专利名称：太阳能塔式吸热器开口平面上热流分布的测量方法
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“Anon-water-cooled heat flux measurement system under concentrated solar radiationconditions"(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 solarradiation 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”Gteffen Ulmer 等人.Energy, 2004 年第四卷.925-933)中涉及的移动朗伯靶热流分布测量系统。热流密度分布的直接测量法的优点是实时和准确，但是所测热流密度分布的空间分辨率不高。而间接测量法测得的吸热器开口平面热流分布的空间分辨率高。为此，欧洲专利EP15384^A2介绍的方法是，把线阵列热流计扫掠式测量法与朗伯靶间接测量法结合起来，成为吸热器开口平面上热流分布的测量整体，这便是第三种混合测量法。混合测量法， 既利用了直接测量法测量值(热流密度值)准确的特点，也利用了朗伯靶间接测量法空间分辨率高的特点(所测热流分布的空间分辨率取决于CCD的分辨率)，两种方法同时使用， 也可以相互校验测量结果的可靠性。文献"Hybrid heat flux measurement system for solar centralreceiver evaluation，，(J. Ballestrin, R. Monterreal. Energy, 2004年第 29 卷.915-924)也介绍了该专利。然而，对兆瓦级以上的太阳能塔式聚光热发电系统，吸热器的开口尺寸都在5米以上。如目前世界上的第一个商业化太阳能塔式热发电站，位于西班牙塞维利亚的PS10，总功率为llMWe，塔顶的腔式吸热器的开口尺寸是11米宽11米高。要在大型吸热器的开口平面上安装热流分布测量装置尤为困难，须要经受高温、高热流密度和大尺寸的重力变形等的考验。现有的吸热器开口平面热流分布测量方法，无论是直接测量法，还是间接测量法， 都不能满足需要。为了克服如上的测量困难，以及减少吸热器开口热流分布测量过程对吸热器正常运行的影响，美国专利US20090250052给出了另外一种新的间接测量方法，该方法只针对吸热面外置的吸热器或者平板吸热器，把一些耐高温且具有良好漫反射特性的反射片有规律地或者随机地布置在吸热器的吸热面上，形成离散的朗伯靶，并用CCD相机和参考热流计获得吸热面上采样点处的热流密度值，进而通过插值的方式得到吸热器的吸热面上的热流分布图。该专利中，为了减轻离散的朗伯靶对吸热面的遮挡，要求总的反光片的面积不超过吸热面总面积的1 %。在该专利中指出，可以在反光片的涂层中加入微尺度球形陶瓷颗粒等，以提高反射率；也可以在反光片上加对波长有选择性的涂层，以调节反光片反射率和吸热率。但是，专利US20090250052介绍的方法显然不适用于包括腔式吸热器在内其他吸热器。另外，该种热流分布测量方法对反光片的要求尤为苛刻，不像前面介绍的直接法和间接法，该专利方法目前很少有人使用。

发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，针对开口尺寸在2米以上的太阳能聚光吸热器，尤其是大开口尺寸的吸热器，提供一种简单、快速的测量表征吸热器开口平面上瞬时热流分布的方法，且无需在吸热器的开口平面内采集热流密度。本发明既避开了吸热器开口平面中央区域的高温和高热流密度，也不会对吸热器开口的入射热流产生遮挡。当整个聚光场或部分聚光场同时向吸热器开口聚集太阳辐射能量时，本发明能实时的测量估计吸热器开口平面上的入射热流分布。本发明利用太阳能塔式聚光的特点，即当聚光场中大量的定日镜同时向吸热器开口平面聚集太阳光时，在吸热器开口平面上的入射热流分布是中央强边缘弱，呈现接近圆形的椭圆形高斯分布特征，因此可以根据二元高斯分布密度函数的性质，在吸热器开口的四周边界上按照布置一圈热流计，再通过吸热器开口边界上热流密度的测量值，通过插值重建吸热器开口平面上的热流密度分布。本发明在吸热器开口边界上采用直接测量的方法，在吸热器开口的四周边界上布置的热流计的位置是固定不动的；在吸热器开口平面的内部区域，没有直接的热流密度测量值，需要通过边界插值重建的方式预测估计，因此本发明属于间接测量方法的范畴，但是又截然不同于现有技术的热流分布间接测量法。根据专著《网函数插值理论及其应用》(邱佩璋、陈启宏，上海科学技术出版社， 2004年7月)中的说明，二元高斯分布密度函数完全由其矩形边界函数值确定，即限制在矩形区域内二元高斯分布密度函数可以由其区域边界上的函数值准确插值重建。记二元高斯分布密度函数为f(x，y)，则f(x，y)在矩形区域上的插值重建的数学原理如下设Pl、P2、P3 和 P4 是矩形边界的 4 个角点，P1 = (x0，JJ0)，P2=(巧，歹0)，P3=(巧 J1), P4= (Jq5JJ1)，且& < X1 ,J70 < JJ1 ；边界P1P2和P4P3与X坐标轴平行，边界P2P3和P1P4与Y坐标轴平行；Q= U，y)是矩形区域内的当前点，Q2和Q4分别是Q在矩形区域边界P2P3和 P1P4上的X方向投影点，Ql和Q3分别是Q在矩形区域边界P1P2和P4P3上的Y方向投影点，Al、A2、A3和A4是与当前点Q对应的4个子矩形区域的面积。令S(x，y) = ln(f(x, 7))，则€0^，7) =f(Q)完全可以由包含4个边界角点在内的8个区域边界点确定，即
权利要求
1.一种太阳能塔式吸热器开口平面上热流分布的测量方法，其特征在于，所述的测量方法为在吸热器开口平面上选择一个矩形区域边界，所述的矩形区域边界包含吸热器开口平面的物理边界；将吸热器开口平面的矩形区域划分成矩形网格，取水平网格线的方向为X轴方向，取上下网格线方向为Y轴方向，并在矩形区域边界上的网格点上布置热流计； 热流计通过数据采集仪以一定频率同步地测量并采集所述的矩形区域边界上的热流密度值，通过插值重建吸热器开口平面上的热流密度分布。
2.根据权利要求1所述的太阳能塔式吸热器开口平面上热流分布的测量方法，其特征在于，重建所述的吸热器开口平面上热流密度分布的步骤是首先根据矩形区域边界上的热流密度的测量值，通过计算式(1)插值得到吸热器开口区域内各网格点上的热流密度值；然后进一步插值细化吸热器开口平面上热流密度分布的数表，以更高的空间分辨率显示热流密度分布
全文摘要
一种太阳能塔式吸热器开口平面上热流分布的测量方法，其特征在于，在吸热器开口平面上选择一个矩形区域边界，所述的矩形区域边界包含吸热器开口平面的物理边界；将吸热器开口平面的矩形区域划分成矩形网格，取水平网格线的方向为X轴方向，取上下网格线方向为Y轴方向，并在矩形区域边界上的网格点上布置热流计；热流计通过数据采集仪以一定频率同步地测量并采集所述的矩形区域边界上的热流密度值，通过插值重建吸热器开口平面上的热流密度分布。
文档编号G01K17/00GK102175349SQ20111003565
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月10日 优先权日2011年2月10日
发明者王志峰, 郭明焕 申请人:中国科学院电工研究所