流密度，包括以下步驟(1)沿著接收面10上下兩端安裝兩根平行導軌20 (運動輔助機構(gòu))，如圖2所示， 光斑成像裝置100為長條形，兩端分別連接兩根導軌20并通過導軌20沿著接收面滑動(光斑成像裝置位于接收面前方)，光斑成像裝置100的運動軌跡覆蓋整個接收面10。光斑成像裝置的寬與高根據(jù)接收面的實際尺寸來確定，為便于安裝，使光斑成像裝置100的高度H1略大于接收面10的高度H2,光斑成像裝置100的寬度W1為接收面10的寬度W2的1/10(該比例根據(jù)本實施例而定，但不拘泥于此，可根據(jù)具體情況選擇一定的比例)。例如，當接收面尺寸為3mX3m時，可以選取光斑成像裝置的寬度W1為0. 3m,高度H1為4m。導軌20是沿著接收面10上下兩端水平布置，光斑成像裝置100沿著導軌水平移動，導軌長度為6m，導軌長度選取有一定要求，即要大于接收面寬度和兩倍的光斑成像裝置寬度(W2+2Wi)，保證光斑成像裝置在移動時處于勻速運動狀態(tài)。開始時光斑成像裝置位于接收面的一側(cè)，然后以0. 5m/s-lm/s的速度(移動速度可以根據(jù)需要選取)勻速向接收面的另一側(cè)移動(箭頭所示方向僅為一種移動方式，也可按與箭頭所示方向的相反方向移動)， 光斑成像裝置的運動軌跡覆蓋整個接收面。(2)在光斑成像裝置移動的同時圖像采集裝置以20幀/秒的速度(拍攝速度可以根據(jù)需要選取)對光斑成像裝置進行實時拍攝，采集光斑成像裝置表面的圖像信息，獲得一組光斑成像裝置表面的光斑圖像，所采集的光斑圖像為彩色圖像；光斑成像裝置的運動速度不宜過低，應(yīng)設(shè)定為保證運動過程中其表面溫度恒定，這樣可將所攝圖像視為同一時刻的光斑圖像。圖像采集裝置和光斑成像裝置的相對位置沒有特殊要求，為了便于后期的圖像處理，可將圖像采集裝置正對光斑成像裝置，安裝在同一高度進行拍攝，以避免在后期圖像處理時需要對光斑圖像進行校正。將圖像采集裝置拍攝的光斑圖像信息傳輸給圖像處理裝置，圖像處理裝置對光斑圖像進行抓取、識別、拼接，得到與接收面尺寸大小相同的完整的光斑圖；(3)提取光斑圖中各點的灰度值，建立光斑圖中像點位置和接收面表面物點位置的相互對應(yīng)關(guān)系，這種相互對應(yīng)關(guān)系由攝像系統(tǒng)成像模型來決定；坐標標定完成后，提取采集到的光斑圖的灰度值，并與接收面的坐標點對應(yīng)起來；(4)確定灰度值和接收面能流密度間的換算系數(shù)F。；(5)根據(jù)光斑灰度值及換算系數(shù)F。計算得到接收面能流密度分布。上述步驟中，換算系數(shù)F。分別采用公式標定法和熱流計標定法求得，并對兩種方法得到的結(jié)果取均值從而確定F。；通過參數(shù)測量裝置測量所需參數(shù)，具體包括熱流計，用于采集接收面表面熱流密度；紅外測溫儀，用于測量接收面表面溫度；風速儀，用于測量接收面周圍風速；大氣溫度傳感器，用于測量接收面周圍環(huán)境溫度。(一 )公式標定法采用公式(I)確定換算系數(shù)Fc
F = ^argrt (I)C f AiGVi
/=1其中Ptoget為接收面的總能量值，pixel為光斑成像裝置表面上的像素數(shù)，Ai為每個像素的面積，GVi為像素的灰度值；并且Plaiget = _mt -ZtiXT1 -T2) +ξ ·σ·Α{ΤΧ'-T24) (II)其中論為傳熱工質(zhì)的流量，hin與h。ut為傳熱工質(zhì)進出口焓差，h為接收面表面換熱系數(shù)，A為接收面的表面積，T1為壁面溫度，T2為環(huán)境溫度，ξ為材料表面發(fā)射率，σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。計算接收面總能量值時，通過測量傳熱工質(zhì)進出口溫度直接求出傳熱工質(zhì)吸收能量；對流與輻射散熱損失需間接計算，為使計算更為準確，本發(fā)明通過理論計算、數(shù)值仿真、 計算不同工況點的平衡方程三種方法對對流與輻射換熱損失進行計算，并將三種方法計算
7所得結(jié)果進行比較驗證。1)理論計算采用相應(yīng)的經(jīng)驗公式，計算壁面表面換熱系數(shù)，通過紅外測溫儀測量接收面表面溫度，通過風速儀測得接收面附近的風速，大氣溫度傳感器測得接收面附近的環(huán)境溫度，從而計算對流和輻射換熱損失。2)數(shù)值仿真通過相關(guān)軟件模擬接收面的換熱損失。3)計算不同工況點的平衡方程由于平衡狀態(tài)下存在熱力平衡方程
權(quán)利要求
1.一種表面能流密度測量系統(tǒng)，用于間接測量接收面表面能流密度，包括光斑成像裝置、圖像采集裝置和圖像處理裝置，圖像采集裝置采集光斑成像裝置表面的圖像信息，并由圖像處理裝置進行處理，計算能流密度分布；其特征在于，所述光斑成像裝置沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面。
2.如權(quán)利要求1所述的一種表面能流密度測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)還包括運動輔助機構(gòu)，所述光斑成像裝置與運動輔助機構(gòu)活動連接并通過運動輔助機構(gòu)沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面。
3.如權(quán)利要求2所述的一種表面能流密度測量系統(tǒng)，其特征在于，所述運動輔助機構(gòu)為導軌；所述光斑成像裝置一端或兩端連接導軌并通過導軌沿著接收面滑動或翻轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。
4.如權(quán)利要求2所述的一種表面能流密度測量系統(tǒng)，其特征在于，所述運動輔助機構(gòu)為轉(zhuǎn)軸；所述光斑成像裝置一端與轉(zhuǎn)軸樞接，沿著接收面繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。
5.如權(quán)利要求1所述的一種表面能流密度測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光斑成像裝置為表面具有漫反射特性的板，所述圖像采集裝置為攝像機，所述圖像處理裝置為具有圖像處理能力的計算機；所述板的表面涂有均勻涂層材料，該涂層材料為具有漫反射特性的防水涂料。
6.如權(quán)利要求1所述的一種表面能流密度測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)還包括參數(shù)測量裝置，該參數(shù)測量裝置具體包括熱流計，用于采集接收面表面熱流密度；紅外測溫儀，用于測量接收面表面溫度；風速儀，用于測量接收面周圍風速；大氣溫度傳感器， 用于測量接收面周圍環(huán)境溫度。
7.一種表面能流密度測量方法，用于間接測量接收面表面能流密度，其特征在于，包括以下步驟(1)在接收面周圍安裝運動輔助機構(gòu)，將光斑成像裝置與運動輔助機構(gòu)連接；光斑成像裝置通過運動輔助機構(gòu)沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面；(2)圖像采集裝置實時采集光斑成像裝置表面的圖像信息，獲得一組表面光斑圖像； 將所得光斑圖像信息傳輸給圖像處理裝置，由圖像處理裝置進行處理，得到完整的光斑圖；(3)提取光斑圖中各點的灰度值，建立光斑圖中像點位置和接收面表面物點位置的相互對應(yīng)關(guān)系；坐標標定完成后，提取采集到的光斑圖的灰度值，并與接收面的坐標點對應(yīng)起來；(4)確定灰度值和接收面能流密度間的換算系數(shù)F。；(5)根據(jù)換算系數(shù)F。計算得到接收面能流密度分布。
8.如權(quán)利要求7所述的一種表面能流密度測量方法，其特征在于，所述運動輔助機構(gòu)為導軌；所述光斑成像裝置一端或兩端連接導軌并通過導軌沿著接收面滑動或翻轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。
9.如權(quán)利要求7所述的一種表面能流密度測量方法，其特征在于，所述運動輔助機構(gòu)為轉(zhuǎn)軸；所述光斑成像裝置一端與轉(zhuǎn)軸樞接，沿著接收面繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，運動軌跡覆蓋整個接收面。
10.如權(quán)利要求7所述的一種表面能流密度測量方法，其特征在于，所述步驟(4)中，換算系數(shù)F。分別采用公式標定法和熱流計標定法求得，并對兩種方法得到的結(jié)果取均值從而確定F。；通過參數(shù)測量裝置測量所需參數(shù)，具體包括熱流計，用于采集接收面表面熱流密度；紅外測溫儀，用于測量接收面表面溫度；風速儀，用于測量接收面周圍風速；大氣溫度傳感器，用于測量接收面周圍環(huán)境溫度。
全文摘要
本發(fā)明的一種表面能流密度測量系統(tǒng)，用于間接測量接收面表面能流密度，包括光斑成像裝置、圖像采集裝置和圖像處理裝置，圖像采集裝置采集光斑成像裝置表面的圖像信息，并由圖像處理裝置進行處理，計算能流密度分布；所述光斑成像裝置沿著接收面運動，運動軌跡覆蓋整個接收面。本發(fā)明還公開了一種表面能流密度測量方法。本發(fā)明使用較小的光斑成像裝置測量大尺寸接收面的能流密度，方便可靠、成本較低；可以得到整個接收面各點的能流密度及其能量分布圖，精度高、成本低、易操作。
文檔編號G01K17/00GK102445287SQ20111029094
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者付杰, 吳小翠, 周慧, 徐能 申請人:浙江中控太陽能技術(shù)有限公司