塔式太阳能用定日镜镜面发射率和洁净程度检测方法与流程

本发明涉及太阳能光热发电领域，特别涉及了一种塔式太阳能用定日镜镜面发射率和洁净程度检测方法。
背景技术：
：太阳能作为一种情节的可再生能源以其能量巨大、持久和环境友好等特点得到越来越的应用，目前利用太阳能主流发电系统分为两种：一是太阳能光伏发电，二是太阳能热发电。太阳能热发电以聚光式为主，主要包括：塔式、槽式和碟式等。塔式太阳能热发电系统一般由吸热塔、定日镜阵列、发电机组和储热罐等四个主要部分组成。定日镜阵列属于光热电站系统中的聚光集热子系统。定日镜是一种由镜面(反射镜)、镜架(支撑结构)、跟踪控制系统、跟踪传动机构等组成的聚光装置，用于跟踪接收到聚集反射太阳光线至接收塔顶部的集热器，是塔式太阳能热发电站的主要核心技术和装置。吸热塔属于光热电站系统中的集热子系统，它将定日镜所捕捉、反射、聚焦的太阳能直接转化为可利用的高温热能，为发电机组提供动力源，从而实现热发电。定日镜镜面的洁净程度一直是影响光热电站发电效率的首要因素。因为镜面洁净程度的下降，就会使得从镜面反射的光线减少，聚光倍数的减少使产热能力下降，最终会影响到汽轮机发电机组的运行效率。目前绝大多数光热电站都采用定期清洁定日镜面的方法去清除定日镜面的积尘。但定期清洁的方法脱离了定日镜面实际的洁净程度，会使光热电站的发电效率得不到保证。所以需要一种能够检测定日镜面洁净程度的方法来指导清洗周期。现有的技术中通常使用在白天，用定日镜反射太阳光至靶面，用ccd采集靶面的亮度信息，根据靶面亮度判断定日镜镜面的清洁程度。这种在白天塔式发电站运行期间进行检测定日镜面洁净程度的方式，存在影响发电效率的问题。利用辐射测温仪测量物体材料表面温度时，发射率是表征其辐射特性的物理量，是重要的热物理参数之一。使用不同发射率设置的热像仪测量同一被测物体表面，会因为发射率设置的不同导致测温结果不同；使用同一发射率设置的热像仪测量不同被测物体表面，会因为不同被测物体表面的热物理特性不同导致测温结果不同。因此，洁净镜面与附着灰尘的镜面相比，两者表面的热物理特性不同，即发射率不同，在同一条件下热像仪的测量结果会产生差异。因此需要一种户外塔式太阳能定日镜镜面发射率的测量方法，建立发射率-灰尘量拟合公式，并以此作为塔式太阳能定日镜镜面洁净程度的测量方法。现有的发射率测量方法，按照原理的不同可以分为稳态量热法、整体黑体法、积分球反射计法等。稳态法：worthing提出了灯丝加热法测量材料半球发射率，是稳态法较为典型的应用。但这种方法样品的制作工艺很复杂，而且测试速度较慢，但是通用性很好，精度也不错，在实际应用中有较为普遍。整体黑体法，其测试原理：将样品与参考黑体作为一个整体，参考黑体为样品表面的一个孔，将孔底部的能量作为参考黑体的能量，这要求样品具有一定的厚度。从发射率的定义出发，样品表面的能量与孔底部能量的比值即可计算出材料的发射率。积分球反射法：将测试样品放置在积分球的中心，用一束光照射在样品上，其反射光通过积分球内壁的漫反射均匀分布在积分球内部，通过光电探测器可以测量积分球某一个角度的能量。接着，用已知反射率的标准板替换样品放在同一个位置，使用相同的测量方法，可以测出反射光的能量值。通过比较两个漫射光的能量值，可以计算出样品的反射率。该方法的过程中，会引入大量的测试和仪器误差，因此精度不是很高，但是可以满足大多数材料测量的温度范围。然而上述测试方法十分复杂，对实验环境都有具体的要求，并且无法在户外使用。技术实现要素：为了解决
背景技术：
中存在的问题，本发明的目的是提供了一种塔式太阳能用定日镜镜面发射率和洁净程度检测方法。发射率检测方法是通过控制热像仪与定日镜镜面的相对位置，并结合温度传感器测得的温度计算定日镜镜面发射率，并非是定日镜镜面发射率的精确测量，而且是在本发明所设置的实验条件下去测量定日镜镜面发射率，还进一步用于建立发射率的差异与不同定日镜镜面的清洁度的关系。洁净程度检测方法能够实现检测塔式太阳能定日镜在长期运行中的定日镜面洁净程度，解决了现有定期清洗定日镜带来的发电效率下降，电站运行成本上升的问题和现有检测手段会影响发电效率的问题。为解决上述问题，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：一、一种塔式太阳能用定日镜镜面发射率检测方法：1)在晴朗的夜晚时，用温度传感器记录定日镜镜面温度，利用红外热像仪拍摄定日镜镜面的红外图像，并将两者数据存储到计算机中；2)计算红外图像的辐射温度，将辐射温度和定日镜镜面温度带入改写的玻耳兹曼公式中，计算得到定日镜镜面的发射率。所述的温度传感器贴在定日镜镜面的背面，检测获得的温度作为定日镜镜面温度。所述的温度传感器采用四线制贴片铂电阻。所述的红外热像仪探头的光轴与定日镜镜面法向之间的夹角在±10°～20°之间，探头和定日镜镜面之间的间距至少为40cm，使得红外热像仪所拍摄视场占定日镜镜面总面积的80％，并且始终避免热像仪本身在红外图像中成像，这样能忽略大气透射和大气发射所产生的影响。所述的红外热像仪为7～14μm远红外波段，在拍摄定日镜镜面时红外热像仪的发射率参数设置为1，从而将定日镜镜面发出的辐射功率视为黑体发出的辐射功率，测得的温度进而计算辐射温度。所述的计算红外图像的辐射温度具体是：在晴朗无风的夜晚，将热像仪的发射率设置为1，将采集的红外图像进行图像处理后，提取出定日镜拼接边界所在的图像区域并从红外图像中除去后得到镜面红外图像，对镜面红外图像的红外温度值进行平均计算获得辐射温度。所述步骤1)中，将辐射温度tr和镜面温度t0带入以下公式表示的改写的玻耳兹曼公式中，计算得到定日镜镜面的发射率ε0：其中，t0表示待测定日镜镜面温度，tr表示红外图像的辐射温度。本发明利用上述公式的关系能够对定日镜镜面发射率进行准确测量。本发明利用红外热像仪测量定日镜镜面发射率实验中发现，热像仪接收到的红外辐射包括三个部分：被测物体自身发出的辐射、被测物体反射环境的辐射和大气辐射。被测物体自身发出的辐射和大气辐射非常小，本发明计算中忽略。二、一种塔式太阳能用定日镜镜面洁净程度检测方法：1)在晴朗无风的夜晚，用温度传感器记录热像仪拍摄时定日镜附近的环境温度，利用红外热像仪拍摄定日镜镜面的红外图像，并将两者数据存储到计算机中，再计算红外图像的辐射温度；2)预先在完全洁净的定日镜镜面上均匀铺设已经预先称好重的灰尘，采用步骤1)方式采集获得平均温度和环境温度；3)重复步骤2)进行多次，每次均匀铺设不同重量的灰尘，采集获得多次采样的辐射温度、环境温度和灰尘重量；然后结合辐射温度和环境温度计算出被测定日镜镜面的发射率进行拟合计算获得发射率与灰尘重量之间关系；4)针对待测定日镜，采用步骤1)方式采集获得平均温度和环境温度，然后代入步骤3)获得的发射率与灰尘重量之间关系中计算获得待测定日镜镜面上的灰尘重量，以此表征定日镜面洁净程度。所述红外热像仪和温度传感器搭载于无人机或小车上，通过无人机或小车移动到定日镜附近进行拍摄和测量。所述的红外热像仪探头的光轴与定日镜镜面法向量的夹角在±10°～20°之间，避免热像仪本身在红外图像中成像。所述的计算红外图像的辐射温度具体是：在晴朗无风的夜晚，将热像仪的发射率设置为1，将采集的红外图像进行图像处理后，提取出定日镜拼接边界所在的图像区域并从红外图像中除去后得到镜面红外图像，对镜面红外图像的红外温度值进行平均计算获得辐射温度。所述步骤3)中具体是采用以下公式结合红外图像的平均温度和环境温度进行拟合计算获得系数a、b、c：y＝aε02+bε0+c其中，t0表示待测定日镜镜面温度，并作为环境温度，tr表示红外图像的辐射温度，a、b、c分别表示二次项系数、一次项系数、常数项系数，y表示定日镜镜面上的灰尘重量，ε0表示发射率，以红外辐射温度和洁净镜面温度之间的比值作为发射率。本发明利用红外温度数据进行处理获得定日镜面的洁净程度。并且发现发射率和定日镜面的洁净程度之间存在规律的非线性关系，并且利用数据拟合获得非线性关系，利用非线性关系对待测定日镜进行检测。本发明在实验的过程中发现，热像仪在拍摄待测定日镜时，定日镜反射的是天空，由于晴朗无风夜晚的天空远红外波段的光谱能量非常小，所以将热像仪的发射率设置为1。上述拟合公式表示洁净的镜子与附着灰尘的镜子在两者真实温度相同的情况下，利用洁净镜面本身的发射率与附着上灰尘后的镜面发射率的差异性进行定日镜镜面洁净程度的测量。因此本发明申请人利用上述公式的关系对定日镜镜面洁净程度进行检测处理。本发明的有益效果是：相较于传统的发射率测量方法，本发明发射率检测方法能够在夜晚户外准确测量定日镜镜面发射率；不同清洁度的定日镜镜面发射率不同，可以用于建立发射率与定日镜镜面洁净程度的关系；检测操作流程比较简单，效率高，适用于大量定日镜测量。与现有的技术相比，本发明洁净程度检测方法能在夜晚户外准确检测镜面洁净程度，不会影响塔式太阳能发电站发电效率。本发明洁净程度检测方法利用红外热像仪检测定日镜镜面洁净程度不需要额外光源和靶面，利用无人机或小车搭载热像仪拍摄定日镜即可，降低了定日镜镜面洁净程度的检测成本，能作为定日镜面清洗周期的指导依据。附图说明图1为应用本发明发射率检测方法的检测系统结构示意图。图2为应用本发明洁净程度检测方法的检测系统结构示意图。图3为实施例2的实施拟合关系图。图中：工控机(1)、定日镜(2)、小车(5)、无人机(3)、红外热像仪(4)、计算机(6)、定日镜支架(7)、温度巡检仪(8)、温度传感器(9)、平移滑轨(10)、球型云台(11)。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。发射率检测的实施例1：如图1所示，本发明具体实施包括定日镜支架7、定日镜2、平移滑轨10、热像仪4、球型云台11、四线制贴片铂电阻6、温度巡检仪8和计算机6，计算机6连接红外热像仪4和温度巡检仪8；红外热像仪4安装在固定于平移滑轨10上的球型云台11，球型云台11连接到平移导轨10上；将定日镜2镜面固定在定日镜镜面支架7上，定日镜2镜面与地面角度可调。温度传感器9采用四线制贴片铂电阻，引出的四根导线连接至温度巡检仪，四线制贴片铂电阻粘贴至定日镜2镜面背后，引出的导线连接至温度巡检仪8。温度巡检仪8、热像仪4和平移导轨10与计算机6连接，并通过计算机6保存温度数据、红外图像和控制平移导轨的移动距离。实施例1的具体实施过程如下：选择晴朗的夜晚进行发射率测量是避免太阳辐射和空中云层的对测量产生影响，请参阅2所示，本实施过程中采用6个20cm*20cm正方形不同清洁程度的定日镜镜面间隔2cm并排放置，在每个定日镜镜面背后粘贴四线制贴片铂电阻；设置的定日镜镜面与地面夹角为60°，热像仪光轴与镜面法向量夹角为20°，距离为40cm；将热像仪对准第一个定日镜镜面，设置平移滑轨的步进距离为22cm；设置热像仪的发射率参数为1，大气透射率为1。开始进行定日镜镜面发射率测量。镜1至镜6的灰尘重量分别为：0.003g、0.036g、0.098g、0.126g、0.207g、0.283g，静置30分钟后，使用热像仪拍摄每个定日镜镜面得到的红外图像，计算其平均辐射温度tr1＝-3.50、tr2＝-3.22、tr3＝-2.67、tr4＝-2.66、tr5＝-2.28、tr6＝-1.67，将其与温度传感器记录待测每个定日镜镜面的真实温度t01、t02…t06都为6.47℃，将其带入改写的玻耳兹曼公式中，计算得到每个定日镜镜面的发射率ε01＝0.922543、ε02＝0.926381、ε03＝0.933954、ε04＝0.934093、ε05＝0.939353、ε06＝0.947843。洁净程度检测的实施例2如图2所示，具体实施包括工控机1、定日镜2、小车5、无人机3和红外热像仪4、计算机6，工控机1连接定日镜2，定日镜2与工控机1连接，工控机1控制定日镜2工作，小车5和无人机3上均装有红外热像仪4，无人机3飞行在小车5上方，小车5和无人机3在定日镜2前方并且使得红外热像仪4探头朝向定日镜2，小车5和无人机3通过无线计算机6与通讯连接。无人机3和小车5上还搭载有温度传感器，通过无人机或小车移动到定日镜2附近通过温度传感器和红外热像仪4进行拍摄和测量。红外热像仪4探头的光轴与定日镜2镜面法向量的夹角在±10°～20°之间，避免热像仪本身在红外图像中成像。晴朗无风的夜晚时没有了太阳辐射的影响，设置热像仪4的发射率为1，工控机1控制待测定日镜2至合适拍摄角度，使小车5或者无人机3搭载红外热像仪4以一定角度采集该定日镜的红外图像，此角度使镜面法向量与热像仪镜头光轴夹角在±10°～20°之间，热像仪与定日镜的距离应保持在热像仪拍摄的定日镜的面积为定日镜面积80％左右，利用小车或无人机携带的温度传感器记录图像拍摄时的环境温度，将两者发送给计算机6。计算机6中提取出定日镜拼接边界所在的图像区域并从红外图像中除去后得到镜面红外图像，对镜面红外图像的红外温度值进行平均计算获得平均温度。本发明中考虑夜间定日镜在不运行的情况下不产生热量，所以认为洁净镜面的温度与环境温度近似相等。实施例2的具体实施过程如下：1)在晴朗无风的夜晚，用温度传感器记录热像仪拍摄时定日镜附近的环境温度，利用红外热像仪4拍摄定日镜镜面的红外图像，并将两者数据存储到计算机6中，再计算红外图像的辐射温度；2)预先在完全洁净的定日镜镜面上均匀铺设已经预先称好重的灰尘，将灰尘均匀地铺设到洁净的实验镜面上，并静置15分钟使其与环境同温，调整实验镜面的角度使镜面法向量与热像仪镜头光轴夹角在±10°～20°之间，且热像仪拍摄的定日镜的面积为定日镜镜面总面积的80％，采用步骤1)方式采集获得平均温度和环境温度，保存到计算机，然后清洁镜面。3)重复步骤2)铺设50组不同已知重量的灰尘，得到50组红外平均温度、环境温度和灰尘重量的数据。然后结合辐射温度和环境温度计算出被测定日镜镜面的发射率进行拟合计算获得发射率与灰尘重量之间关系，二维关系图如图3所示，拟合得到的a＝48.96、b＝-80.07、c＝32.2的值，即关系公式为：y＝48.96ε02-80.07ε0+32.24)针对待测定日镜，称取5组不同重量的灰尘，按照步骤1)～3)得到红外平均温度和环境温度，然后代入步骤3)获得的发射率与灰尘重量之间关系中计算获得待测定日镜镜面上的灰尘重量。并分析用关系公式计算的灰尘重量与真实已知灰尘重量差，如下表1：表1镜子编号灰尘计算值m灰尘实际值m0误差m0-m#10.0410.0360.002#20.1250.098-0.005#30.1260.126-0.027#40.1880.2070.019#50.2920.283-0.009本实施例中使用的非拼接定日镜，所以不存在检测镜子拼接边界并除去的步骤。本实施例获得灰尘重量的单位为g/m2。当前第1页12