专利名称：一种表面能流密度测量系统和方法
技术领域：
本发明涉及太阳能热发电技术领域，尤其涉及太阳能热发电系统中一种接收面表面能流密度测量系统和方法。
背景技术：
太阳能热发电系统是利用日光反射装置将太阳光反射到接收面上，然后借助传热工质如水、空气、液态金属或融盐等将太阳辐射能转变为接收面输出的热能，可见接收面是热发电系统负责光热转换的核心部件。接收面能流密度测量准确与否对计算系统的热效率具有至关重要的作用。迄今为止，表面能流密度的测量方法主要分为两种，即直接测量方法和间接测量方法。(1)直接测量方法直接测量方法是直接用热流计对接收面上的离散点进行测量，其主要优点是简单、直接；缺点是只能在接收面的离散点上获取数据，热流计的数目决定空间分辨率的高低，并且当瞬间状态发生时，热流计相对较长的记录时间使测量精度降低。(2)间接测量方法间接测量方法是在接收面之前设置一光斑成像装置，该光斑成像装置面积需不小于待测接收面面积，且可各向同性地反射经日光反射装置反射的光线，用图像采集装置采集光斑成像装置表面的光斑，所得光斑图像的灰度值与热流密度之间存在一定的对应关系，通过换算即可得到光斑成像装置表面的能流密度分布。该方法相对于直接测量方法具有以下优点分辨率更高；数据采集时间更短；使用相机、滤光片等经济元件。申请号为201010M1767. 5的中国发明专利《红外成像测温式能流密度测量装置》 基于红外成像测温原理，对光斑成像装置上的光斑进行红外成像测温分析，计算光斑能流密度；哈尔滨工业大学刘颖的博士论文《太阳能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理论与实验研究》针对碟式聚光系统提出了一种聚焦光斑能流密度分布测量系统，该系统选用了典型的间接测量方法，得到了聚焦光斑的能流密度。以上技术要求光斑成像装置尺寸大于被测光斑口径，因此光斑成像装置尺寸往往很大，而大尺寸光斑成像装置制造成本很高，实际操作起来难度较大，因此现有系统及方法并不适用于大尺寸接收面能流密度的测量。
发明内容
本发明就是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种高精度、低成本、易操作的间接测量接收面表面能流密度的测量系统和方法，并且适用于大尺寸接收面的能流密度测量。本发明的目的通过以下技术方案来实现一种表面能流密度测量系统，用于间接测量接收面表面能流密度，包括光斑成像装置、图像采集装置和图像处理装置，图像采集装置采集光斑成像装置表面的图像信息，并由图像处理装置进行处理，计算能流密度分布；所述光斑成像装置沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。所述测量系统还包括运动辅助机构，所述光斑成像装置与运动辅助机构活动连接并通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。优选的，所述运动辅助机构为导轨；所述光斑成像装置一端或两端连接导轨并通过导轨沿着接收面滑动或翻转，运动轨迹覆盖整个接收面。优选的，所述运动辅助机构为转轴；所述光斑成像装置一端与转轴枢接，沿着接收面绕转轴旋转，运动轨迹覆盖整个接收面。优选的，所述光斑成像装置为表面具有漫反射特性的板，所述图像采集装置为摄像机，所述图像处理装置为具有图像处理能力的计算机；所述板的表面涂有均勻涂层材料， 该涂层材料为具有漫反射特性的防水涂料。优选的，所述测量系统还包括参数测量装置，该参数测量装置具体包括热流计， 用于采集接收面表面热流密度；红外测温仪，用于测量接收面表面温度；风速仪，用于测量接收面周围风速；大气温度传感器，用于测量接收面周围环境温度。一种表面能流密度测量方法，用于间接测量接收面表面能流密度，包括以下步骤(1)在接收面周围安装运动辅助机构，将光斑成像装置与运动辅助机构连接；光斑成像装置通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面；(2)图像采集装置实时采集光斑成像装置表面的图像信息，获得一组表面光斑图像；将所得光斑图像信息传输给图像处理装置，由图像处理装置进行处理，得到完整的光斑图；(3)提取光斑图中各点的灰度值，建立光斑图中像点位置和接收面表面物点位置的相互对应关系；坐标标定完成后，提取采集到的光斑图的灰度值，并与接收面的坐标点对应起来；(4)确定灰度值和接收面能流密度间的换算系数F。；(5)根据换算系数F。计算得到接收面能流密度分布。优选的，所述运动辅助机构为导轨；所述光斑成像装置一端或两端连接导轨并通过导轨沿着接收面滑动或翻转，运动轨迹覆盖整个接收面。优选的，所述运动辅助机构为转轴；所述光斑成像装置一端与转轴枢接，沿着接收面绕转轴旋转，运动轨迹覆盖整个接收面。优选的，所述步骤中，换算系数F。分别采用公式标定法和热流计标定法求得， 并对两种方法得到的结果取均值从而确定F。；通过参数测量装置测量所需参数，具体包括 热流计，用于采集接收面表面热流密度；红外测温仪，用于测量接收面表面温度；风速仪， 用于测量接收面周围风速；大气温度传感器，用于测量接收面周围环境温度。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、本发明使用较小的光斑成像装置测量大尺寸接收面的能流密度，方便可靠、成本较低；2、采用直接测量方法只能得到接收面离散点的能流密度，而本发明可以得到整个接收面各点的能流密度及其能量分布图，精度高、成本低、易操作；3、本发明采用公式标定法和热流计标定法分别求得灰度值和光斑能流密度之间的换算系数F。，并对两种方法计算所得结果取均值最终确定F。，提高了计算的准确性；4、本发明应用在太阳能热发电系统中，可以实时得到日光反射装置的投入能量， 提高计算系统热效率的精度。
图1为本发明表面能流密度测量系统的示意图；图2为本发明实施例一的光斑成像装置安装示意图；图3为本发明实施例二的光斑成像装置安装示意图；图4为本发明实施例三的光斑成像装置安装示意图；图5为本发明实施例四的光斑成像装置安装示意图；图6为本发明实施例五的光斑成像装置安装示意图；图7为本发明实施例六的光斑成像装置安装示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。—种表面能流密度测量系统，用于间接测量接收面表面能流密度，如图1所示，包括光斑成像装置100，用于接收日光反射装置反射的光线；图像采集装置200，用于采集光斑成像装置100表面的图像信息；图像处理装置300，用于对图像采集装置200采集的图像信息进行处理，计算能流密度分布。优选的，光斑成像装置100为表面具有漫反射特性的板，板的表面涂有均勻涂层材料，该涂层材料为具有漫反射特性的防水涂料；图像采集装置 200可采用工业摄像机或其他合适的摄像机，图像处理装置300为具有图像处理功能的计算机。该测量系统还包括运动辅助机构，光斑成像装置100与运动辅助机构活动连接并通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。优选的，该测量系统还包括参数测量装置，该参数测量装置具体包括热流计，用于采集接收面表面热流密度；红外测温仪，用于测量接收面表面温度；风速仪，用于测量接收面周围风速；大气温度传感器，用于测量接收面周围环境温度。下面通过具体实施例详细说明光斑成像装置沿着接收面的运动方式及接收面表面能流密度测量方法。实施例一一种表面能流密度测量方法，用于间接测量接收面表面能流密度，包括以下步骤(1)沿着接收面10上下两端安装两根平行导轨20 (运动辅助机构)，如图2所示， 光斑成像装置100为长条形，两端分别连接两根导轨20并通过导轨20沿着接收面滑动(光斑成像装置位于接收面前方)，光斑成像装置100的运动轨迹覆盖整个接收面10。光斑成像装置的宽与高根据接收面的实际尺寸来确定，为便于安装，使光斑成像装置100的高度H1略大于接收面10的高度H2,光斑成像装置100的宽度W1为接收面10的宽度W2的1/10(该比例根据本实施例而定，但不拘泥于此，可根据具体情况选择一定的比例)。例如，当接收面尺寸为3mX3m时，可以选取光斑成像装置的宽度W1为0. 3m,高度H1为4m。导轨20是沿着接收面10上下两端水平布置，光斑成像装置100沿着导轨水平移动，导轨长度为6m，导轨长度选取有一定要求，即要大于接收面宽度和两倍的光斑成像装置宽度(W2+2Wi)，保证光斑成像装置在移动时处于勻速运动状态。开始时光斑成像装置位于接收面的一侧，然后以0. 5m/s-lm/s的速度(移动速度可以根据需要选取)勻速向接收面的另一侧移动(箭头所示方向仅为一种移动方式，也可按与箭头所示方向的相反方向移动)， 光斑成像装置的运动轨迹覆盖整个接收面。(2)在光斑成像装置移动的同时图像采集装置以20帧/秒的速度(拍摄速度可以根据需要选取)对光斑成像装置进行实时拍摄，采集光斑成像装置表面的图像信息，获得一组光斑成像装置表面的光斑图像，所采集的光斑图像为彩色图像；光斑成像装置的运动速度不宜过低，应设定为保证运动过程中其表面温度恒定，这样可将所摄图像视为同一时刻的光斑图像。图像采集装置和光斑成像装置的相对位置没有特殊要求，为了便于后期的图像处理，可将图像采集装置正对光斑成像装置，安装在同一高度进行拍摄，以避免在后期图像处理时需要对光斑图像进行校正。将图像采集装置拍摄的光斑图像信息传输给图像处理装置，图像处理装置对光斑图像进行抓取、识别、拼接，得到与接收面尺寸大小相同的完整的光斑图；(3)提取光斑图中各点的灰度值，建立光斑图中像点位置和接收面表面物点位置的相互对应关系，这种相互对应关系由摄像系统成像模型来决定；坐标标定完成后，提取采集到的光斑图的灰度值，并与接收面的坐标点对应起来；(4)确定灰度值和接收面能流密度间的换算系数F。；(5)根据光斑灰度值及换算系数F。计算得到接收面能流密度分布。上述步骤中，换算系数F。分别采用公式标定法和热流计标定法求得，并对两种方法得到的结果取均值从而确定F。；通过参数测量装置测量所需参数，具体包括热流计，用于采集接收面表面热流密度；红外测温仪，用于测量接收面表面温度；风速仪，用于测量接收面周围风速；大气温度传感器，用于测量接收面周围环境温度。(一 )公式标定法采用公式(I)确定换算系数Fc
F = ^argrt (I)C f AiGVi
/=1其中Ptoget为接收面的总能量值，pixel为光斑成像装置表面上的像素数，Ai为每个像素的面积，GVi为像素的灰度值；并且Plaiget = _mt -ZtiXT1 -T2) +ξ ·σ·Α{ΤΧ'-T24) (II)其中论为传热工质的流量，hin与h。ut为传热工质进出口焓差，h为接收面表面换热系数，A为接收面的表面积，T1为壁面温度，T2为环境温度，ξ为材料表面发射率，σ为斯蒂芬波尔兹曼常数。计算接收面总能量值时，通过测量传热工质进出口温度直接求出传热工质吸收能量；对流与辐射散热损失需间接计算，为使计算更为准确，本发明通过理论计算、数值仿真、 计算不同工况点的平衡方程三种方法对对流与辐射换热损失进行计算，并将三种方法计算
7所得结果进行比较验证。1)理论计算采用相应的经验公式，计算壁面表面换热系数，通过红外测温仪测量接收面表面温度，通过风速仪测得接收面附近的风速，大气温度传感器测得接收面附近的环境温度，从而计算对流和辐射换热损失。2)数值仿真通过相关软件模拟接收面的换热损失。3)计算不同工况点的平衡方程由于平衡状态下存在热力平衡方程
权利要求
1.一种表面能流密度测量系统，用于间接测量接收面表面能流密度，包括光斑成像装置、图像采集装置和图像处理装置，图像采集装置采集光斑成像装置表面的图像信息，并由图像处理装置进行处理，计算能流密度分布；其特征在于，所述光斑成像装置沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。
2.如权利要求1所述的一种表面能流密度测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括运动辅助机构，所述光斑成像装置与运动辅助机构活动连接并通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。
3.如权利要求2所述的一种表面能流密度测量系统，其特征在于，所述运动辅助机构为导轨；所述光斑成像装置一端或两端连接导轨并通过导轨沿着接收面滑动或翻转，运动轨迹覆盖整个接收面。
4.如权利要求2所述的一种表面能流密度测量系统，其特征在于，所述运动辅助机构为转轴；所述光斑成像装置一端与转轴枢接，沿着接收面绕转轴旋转，运动轨迹覆盖整个接收面。
5.如权利要求1所述的一种表面能流密度测量系统，其特征在于，所述光斑成像装置为表面具有漫反射特性的板，所述图像采集装置为摄像机，所述图像处理装置为具有图像处理能力的计算机；所述板的表面涂有均勻涂层材料，该涂层材料为具有漫反射特性的防水涂料。
6.如权利要求1所述的一种表面能流密度测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括参数测量装置，该参数测量装置具体包括热流计，用于采集接收面表面热流密度；红外测温仪，用于测量接收面表面温度；风速仪，用于测量接收面周围风速；大气温度传感器， 用于测量接收面周围环境温度。
7.一种表面能流密度测量方法，用于间接测量接收面表面能流密度，其特征在于，包括以下步骤(1)在接收面周围安装运动辅助机构，将光斑成像装置与运动辅助机构连接；光斑成像装置通过运动辅助机构沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面；(2)图像采集装置实时采集光斑成像装置表面的图像信息，获得一组表面光斑图像； 将所得光斑图像信息传输给图像处理装置，由图像处理装置进行处理，得到完整的光斑图；(3)提取光斑图中各点的灰度值，建立光斑图中像点位置和接收面表面物点位置的相互对应关系；坐标标定完成后，提取采集到的光斑图的灰度值，并与接收面的坐标点对应起来；(4)确定灰度值和接收面能流密度间的换算系数F。；(5)根据换算系数F。计算得到接收面能流密度分布。
8.如权利要求7所述的一种表面能流密度测量方法，其特征在于，所述运动辅助机构为导轨；所述光斑成像装置一端或两端连接导轨并通过导轨沿着接收面滑动或翻转，运动轨迹覆盖整个接收面。
9.如权利要求7所述的一种表面能流密度测量方法，其特征在于，所述运动辅助机构为转轴；所述光斑成像装置一端与转轴枢接，沿着接收面绕转轴旋转，运动轨迹覆盖整个接收面。
10.如权利要求7所述的一种表面能流密度测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，换算系数F。分别采用公式标定法和热流计标定法求得，并对两种方法得到的结果取均值从而确定F。；通过参数测量装置测量所需参数，具体包括热流计，用于采集接收面表面热流密度；红外测温仪，用于测量接收面表面温度；风速仪，用于测量接收面周围风速；大气温度传感器，用于测量接收面周围环境温度。
全文摘要
本发明的一种表面能流密度测量系统，用于间接测量接收面表面能流密度，包括光斑成像装置、图像采集装置和图像处理装置，图像采集装置采集光斑成像装置表面的图像信息，并由图像处理装置进行处理，计算能流密度分布；所述光斑成像装置沿着接收面运动，运动轨迹覆盖整个接收面。本发明还公开了一种表面能流密度测量方法。本发明使用较小的光斑成像装置测量大尺寸接收面的能流密度，方便可靠、成本较低；可以得到整个接收面各点的能流密度及其能量分布图，精度高、成本低、易操作。
文档编号G01K17/00GK102445287SQ20111029094
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者付杰, 吴小翠, 周慧, 徐能 申请人:浙江中控太阳能技术有限公司