一种太阳能光热发电真空集热管及其检测系统和方法与流程

本发明特别涉及一种太阳能光热发电真空集热管及其检测系统和方法,属于太阳能光热发电部件及其检测技术领域。

背景技术：

太阳能光热发电真空集热管为太阳能光热发电系统的核心部件,其热性能直接决定了整个集热系统的热转换效率。传统的真空集热管的外管为玻璃镀且有选择性膜层,内管为金属吸热管镀且有选择性膜层,外管与内管之间为真空状态,有效保证该真空状态,可有效提高真空集热管的保温性能,从而提高真空集热管的集热性能。

金属吸热管,即内管的缺陷、疲劳裂纹以及膜层的损坏都会影响集热管的集热效率,进而影响整个集热系统的效率,所以对内管的缺陷、疲劳裂纹以及膜层的检验和监测是很有必要的。

现有技术中,主要采用人工观察的方式,观察真空集热管是否有损坏和伤痕,存在检测效率低、检测不准确、检测结果严重依赖检测员个人经验的问题。

为克服现有技术的不足,本发明提供了一种太阳能光热发电真空集热管及其检测系统和方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能光热发电真空集热管及其检测系统和方法,提高真空集热管的检测效率、检测准确性,使得缺陷检验结果可视化。

发明的技术解决方案如下:

一种太阳能光热发电真空集热管检测系统,包括:

控制系统；电磁感应加热模块,产生涡流对集热管加热；红外测量成像模块,用于测量集热管发射的短波红外辐射、中波红外辐射、长波红外辐射和温度中的一种或者多种,以照片序列和/或热像图序列记录下来；运动模块,控制集热管与检测系统组件之间的相对运动；信号处理模块,用于处理照片序列和/或热像图序列,获得特征值；及诊断模块,用于建立特征值与集热管状态量的对应关系,利用特征值对集热管的缺陷进行检测、分类和定量。

进一步,所述电磁感应加热模块,包括激励源和线圈,所述激励源用于产生高频激励信号给线圈,从而产生涡流对集热管加热。

进一步,所述电磁感应加热模块还包括保证控制线圈温度的水冷系统。

进一步,所述线圈为周向涡流线圈、轴向涡流线圈、可拆卸线圈、两个并列的轴向线圈或两个并列的周向线圈、多个并列的轴向涡流线圈或多个个并列的周向涡流线圈。

作为可选的实施方式,所述线圈为周向涡流线圈,包括骨架和缠绕在骨架上的线圈,使得金属管中感应出周向的涡流,骨架材料可以为磁性材料骨架。

作为可选的实施方式,所述线圈为周向亥姆霍兹涡流线圈,包括一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴,通以同方向电流,当线圈间距等于线圈半径时,两个载流圆线圈的总磁场在轴的中点附近的范围内是均匀的，可在金属管中感应出轴向磁场和周向涡流,以扩大检测面积；进一步，或者,所述线圈为多个并排的周向涡流线圈,以达到更好的检测效果。

作为可选的实施方式,所述线圈为轴向涡流线圈,包括骨架和缠绕在骨架上的线圈,使得金属吸热管中感应出来的涡流是轴向的,骨架材料可以为磁性材料骨架。或者,线圈可以为两个并排的轴向涡流线圈,包括一对相同的轴向涡流线圈彼此平行且共轴设置,两个轴向涡流线圈联合使用使得其中间区域既可以有轴向涡流产生,又可以被短波红外相机和红外热像仪测量；或者,线圈可以为多个并列的轴向涡流线圈,以达到更好的检测效果。

作为可选的实施方式,所述线圈为可拆卸轴向涡流线圈,包括骨架、缠绕在骨架上的线圈、铰链和结合处,骨架可以是磁性材料骨架,铰链用于可拆卸轴向涡流线圈的开合,结合处保证可拆卸轴向涡流线圈闭合时紧密接触,减少磁泄露。

作为可选的实施方式,所述线圈为两个并列的轴向涡流线圈,包括一对相同的轴向涡流线圈彼此平行且共轴设置,两个轴向涡流线圈联合使用使得其中间区域既可以有轴向涡流产生,又可以被短波红外相机和红外热像仪测量。

进一步,所述红外测量成像模块包括短波红外相机和红外热像仪,短波红外相机用于测量集热管发射的短波红外辐射,以照片序列记录下来；红外热像仪用于测量集热管发射的中波或长波红外辐射或者温度,以热像图序列记录下来；所述运动模块包括固定集热管的支架,和带动集热管相对运动的位移平台；所述红外测量成像模块设置在集热管上方,所述集热管下方设置有加装镀有特定膜层的反射板,使集热管背面的红外辐射反射到红外测量成像模块中。

一种应用于上述太阳能光热发电真空集热管检测系统的方法,包括以下步骤:通过电磁感应加热模块产生涡流对集热管加热,运动模块控制集热管与检测系统组件之间进行相对运动,通过红外测量成像模块测量集热管发射的短波红外辐射、中波红外辐射、长波红外辐射和温度中的一种或者多种,以照片序列和/或热像图序列记录下来,信号处理模块处理照片序列和/或热像图序列,获得特征值,诊断模块建立特征值与集热管状态量的对应关系,利用特征值对集热管的缺陷进行检测、分类和定量。

一种应用所述太阳能光热发电真空集热管检测系统的太阳能光热发电真空集热管,包括外玻璃管和金属吸热管,所述外玻璃管和金属吸热管之间为真空状态,所述金属吸热管外面镀有吸收膜层,外玻璃管外面镀有减反射涂层。

有益效果:

1.提出了一种新的太阳能光热发电真空集热管及其检测系统和方法,使得太阳能光热发电高温真空集热管的检测不再依赖检验员个人经验,提高了测试效率及准确性,缺陷检验结果可视化。

2.线圈做出了改进,改进成可拆卸轴向涡流线圈,能够方便对在役集热管进行检测和在役监测。

3.线圈做出了改进,改进成亥姆霍兹线圈形式,中间区域磁场涡流均匀,且这部分区域没有相机遮挡视线,能够方便对集热管进行检测和在役监测

4.为了实现集热管一周360°的全方位检测,在集热管背面加装反射板,使背面的红外辐射反射到相机中。

附图说明

图1为真空集热管及检测系统的结构示意图；

图2为带周向亥姆霍兹涡流线圈的真空集热管及检测系统的结构示意图；

图3为带轴向涡流线圈的真空集热管及检测系统的结构示意图；

图4为针对可拆卸轴向涡流线圈的真空集热管及检测系统的结构示意图；

图5为带两个轴向涡流线圈的真空集热管及检测系统的结构示意图；

图6为针对在役检测的真空集热管及检测系统的结构示意图。

1:减反射涂层；2:外玻璃管；3:吸收膜层；4:金属吸热管；5:短波红外相机；6:周向涡流线圈；7:激励源；8:红外热像仪；9:支架；10:位移平台；11:水冷系统；12:信号处理模块；13:诊断模块；14:轴向涡流线圈；15:铰链；16:结合处；17:可拆卸轴向涡流线圈；18和20:周向亥姆霍兹涡流线圈；19:控制系统。

具体实施方式

为了便于理解本发明,下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于一下具体实施例。

除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。

参照图1-6,一种太阳能光热发电真空集热管检测系统,包括:控制系统；电磁感应加热模块,产生涡流对集热管加热；红外测量成像模块,用于测量集热管发射的短波红外辐射、中波红外辐射、长波红外辐射和温度中的一种或者多种,以照片序列和/或热像图序列记录下来；运动模块,控制集热管与检测系统组件之间的相对运动；信号处理模块,用于处理照片序列和/或热像图序列,获得特征值；及诊断模块,用于建立特征值与集热管状态量的对应关系,利用特征值对集热管的缺陷进行检测、分类和定量。

进一步,所述电磁感应加热模块,包括激励源和线圈,和保证控制线圈温度的水冷系统,所述激励源用于产生高频激励信号给线圈,从而产生涡流对集热管加热,所述线圈处设置有温度感应器,所述温度感应器感应到温度后,将温度信号输送至控制系统,控制系统控制水冷系统的功率,改变水冷系统内冷却水的流速,所述水冷系统的管道伸至线圈处,可以根据线圈的形状和布置进行适配,水冷系统内冷却水的流速越快,对线圈的降温作用更强,从而实现线圈的精准加热。

可选的,所述线圈为周向涡流线圈或轴向涡流线圈。所述线圈为周向涡流线圈,可在金属管中感应出周向的涡流。进一步,所述线圈为轴向涡流线圈,包括骨架和缠绕在骨架上的线圈,使得金属吸热管中感应出来的涡流是轴向的,骨架材料可以为磁性材料骨架。可选的,所述线圈为周向亥姆霍兹涡流线圈,包括一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴,通以同方向电流,当线圈间距等于线圈半径时,两个载流圆线圈的总磁场在轴的中点附近的范围内是均匀的。可选的,所述线圈为可拆卸轴向涡流线圈,包括骨架、缠绕在骨架上的线圈、铰链和结合处,骨架可以是磁性材料骨架,铰链用于可拆卸轴向涡流线圈的开合,结合处保证可拆卸轴向涡流线圈闭合时紧密接触,减少磁泄露。

所述红外测量成像模块包括短波红外相机和红外热像仪,短波红外相机用于测量集热管发射的短波红外辐射,以照片序列记录下来；红外热像仪用于测量集热管发射的中波或长波红外辐射或者温度,以热像图序列记录下来；所述运动模块包括固定集热管的支架,和带动集热管相对运动的位移平台,所述红外测量成像模块设置在集热管上方,所述集热管下方设置有加装镀有特定膜层的反射板,使集热管背面的红外辐射反射到红外测量成像模块中。

一种应用于上述太阳能光热发电真空集热管检测系统的方法,包括以下步骤:通过电磁感应加热模块产生涡流对集热管加热,运动模块控制集热管与检测系统组件之间进行相对运动,通过红外测量成像模块测量集热管发射的短波红外辐射、中波红外辐射、长波红外辐射和温度中的一种或者多种,以照片序列和/或热像图序列记录下来,信号处理模块处理照片序列和/或热像图序列,获得特征值,诊断模块建立特征值与集热管状态量的对应关系,利用特征值对集热管的缺陷进行检测、分类和定量。

一种应用所述太阳能光热发电真空集热管检测系统的太阳能光热发电真空集热管,包括外玻璃管2和金属吸热管4,所述外玻璃管2和金属吸热管4之间为真空状态,所述金属吸热管4外面镀有吸收膜层3，一般由减反层、吸收层、红外反射层和衬底构成，优选的，可以是陶瓷减反层、金属陶瓷吸收层、金属红外反射层和玻璃或金属材质的衬底构成,外玻璃管2外面镀有减反射涂层1，一般为金属氧体物、氮化物或氮氧化物减反射涂层。因为外玻璃管2的存在,短波红外成像有一个其他技术无可比拟的主要优点,即它能够透过玻璃进行成像,所以用到短波红外相机检测。

又因为吸收膜层3和减反射涂层1存在,它们的缺陷可以在温度的差异变化反应出来,同时集热管中金属吸热管4的缺陷也能通过温度差异变化反应出来。

具体实施例:一种太阳能光热发电真空集热管的检测系统,包括控制系统19、红外测量成像模块、电磁感应加热模块、运动模块、外接设备、信号处理模块12及诊断模块13。

其中,电磁感应加热模块包括激励源7、线圈和水冷系统11,激励源7用于产生高频激励信号给用线圈产生涡流给集热管加热,水冷系统11保证控制线圈的温度。

其中,红外测量成像模块包括短波红外相机5和红外热像仪8,短波红外相机5用于测量集热管发射的短波红外辐射,以照片序列记录下来。红外热像仪8用于测量集热管发射的中波或长波红外辐射或者温度,以热像图序列记录下来。

其中,控制系统19,用于控制电磁感应加热触发、断开、加热时间、工作频率以及红外测量成像模块的联动；在具体实施方式中,控制系统19为计算机,或者控制系统19、信号处理模块12及诊断模块13一起,功能及结构集成为计算机。

其中,运动模块即位移平台10,包括一个支架9和位移平台10,支持集热管相对运动。

其中,信号处理模块12用于处理短波红外辐射照片序列以及红外热像仪8的热像图和序列,获得特征值。

其中,诊断模块13用于建立特征值与集热管状态量的对应关系,利用特征值对集热管的缺陷进行检测、分类和定量。

红外测量成像模块是利用红外短波相机和红外热像仪接受集热管的红外辐射能量分布,以红外短波图片和热像图序列的形式记录下来,这种红外短波图片和热像图序列集热管表面的热分布场相对应。通俗地讲红外短波相机和红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可记录的红外短波照片和热图像序列。

信号处理模块对红外短波照片和热图像序列按预期的目的及要求进行加工,把记录在红外检测模块的图像或图像序列进行处理,以便抽取出有用的图像信息,对图像信息进行提取特征值、变换图像、分析、综合等。

诊断模块13根据经过信号处理短波红外图片和热成像图片之后的特征值对集热管的缺陷进行检测,进一步分析设备在各种故障状态下的热像及温升,再结合其他检测结果,就能较好地诊断出设备故障及故障点和类型。

进一步,在可选的实施方式中,信号处理模块12、诊断模块13和控制系统19是分开的,各位独立系统,控制系统19只用于控制电磁感应加热触发、断开、加热时间、工作频率以及红外测量成像模块的联动。作为可选的实施方式,信号处理模块12、诊断模块13和控制系统19可以为一体的控制模块结构,该控制模块结构可以统称为控制系统19。

进一步,线圈有多种形式,作为具体的实施方式,可以为周向涡流线圈6或轴向涡流线圈14或两个并列的轴向线圈或两个并列的周向线圈或可拆卸轴向涡流线圈17或周向亥姆霍兹涡流线圈18或多个并排的周向涡流线圈或多个并排的轴向涡流线圈。

如图1所示,周向涡流线圈6在金属吸热管中感应出来的涡流是圆周方向的。如图3所示,轴向涡流线圈14包括骨架和缠绕在骨架上的线圈,且在金属吸热管中感应出来的涡流是轴向的,骨架材料可以是磁性材料。这样有利于检测不同走向的裂纹缺陷。

进一步,图1中周向涡流线圈6可以改进成图2中周向亥姆霍兹涡流线圈18。实际检测中,周向涡流线圈6会遮挡短波红外相机5和红外热像仪8的视线,而周向亥姆霍兹涡流线圈18的中间区域既可以有周向涡流产生,又可以被短波红外相机5和红外热像仪8测量。亥姆霍兹线圈的定义为:如果有一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴,通以同方向电流,当线圈间距等于线圈半径时,两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的。这对线圈称为亥姆霍兹线圈。

进一步,如图5所示,作为可选的实施方式,所述线圈为两个并列的轴向涡流线圈,包括一对相同的轴向涡流线圈14彼此平行且共轴设置,两个轴向涡流线圈14联合使用使得其中间区域既可以有轴向涡流产生,又可以被短波红外相机和红外热像仪测量。即,轴向涡流线圈14改进成两个轴向涡流线圈14联合使用形式,注意到轴向涡流线圈14会遮挡相机的视线,而用两个轴向涡流线圈14联合使用形式则中间区域既可以有轴向涡流产生,又可以被短波红外相机和红外热像仪测量。

进一步,如图4所示,对于轴向涡流线圈14做出了改进,因为在役的集热管是联排的,不可拆卸线圈不适合现场作业,改进成可拆卸轴向涡流线圈17,可拆卸轴向涡流线圈17包括骨架、缠绕在骨架上的线圈、铰链15和结合处16,骨架材料可以是磁性材料,铰链15用于可拆卸轴向涡流线圈17开合,结合处16保证可拆卸轴向涡流线圈17闭合时紧密接触,减少磁泄露。

利用如上所述的检测系统进行高温真空集热管真空检测的方法,包括以下步骤:集热管放在固定在位移台上,短波红外相机和红外热像仪以一定距离固定在集热管旁边,线圈通电开启水冷系统,开启短波红外相机和红外热像仪,启动位移台带动集热管从一端运动到另一端,以完成线圈对集热管的加热,位移是相对的,可以线圈运动而集热管不动,这种情形适合在对集热管的在役检测监测过程中,短波红外相机和红外热像仪记录温度变化数据图像,信号处理模块处理短波红外辐射照片序列以及热像仪的热像图和序列,获得特征值,诊断模块利用特征值对缺陷进行检测、分类和定量。

以上方案的检测适用于生产环节。

如图6所示,针对在役检测,改进方式如下:因为在役的集热管是联排的,不可拆卸线圈不适合现场作业,改进成可拆卸轴向涡流线圈17,可拆卸轴向涡流线圈17包括骨架、缠绕在骨架上的线圈以及铰链15和结合处16,骨架材料可以是磁性材料,铰链15用于可拆卸轴向涡流线圈17开合,结合处16保证可拆卸轴向涡流线圈17闭合时紧密接触,减少磁泄露。

为了实现集热管一周360°的全方位检测,在生产线上可以加一个旋转机构旋转集热管,而对于集热管的在役检测监测,集热管不可以旋转,对此进行改进,因为在役检测有反射镜,相机无法安装在底部,为了集热管背面怎么检测,在集热管背面加装镀有特定膜层的反射板,使背面的红外辐射反射到相机中。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。