一种测定待测样品太阳能体吸收率的方法与流程

本发明涉及太阳能热发电领域，具体涉及一种测定待测样品太阳能体吸收率的方法。
背景技术：
：太阳能热发电技术得到越来越多的关注和发展，熔盐由于优良的热物性和传蓄热性能在太阳能热发电领域得到了广泛的应用。其中，利用熔盐直接作为吸热器(directreceiver)是一项非常有发展前景的技术。在太阳能发电技术中，通常都会有一个专门的吸热器，吸热后，将热量传递给传热介质(熔盐)，然后在回路中循环。现有技术中也可以将熔盐直接作为吸热器，此时，熔盐也是传热介质，那么此时的工作模式就变成了，熔盐吸收热量后，直接到回路中参与循环换热等过程，这样设计的好处是，设计简单、效率高、成本低等。由于使用了熔盐作为吸热器，因此有必要测定熔盐对太阳能的吸热能力如何，也就是它对太阳能热辐射的体吸收率。熔盐(或其它物质的待测样品)的体吸收率的定义为该物质吸收太阳能的百分率。在先前文献中尚未明确给出如何计算熔盐的体吸收率的方法，市场上也尚没有可以直接测定熔盐体吸收率的仪器设备。采用现在市场上的功率计来测定熔盐的体吸收率，从原理上来讲可行，但由于市售功率计的测定波长范围都较短，例如350-400nm、500-700nm等，而太阳光的辐射波长范围非常宽，其中，97％的能量分布在200-3000nm之间，所以市售功率计无法准确覆盖太阳能热辐射波段，现有的功率计不适用于测定熔盐体吸收率，测试结果有很大误差。技术实现要素：本发明目的是提供一种测定待测样品太阳能体吸收率的方法，根据需求计算不同波段范围内待测样品的体吸收系数，减小体吸收率的计算误差。为了实现上述目的，本发明提供一种测定待测样品太阳能体吸收率的方法，包括：步骤s1：采用光谱仪测量太阳的热辐射谱；步骤s2：采用吸收光谱装置测量待测样品的吸收谱；步骤s3：采用所述太阳的热辐射谱作为加权函数计算所述待测样品的吸收谱的平均值，得到待测样品的体吸收率av。所述步骤s1中的光谱仪为紫外-可见吸收光谱仪，且所述步骤s1还包括：将测量到的太阳的紫外-可见光波段的热辐射谱采用分布函数进行拟合，并将所得方程外推至太阳的热辐射谱的所有波段。所述采用分布函数进行拟合的方法包括数据处理软件origin中的gaussamp模式、gaussmod模式、gauss模式或voigt模式。所述方程为：其中，x是波数，单位为cm-1，y是相对能量，无量纲。所述吸收光谱装置包括位于同一光路上的光源、样品池和光谱仪，且所述光谱仪包括紫外-可见吸收光谱仪和红外光谱仪。所述步骤s2中的待测样品的吸收谱的测量范围是50000-3000cm-1。所述步骤s2中待测样品的吸收谱在200℃-400℃下测量。所述步骤s3包括：步骤s31：将太阳的热辐射谱和待测样品的吸收谱的各个数据点的数据相乘得到待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线，并将太阳的热辐射谱与该待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线重合，得到体吸收率计算示意图；步骤s32：计算太阳的热辐射谱的总面积e0；步骤s33：计算待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线的总面积ei；步骤s34:计算待测样品吸收的太阳辐射能量分布曲线的总面积e0-ei；步骤s35：利用太阳的热辐射谱的总面积e0和待测样品吸收的太阳辐射能量分布曲线的总面积e0-ei计算待测样品的体吸收率av。所述待测样品的体吸收率av为av＝(e0-ei)/e0*100％，其中，e0为太阳的热辐射谱的总面积，ei为待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线的总面积。所述待测样品为常温或高温液态物质。本发明的测定待测样品太阳能体吸收率的方法基于测量辐射源的辐射光谱和吸收物质的吸收谱来计算待测样品太阳能体吸收率，该方法能通过上述两种谱线准确覆盖太阳能热辐射波段，可以得到50000-3000cm-1波段范围内太阳光的能量(太阳能)，可以根据需求待测样品对太阳能热辐射的体吸收率。此外，本发明采用现有紫外-可见光谱仪并使用拟合的办法模拟太阳能热辐射谱得到一条光滑曲线，并且利用赋值的办法可以得到更长波段范围内的模拟谱曲线，其通过扩大用于计算的曲线范围以进一步减小未覆盖太阳能热辐射波段所带来的误差。附图说明图1a是太阳光能量分布及其gaussamp模式拟合结果图；图1b是太阳光能量分布及其gaussmod模式拟合结果图；图1c是太阳光能量分布及其gauss模式拟合结果图；图1d是太阳光能量分布及其voigt模式拟合结果图；图2是300℃下厚度10mm的hts吸光率曲线；图3a-图3c是hts体吸收率的计算示意图。具体实施方式下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。本发明基于以下两个参数计算待测样品的体吸收率：第一：辐射源的辐射光谱，在该太阳能发电领域中，即是太阳的热辐射谱；第二：吸收物质的吸收谱，在该体系中，即是熔盐的吸收谱。然后再通过相应的计算获得体吸收率。由此，本发明提供了一种测定待测样品太阳能体吸收率的方法，其具体包括以下步骤：步骤s1：测量太阳的热辐射谱。采用紫外-可见光谱仪来测量太阳的热辐射谱，即太阳辐射能量分布曲线，并采用高斯拟合方法拟合测量到的太阳的热辐射谱，得到拟合方程并外推。虽然很多文献中都有太阳的热辐射谱，但对于我们计算体吸收率是无法使用的，因为，我们不知道具体的每一波长或波数(波长与波数是倒数关系)对应的辐射谱强度数值(即光强，某一波数被光谱仪检测到的光子数量)，因此需要采用紫外-可见吸收光谱仪来测量太阳的热辐射谱。本实施例中采用的紫外-可见吸收光谱仪为海洋光学公司出品，型号为qe65pro。使用时，将紫外-可见吸收光谱仪的入光口对准太阳，太阳光经光纤进入紫外-可见吸收光谱仪内部，被光谱仪的色散元件分光后，再经由光谱仪的感光元件(例如：光电倍增管或ccd等)将光信号转变为电信号经由电脑的光谱采集软件进行相关处理转换为可以显示的光谱图，将光谱采集软件设置为重复次数为10，积分时间为100ms，获得的该条件下太阳的热辐射谱如图1中的实线所示。由于大气中含有水、氧、二氧化碳等多种组分，在紫外-可见波段都有一定的吸收峰，因此，实际测定的太阳热辐射谱为锯齿状(不是光滑的曲线)，这对后面的积分计算带来一定的困难，此外，由于在本实施例中所采用的紫外-可见吸收光谱仪的性能限制，只能测量50000-13000cm-1波数范围内的太阳辐射光谱，而太阳辐射能量在13000-3000cm-1波数范围内仍有能量分布，这就导致计算无法涵盖13000cm-1以下波段熔盐的吸收率，进而使计算出现偏差或者说，计算不够准确。因此步骤s1还需要包括：测量到的太阳的紫外-可见光波段的热辐射谱采用分布函数进行拟合，并将所得方程并外推至太阳的热辐射谱的所有波段(即13000-3000cm-1)。上述采用分布函数进行拟合的方法具体是电脑的数据处理软件‘origin’中的gaussamp模式，用于对太阳热辐射谱进行拟合计算，得到一条光滑曲线(如图1a中虚线所示)和一个方程，所述方程为：其中，x是波数，单位为cm-1，y是相对能量，无量纲。此外，该采用分布函数进行拟合的方法还可以包括其它模式如‘origin’中的gaussmod模式(如图1b所示)、gauss模式(如图1c所示)或voigt模式(如图1d所示)。它们均能取得不错的拟合曲线，对包括gaussamp拟合的四种拟合方法(gaussamp、gauss、gaussmod、voigt)进行评判，评判标准如下：以真实带毛刺的太阳能量分布曲线计算其在50000-10000cm-1范围内的太阳能量为e0，再进行函数拟合，按照拟合函数以全波长90％透过率计算拟合函数后求得ei，由ei与e0计算能量吸收率，观察哪种拟合方式与剩下的10％最为接近。结果如下：可知gaussamp方法与真实值偏差最小，因此采用gaussamp方法进行拟合。步骤s2：测量待测样品的吸收谱。具体是采用吸收光谱装置测量300℃条件下待测样品在50000-3000cm-1范围内的吸收光谱，如图2所示。其中，整个吸收光谱装置包括位于同一光路上的光源、样品池和光谱仪，所述光谱仪包括紫外-可见吸收光谱仪和红外光谱仪，且在本实施例中所述光源为太阳，所述待测样品为熔盐样品，优选为53％kno3-7％nano3-40％nano2(简称，hts)。hts盐吸光率的测定是同时使用了吸收光谱装置中的紫外-可见吸收光谱仪测量50000-10000cm-1范围的紫外-可见吸收谱和红外光谱仪测量的10000-3000cm-1范围内的红外吸收谱，是真实测量的结果，没有拟合也没有外推。此外，待测样品的吸收谱在200℃-400℃均可以测量，按照上述步骤s2测量得到的不同温度时hts50000-3000cm-1能量吸收率如下表：温度(℃)能量吸收率(％)20024.9030023.5640023.09步骤s3：采用太阳的热辐射谱作为加权函数计算待测样品的吸收谱的平均值，得到待测样品的体吸收率av。由于体吸收率是一个和能量相关的参数，因此，体吸收率中的横坐标都使用波数(cm-1)，辐射谱则使用相对能量作为纵坐标，如果是吸收谱则使用透过率(transmittance)作为纵坐标。假定太阳的初始能量(没有被熔盐吸收前)为e0，被熔盐样品吸收的能量为e0-ei，那么体吸收率av可以表示为：av＝(e0-ei)/e0*100％其中，m为摩尔数(mol)，也就是6.02*1023个光子，h为普朗克常数(j·s)，c为光速(m/s)，v为波数(cm-1)。基于上述原理，步骤s3具体包括：步骤s31：将图1a的太阳的热辐射谱(即太阳辐射能量分布曲线)和图2的待测样品吸收率曲线即吸收谱的各个数据点的数据相乘得到待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线，并将图1中的太阳辐射能量分布曲线与该待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线重合，得到如图3a-图3c所示的体吸收率计算示意图。步骤s32：计算体吸收率的前述计算示意图中的太阳的热辐射谱的总面积e0。在该图中，e0的物理意义是，用微积分的概念来解释：在50000-3000cm-1范围内，每一dv波数对应的能量强度(hcdv)乘以该波数光子的数量(m)，再将该波段范围所有波数对应的强度累加起来的总和就是该波段太阳的热辐射能，从数学的角度来说，即为太阳的热辐射谱(图3a-3c中实线)与v＝3000，v＝50000以及e＝0所围成图形的面积(s0)，如图3a灰色部分。步骤s33：计算体吸收率的前述计算示意图中的待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线的总面积ei。ei的物理意义和e0类似，不同的地方是，此时ei所表示的面积是由待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线(图3a-3c中虚线)与v＝3000，v＝50000以及e＝0所围成图形的面积(si)，如图3b阴影部分。步骤s34:计算待测样品吸收的太阳辐射能量分布曲线的总面积e0-ei；即为太阳的热辐射谱(图3a-3c中实线)与待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线(图3a-3c中虚线)所围成图形的面积(s0-si)，如图3c中阴影部分；步骤s35：利用太阳的热辐射谱的总面积e0和待测样品吸收的太阳辐射能量分布曲线的总面积e0-ei计算待测样品的体吸收率av。av＝(e0-ei)/e0*100％，其中，e0为太阳的热辐射谱的总面积，ei为待测样品吸收后太阳辐射能量分布曲线的总面积。以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。例如，紫外-可见吸收光谱仪可以采用除了海洋光学，步骤s2的光源可以从太阳换成其它光源，待测样品可以由熔盐样品换成任何常温或最高温度可以达到800℃的高温液态物质。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。当前第1页12