一种太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统的制作方法

本发明涉及太阳能利用技术的性能测量领域，具体为一种太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统。

背景技术：

随着技术进步及国内外鼓励政策的刺激，太阳能利用领域近年来呈现出爆发式增长的趋势。作为太阳能量利用领域的一个重要分支，太阳能聚光光伏技术也在快速发展。反射式聚光光伏技术，具有聚光面积大，聚光光强高，聚光均匀性好等特点而广受欢迎。

但是对于反射式聚光光伏技术而言，如碟式聚光光伏系统，由于其聚光面积大，聚光光斑也较大，聚焦光斑处的聚光强度非常强，如果聚光镜存在设计缺陷或安装不当，很容易就烧坏接收器设备。在碟式聚光光伏系统的安装现场，由于反射镜的形状和理论设计的形状存在一定的误差，安装位置也可能和理论设计位置存在一定误差，这就会导致实际的光斑相对光强分布与理论设计不一致。因此，就需要精确测量出碟式聚光光伏系统实际的光斑相对光强分布情况，以此来判断聚光光伏系统的聚光镜的安装位置是否合理，是否需要进行调整。目前虽然已经存在一些光斑测量方面的技术，但是现有的光斑测量技术在测量精度方面很难满足实际的测量要求。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的一种太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统能够准确测量出太阳能聚光光斑相对光强分布情况，具有极高的测量精度，操作方便，很适合太阳能聚光系统的施工现场测量。

本发明的一种太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统由光斑呈现器、水冷系统、光斑测量器及辅助器件组成。

所述光斑呈现器由辅助支架将其固定在太阳能聚光系统的聚焦光斑位置，用于将太阳能聚光光斑的相对光强分布呈现出来。所述光斑呈现器由前面板、金属泡沫、侧面挡板、后面板、冷却水入口管、冷却水出口管构成，同时兼备光能接收及光斑呈现功能。

所述前面板的材质为金属，具有很好的热传导性能；优选的，前面板的材质为金属铜。所述前面板的表面经过特殊处理，具有一定的灰度，具有均匀漫反射性能。前面板的表面具有一定的灰度，是为了吸收一部分入射光能而只反射一部分光能（即控制前面板表面的反射率），以免因反射光强度太高而影响呈现效果；前面板的表面具有均匀漫反射性能，是为了更好的呈现光斑相对光强分布情况。所述前面板为圆柱体，圆柱体的半径r为50~300mm，圆柱体的高h（即前面板的厚度）为1~5mm。

所述金属泡沫的材质为金属，具有很好的热传导性能；优选的，金属泡沫的材质为金属铜。所述金属泡沫也为圆柱体，其半径与前面板的半径尺寸一致，圆柱体的高（即金属泡沫的厚度）为5~30mm。所述金属泡沫的底面紧贴前面板的底面。

所述后面板及侧面挡板的材质为金属材质，具有很好的热传导性能；优选的，后面板及侧面挡板的材质为金属铜。所述后面板也为圆柱体，其半径与前面板的半径尺寸一致，圆柱体的高（即后面板的厚度）为1~5mm，侧面挡板的厚度也为1~5mm。后面板的底面紧贴金属泡沫的底面，侧面挡板紧贴金属泡沫的侧面，使得金属泡形成封闭的圆柱体空间，便于冷却水通过；前面板接收到的热量快速传递到金属泡沫，金属泡沫与其空隙中快速流过的冷却水发生热交换作用，金属泡沫将热量传递给冷却水，并由冷却水将热量迅速带走，使得整个光斑呈现器保持在较低温度下，防止光斑呈现器因高温而形变或损坏。

作为本发明的进一步改进，所述前面板的材质为金属，具有很好的热传导性能；优选的，前面板的材质为金属铜。所述前面板的表面经过特殊处理，具有一定的灰度，具有均匀漫反射性能。前面板表面具有一定的灰度，是为了吸收一部分入射光能而只反射一部分光能（即控制前面板表面的反射率），以免因反射光强度太高而影响呈现效果；前面板的表面具有均匀漫反射性能，是为了更好的呈现光斑相对光强分布情况。所述前面板为长方体，长方体的长l为100~500mm，长方体的宽w为100~500mm，长方体的高h（即为前面板的厚度）为1~5mm。

进一步，所述金属泡沫的材质为金属，具有很好的热传导性能；优选的，金属泡沫的材质为金属铜。所述金属泡沫也为长方体，其长、宽的尺寸与前面板长、宽的尺寸一致，长方体的高（即金属泡沫的厚度）为5~30mm。所述金属泡沫的底面紧贴前面板的底面。

进一步，所述后面板及侧面挡板的材质为金属材质，具有很好的热传导性能；优选的，后面板及侧面挡板的材质为金属铜。所述后面板也为长方体，其长、宽的尺寸与前面板长、宽的尺寸一致，长方体的高（即后面板的厚度）为1~5mm，侧面挡板的厚度也为1~5mm。后面板的底面紧贴金属泡沫的底面，侧面挡板紧贴金属泡沫的侧面，使得金属泡形成封闭的长方体空间，便于冷却水通过；前面板接收到的热量快速传递到金属泡沫，金属泡沫与其空隙中快速流过的冷却水发生热交换作用，金属泡沫将热量传递给冷却水，并由冷却水将热量迅速带走，使得整个光斑呈现器保持在较低温度下，防止光斑呈现器因高温而形变或损坏。

所述冷却水入口管位于后面板的一端，通过后面板与金属泡沫空间连通，便于冷却水进入金属泡沫。冷却水入口管的数目为1~10个，是为了使得冷却水更加均匀的流过金属泡沫，使得前面板的表面温度更加均匀。

所述冷却水出口管位于后面板的另一端，通过后面板与金属泡沫空间连通，便于冷却水经过金属泡沫后带着热量流出。冷却水出口管的数目与冷却水入口管数目一致，是为了使得冷却水更加均匀的流过金属泡沫，使得前面板的表面温度更加均匀。

所述冷却水系统是为了控制光斑呈现器的温度，使得其在较低温度下运行，防止因温度过高而发生形变或损坏。冷却水系统由水冷机、冷却水管、流量计、阀门等组件组成。水冷机提供持续的冷却水，冷却水通过冷却水管再经冷却水入口管进入光斑呈现器，与光斑呈现器发生热交换作用吸收光斑呈现器热量后，再经冷却水出口管及冷却水管回到水冷机，冷却后再重新进入光斑呈现器，周而复始形成循环冷却水系统。

所述光斑测量器由ccd成像仪和电脑等附件组成，ccd成像仪由辅助支架固定在测量位置，用于测量光斑呈现器上的光斑相对光强分布，并将测量图片及数据传输到电脑上，通过电脑分析处理及存储，从而得出聚光光斑相对光强分布的精确数据。ccd成像仪的测量位置位于光斑呈现器的前面板一侧，距光斑呈现器前面板表面的距离为0.5~10m。

通过以上技术方案及设备，就能准确测量出太阳能聚光光斑相对光强分布情况。

与现有技术相比，本发明的一种太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统具有以下优点及有益效果：

（1）本发明的光斑呈现器前面板的表面经过特殊处理，具有一定的灰度，能够很好的控制光斑呈现器的表面反射率，防止因为高倍聚光光斑的光强过强而损坏ccd成像仪或影响其测量效果。

（2）本发明的光斑呈现器前面板的表面经过特殊处理，具有均匀漫反射性能，能够准确的呈现出光斑的相对光强分布情况，且使得光斑测量器的测量位置可以在更大范围内移动而不影响测量效果。

（3）本发明的光斑呈现器的材料都是金属材料，具有很好热传导性能，内部的金属泡沫与冷却水的接触面积非常大，其热交换率非常高，通过冷却水系统，能够很好的控制光斑呈现器的工作温度。即使太阳能聚光系统的聚焦光斑位置具有很高的光能量，冷却水系统也能及时的带走热量，使得光斑呈现器一直处于较低温度下工作，防止光斑呈现器因高温而发生形变进而影响测量结果，防止光斑呈现器因过高温度而损坏。

（4）本发明的ccd成像仪测量得到的光斑相对光强分布的同时也能拍摄下整个光斑呈现器，以光斑呈现器的尺寸为参考，可以精确描述出光斑的形状及尺寸，并将光斑相对光强分布坐标化。

（5）本发明通过光斑呈现器将光斑相对光强分布呈现出来，再由ccd成像仪进行测量，很好的发挥了ccd成像仪的拍摄及测量精度，又能防止因光强过强而损坏ccd成像仪。

（6）本发明的一种太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统能够应用于不同聚光面积的太阳能聚光系统的光斑相对光强分布的测量。

附图说明

图1光斑呈现器前面板、后面板示意图。

图2光斑呈现器竖切面、横切面示意图。

图3太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统示意图。

图4实施例中太阳能聚光光斑相对光强分布测量图。

具体实施方式

为了更加清楚的说明本发明，下面将结合附图及实施例对本发明进行详细描述。应当理解，下面的实施例是为了更加清楚的说明本发明，并不限定本发明的内容。

本实施例的一种太阳能聚光光斑相对光强分布测量系统由光斑呈现器、水冷系统、光斑测量器及辅助器件组成。

本实施例的光斑呈现器由辅助支架将其固定在聚光系统的有效焦点位置，用于将太阳能聚光光斑的相对光强分布呈现出来。所述光斑呈现器由前面板、金属泡沫、侧面挡板、后面板、冷却水入口管、冷却水出口管构成，同时兼备光能接收及光斑呈现功能。光斑呈现器的结构参考图1、图2。

本实施例的前面板的材质为金属铜，具有很好的热传导性能。前面板的表面经过特殊处理，具有一定的灰度，具有均匀漫反射性能。前面板的表面具有一定的灰度，是为了吸收一部分入射光能而只反射一部分光能（即控制前面板表面的反射率），以免因反射光强度太高而影响呈现效果；前面板的表面具有均匀漫反射性能，是为了更好的呈现光斑相对光强分布情况。所述前面板为圆柱体，圆柱体的半径r为150mm，圆柱体的高h（即前面板的厚度）为1mm。

本实施例的金属泡沫的材质为金属铜，具有很好的热传导性能。金属泡沫也为圆柱体，其半径与前面板的半径尺寸一致为150mm，圆柱体的高（即金属泡沫的厚度）为10mm。金属泡沫的底面紧贴前面板的底面。

本实施例的后面板及侧面挡板的材质为金属铜，具有很好的热传导性能。后面板也为圆柱体，其半径与前面板的半径尺寸一致为150mm，圆柱体的高（即后面板的厚度）为1mm，侧面挡板的厚度也为1mm。后面板的底面紧贴金属泡沫的底面，侧面挡板紧贴金属泡沫的侧面，使得金属泡沫形成封闭的圆柱体空间，便于冷却水通过；前面板接收到的热量快速传递到金属泡沫，金属泡沫与其空隙中快速流过的冷却水发生热交换作用，金属泡沫将热量传递给冷却水，并由冷却水将热量迅速带走，使得整个光斑呈现器保持在较低温度下，防止光斑呈现器因高温而形变或损坏。

本实施例的冷却水入口管位于后面板的一端，通过后面板与金属泡沫空间连通，便于冷却水进入金属泡沫。冷却水入口管的数目为3个，是为了使得冷却水更加均匀的流过金属泡沫，使得前面板的表面温度更加均匀。

本实施例的冷却水出口管位于后面板的另一端，通过后面板与金属泡沫空间连通，便于冷却水经过金属泡沫后带着热量流出。冷却水出口管的数目与冷却水入口管数目一致，也为3个，是为了使得冷却水更加均匀的流过金属泡沫，使得前面板的表面温度更加均匀。

本实施例的冷却水系统是为了控制光斑呈现器的温度，使得其在较低温度下运行，防止因温度过高而发生形变或损坏。冷却水系统由水冷机、冷却水管、流量计、阀门等组件组成。水冷机提供持续的冷却水，冷却水通过冷却水管再经冷却水入口管进入光斑呈现器，与光斑呈现器发生热交换作用吸收光斑呈现器热量后，再经冷却水出口管及冷却水管回到水冷机，冷却后再重新进入光斑呈现器，周而复始形成循环冷却水系统。

本实施例的光斑测量器由ccd成像仪和电脑等附件构成，ccd成像仪由辅助支架固定在测量位置，用于测量光斑呈现器上的光斑相对光强分布，并将测量图片及数据传输到电脑上，通过电脑分析处理及存储，从而得出聚光光斑相对光强分布的精确数据。附图3为光斑相对光强分布测量系统结构示意图。

在本实施例中，对碟式聚光光伏系统的光斑性能测量过程如下：

（1）将碟式聚光光伏系统的聚光镜转到背光位置，以防在设备安装调试过程中灼伤人员及设备，完成聚光光斑相对光强分布测量系统的安装准备工作。在本实施例中，碟式聚光光伏系统的聚光镜的有效聚光面积为3.4*3.4m²，有效焦距（即聚光镜中心点位置到聚焦光斑中心点的位置）为2m。

（2）由辅助支架将光斑呈现器置于待测碟式聚光光伏系统的聚焦光斑位置，并调整光斑呈现器，使得碟式聚光镜的旋转对称轴与光斑呈现器的前面板垂直，且过光斑呈现器前面板的中心位置，并保证聚光光伏系统在运转过程中光斑呈现器相对于聚光镜的相对位置固定。

（3）将冷却水管分别连接到光斑呈现器的冷却水入口管和冷却水出口管上，开启水冷机，开通阀门，使得冷却水系统处于正常工作状态。在本实施例中，流过光斑呈现器的冷却水的流量为10l/min，能够保证在正常工作下光斑呈现器表面的温度低于200^oc。

（4）由辅助支架将ccd成像仪固定在测量位置，参考图3，ccd成像仪的测量位置位于光斑呈现器的前面板一侧，且ccd成像仪的镜头的旋转对称轴与碟式聚光镜的旋转对称轴重合，距光斑呈现器的距离为1.5m，并保证聚光光伏系统在运转过程中ccd成像仪相对于光斑呈现器的相对位置固定，并开启ccd成像仪。

（5）开启碟式聚光光伏系统的逐日跟踪系统，使得碟式聚光光伏系统的聚光镜正对太阳，并在光斑呈现器上形成聚光光斑。通过电脑程序，测量碟式聚光光伏系统的聚光光斑光强相对分布情况，分析并存储聚光光斑相对光强分布测量数据。

（6）完成光斑相对光强分布测量后，将碟式聚光光伏系统的聚光镜转到背光位置，拆卸下ccd成像仪，关闭冷却水系统，拆卸下光斑呈现器，并将测量设备装箱，完成整个测量工作。

通过以上技术方案及操作步骤，就能准确测量出本实施例中的碟式聚光光伏系统的聚光光斑相对光强分布情况，测量结果如附图4所示。

结合附图4对测量结果进行分析，可以精确描述出碟式聚光光伏系统的聚光光斑的形状、尺寸及相对光强分布。在本实施例中，光斑呈现器的半径为150mm，对应ccd成像仪的成像尺寸为65μm，即实际尺寸与成像尺寸的比例为2300:1。在附图4中，可以观察到碟式聚光光伏系统的聚光光斑大致为正方形，在测量数据中的正方形边长为46μm，考虑到实际尺寸与成像尺寸的比例，正方形聚光光斑的实际边长为105mm，但光斑的形状并不是非常规则的正方形。以正方形光斑的中心位置为坐标原点建立坐标轴，可以将光斑上的不同位置坐标化。在附图4中，可以观察到在正方形光斑上有4个相对光强明显偏高的区域，这4个相对光强明显偏高的区域的中心位置坐标分别为：a（-5，25），b（-41，25），c（-35，30），d（-46，44）。在碟式聚光光伏系统正常运行过程中，这些相对光强明显偏高的区域处很容易出现光伏电池片损坏的情况。因此，本实施例中的碟式聚光光伏系统的聚光镜需要进一步调整，以使得聚光光斑的相对光强分布更加均匀，从而防止因部分区域相对光强过高而损坏接收器的光伏电池片，进而提升碟式聚光光伏系统的转换效率。

以上测量数据及分析结果，说明本发明的测量系统能够准确的测量出太阳能聚光光斑的相对光强分布情况，为太阳能聚光系统的性能提升提供有用的数据支持。