太阳能塔式吸热器开口平面上热流分布的测量方法

摘要

一种太阳能塔式吸热器开口平面上热流分布的测量方法，其特征在于，在吸热器开口平面上选择一个矩形区域边界，所述的矩形区域边界包含吸热器开口平面的物理边界；将吸热器开口平面的矩形区域划分成矩形网格，取水平网格线的方向为X轴方向，取上下网格线方向为Y轴方向，并在矩形区域边界上的网格点上布置热流计；热流计通过数据采集仪以一定频率同步地测量并采集所述的矩形区域边界上的热流密度值，通过插值重建吸热器开口平面上的热流密度分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量太阳能塔式吸热器开口平面上热流密度分布的方法。

背景技术

在太阳能塔式聚光集热系统中，吸热器一般放置在太阳塔的顶端，太阳塔一侧地面上是众多的定日镜，这些定日镜能自动跟踪太阳，形成聚光场，都把入射太阳光反射向吸热器的接收面。当然，也有的吸热器是放置在地面上，安装在塔顶的大型二次反光镜把来自聚光场的汇聚太阳光，再次反射向地面吸热器的开口。

吸热器开口是太阳能塔式聚光集热系统能量流的一个天然界面，既是聚光场能量流的出口，也是吸热器能量流的入口，因而有必要测量和表征吸热器开口平面上的热流密度分布，这对评价聚光场的光学性能以及分析吸热器的吸热效率都很重要。

然而，太阳能塔式聚光的特点是在吸热器接收面上的高聚光比，高聚光热流密度，以及伴生的聚光高温，因而给吸热器开口平面上热流密度的测量和表征带来难度。

测量吸热器开口平面上的能流密度分布有三大类，第一类是直接法，第二类是间接法，第三类是直接法与间接法相结合的混合法。

直接法是在吸热器开口平面上按一定间隔行列布置一些热流计，测得到吸热器开口平面上阵列采样点处的热流密度值；或者通过平移或旋转机构，带动安装着线阵列热流计的耐高温杆件，快速从吸热器开口平面上掠过，并以一定的采样频率获取吸热器开口平面上各热流计经过位置的热流密度测量值。对阵列式热流计测量法，各热流计要在较长的时间暴露在高强度热流中，因此需要用循环水冷却；而对于线阵列热流计扫掠式测量法，线阵列热流计扫掠时间短，可以不用循环水冷却。由于短时间内吸热器开口的热流密度变化甚小，因此线阵列热流计扫掠式测量法是合理的，相比阵列式热流计测量法应用更为普遍。参见文献“Anon-water-cooled heat flux measurement system under concentrated solar radiationconditions”(Jesus Ballestrin.Solar Energy，第73卷，2002年第3期159-168)中的线阵列热流计扫掠式测量法。

间接测量法需要使用移动的朗伯靶、CCD相机和参考热流计，即驱动机构带动朗伯靶平行扫掠过吸热器开口平面，光斑图像采集系统控制着CCD相机不断拍摄漫反射效果良好的朗伯靶上的光斑图像。光斑图像每个像素的灰度值对应于吸热器开口平面上相应点处的热流密度值。根据朗伯靶的漫反射特性，吸热器开口平面上的热流密度值应该与光斑图像采集系统获得的图像灰度值成正比，这个比例系数通过布置在吸热器开口平面上的某个固定位置的参考热流计来确定。由于参考热流计要长时间处在吸热器开口平面的高热流照射中，必须用循环水作冷却，以保持其在稳定的工作温度范围内。当然，采集到的光斑图像除了需要通过参考热流计作热流密度的线性标定之外，为了得到更准确的热流分布测量结果，还需要作其他的校正，如参考热流计的误差、参考热流计的温度漂移以及CCD本身的非线性相应特性等。

对口径很小的吸热器，可以使用一个能覆盖吸热器开口的方形朗伯靶，朗伯靶快速移动到吸热器开口位置，短暂停留，待CCD相机采集一帧光斑图像完毕后，再快速移开。参见文献“A non-water-cooled heat flux measurement system under concentrated solarradiation conditions”(Jesus Ballestrin.Solar Energy，第73卷，2002年第3期159-168)中的实验用朗伯靶。

对开口较大的吸热器，为了减轻朗伯靶的重量和变形，选用长条形的板状朗伯靶。在测量吸热开口平面上的热流分布时，条形朗伯靶在驱动机构的带动下，平行于吸热器开口平面从吸热器开口的一边扫掠向另一边，期间光斑图像采集系统连续采集多帧朗伯靶上的光斑图像。之后，通过光斑图像处理由这些序列图像合成完整的吸热器开口平面上的光斑图像。参见文献“Calibration corrections of solar tower flux density measurements”(Steffen Ulmer等人.Energy，2004年第29卷.925-933)中涉及的移动朗伯靶热流分布测量系统。

热流密度分布的直接测量法的优点是实时和准确，但是所测热流密度分布的空间分辨率不高。而间接测量法测得的吸热器开口平面热流分布的空间分辨率高。为此，欧洲专利EP1538429A2介绍的方法是，把线阵列热流计扫掠式测量法与朗伯靶间接测量法结合起来，成为吸热器开口平面上热流分布的测量整体，这便是第三种混合测量法。混合测量法，既利用了直接测量法测量值(热流密度值)准确的特点，也利用了朗伯靶间接测量法空间分辨率高的特点(所测热流分布的空间分辨率取决于CCD的分辨率)，两种方法同时使用，也可以相互校验测量结果的可靠性。文献“Hybrid heat flux measurement system for solar centralreceiver evaluation”(J.Ballestrin，R.Monterreal.Energy，2004年第29卷.915-924)也介绍了该专利。

然而，对兆瓦级以上的太阳能塔式聚光热发电系统，吸热器的开口尺寸都在5米以上。如目前世界上的第一个商业化太阳能塔式热发电站，位于西班牙塞维利亚的PS10，总功率为11MWe，塔顶的腔式吸热器的开口尺寸是11米宽11米高。要在大型吸热器的开口平面上安装热流分布测量装置尤为困难，须要经受高温、高热流密度和大尺寸的重力变形等的考验。现有的吸热器开口平面热流分布测量方法，无论是直接测量法，还是间接测量法，都不能满足需要。

为了克服如上的测量困难，以及减少吸热器开口热流分布测量过程对吸热器正常运行的影响，美国专利US20090250052给出了另外一种新的间接测量方法，该方法只针对吸热面外置的吸热器或者平板吸热器，把一些耐高温且具有良好漫反射特性的反射片有规律地或者随机地布置在吸热器的吸热面上，形成离散的朗伯靶，并用CCD相机和参考热流计获得吸热面上采样点处的热流密度值，进而通过插值的方式得到吸热器的吸热面上的热流分布图。该专利中，为了减轻离散的朗伯靶对吸热面的遮挡，要求总的反光片的面积不超过吸热面总面积的1％。在该专利中指出，可以在反光片的涂层中加入微尺度球形陶瓷颗粒等，以提高反射率；也可以在反光片上加对波长有选择性的涂层，以调节反光片反射率和吸热率。

但是，专利US20090250052介绍的方法显然不适用于包括腔式吸热器在内其他吸热器。另外，该种热流分布测量方法对反光片的要求尤为苛刻，不像前面介绍的直接法和间接法，该专利方法目前很少有人使用。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，针对开口尺寸在2米以上的太阳能聚光吸热器，尤其是大开口尺寸的吸热器，提供一种简单、快速的测量表征吸热器开口平面上瞬时热流分布的方法，且无需在吸热器的开口平面内采集热流密度。本发明既避开了吸热器开口平面中央区域的高温和高热流密度，也不会对吸热器开口的入射热流产生遮挡。当整个聚光场或部分聚光场同时向吸热器开口聚集太阳辐射能量时，本发明能实时的测量估计吸热器开口平面上的入射热流分布。

本发明利用太阳能塔式聚光的特点，即当聚光场中大量的定日镜同时向吸热器开口平面聚集太阳光时，在吸热器开口平面上的入射热流分布是中央强边缘弱，呈现接近圆形的椭圆形高斯分布特征，因此可以根据二元高斯分布密度函数的性质，在吸热器开口的四周边界上按照布置一圈热流计，再通过吸热器开口边界上热流密度的测量值，通过插值重建吸热器开口平面上的热流密度分布。

本发明在吸热器开口边界上采用直接测量的方法，在吸热器开口的四周边界上布置的热流计的位置是固定不动的；在吸热器开口平面的内部区域，没有直接的热流密度测量值，需要通过边界插值重建的方式预测估计，因此本发明属于间接测量方法的范畴，但是又截然不同于现有技术的热流分布间接测量法。

根据专著《网函数插值理论及其应用》(邱佩璋、陈启宏，上海科学技术出版社，2004年7月)中的说明，二元高斯分布密度函数完全由其矩形边界函数值确定，即限制在矩形区域内二元高斯分布密度函数可以由其区域边界上的函数值准确插值重建。记二元高斯分布密度函数为f(x，y)，则f(x，y)在矩形区域上的插值重建的数学原理如下：

设P1、P2、P3和P4是矩形边界的4个角点，且边界P1P2和P4P3与X坐标轴平行，边界P2P3和P1P4与Y坐标轴平行；Q＝(x，y)是矩形区域内的当前点，Q2和Q4分别是Q在矩形区域边界P2P3和P1P4上的X方向投影点，Q1和Q3分别是Q在矩形区域边界P1P2和P4P3上的Y方向投影点，A1、A2、A3和A4是与当前点Q对应的4个子矩形区域的面积。令S(x，y)＝ln(f(x，y))，则f(x，y)＝f(Q)完全可以由包含4个边界角点在内的8个区域边界点确定，即

$\left(\begin{array}{c}S\left(Q\right)=\underset{k=1}{\overset{4}{\Sigma }}\frac{A_k+A_{k+1}}{A}S\left(Q_k\right)-\underset{k=1}{\overset{4}{\Sigma }}\frac{A_k}{A}S\left(P_k\right)\\ f\left(Q\right)=\exp \left\{S\left(Q\right)\right\}\end{array}\right),---\left(1\right)$

式中：$A_1=A_5=({\bar{x}}_1-x)({\bar{y}}_1-y),$$A_2=(x-{\bar{x}}_0)({\bar{y}}_1-y),$$A_3=(x-{\bar{x}}_0)(y-{\bar{y}}_0),$$A_4=({\bar{x}}_1-x)(y-{\bar{y}}_0),$$A=({\bar{x}}_1-{\bar{x}}_0)({\bar{y}}_1-{\bar{y}}_0)=A_1+A_2+A_3+A_4.$

可见，如果把X-Y平面的矩形区域看作太阳能塔式聚光集热系统中吸热器的开口平面，在P1、P2、P3、P4和Q1、Q2、Q3、Q4这8个区域边界位置布置热流计，则吸热器开口平面内Q点处的热流密度值就可以通过计算式(1)估计出来。

本发明热流分布测量方法如下：

1.在吸热器开口平面的矩形区域边界上布置一圈热流计。选取吸热器开口平面的矩形区域，包含吸热器的开口区域，把吸热器开口平面的矩形区域划分成矩形网格，矩形区域边界上的网格点位置就是各个热流计的布置位置。根据吸热器开口平面上热流分布的非均匀特性，最好采用非均匀的网格，即中央区域的网格密，边缘区域的网格疏。若矩形网格细密，则可以保证测量结果高空间分辨率，但是热流计的数量就要增多，这样测量的成本就会增大，因此实际测量中需要在热流计的数量和总的测量成本之间找平衡。

2.进行吸热器开口平面上热流密度分布的实时测量估计。各个热流计通过数据采集仪以一定频率同步地采集矩形区域边界上的热流密度值，并传输给PC机，PC机上的数据处理软件实时地生成吸热器开口平面上热流密度分布的数表，并绘制出热流密度分布图。进而也可以分析当前聚光场的聚光效率，或者计算出吸热开口平面上当前的能量输入。吸热器开口平面上热流密度分布可以分两步得到，第一步是根据矩形区域边界上的热流密度的测量值，通过计算式(1)插值得到吸热器开口区域内各网格点上的热流密度值；第二步是，进一步插值细化吸热器开口平面上热流密度分布的数表，以更高的空间分辨率显示热流密度分布图。第二步的细化插值的方法有很多，如双线性插值，双三次插值，及其他常用二维插值方法。

本发明具有如下特点：

第一，通过吸热器开口平面四周布置的一圈热流计实时地测量估计吸热器开口平面上的热流分布，进而还可以实时地评价聚光场的聚光效果和吸热器的吸热效率。

第二，本发明所述的热流分布测量方法，其基本假设是在太阳能塔式聚光集热系统中，吸热器开口平面上的热流密度分布接近某个二元高斯分布的密度函数。

第三，本发明所述的热流分布测量方法，有效地避免了在吸热器开口平面的高温高热流密度的中心区域，直接测量一些位置上的热流密度值，因而降低了热流分布测量的难度。

第四，本发明所述的热流分布测量方法，主要针对大开口尺寸的吸热器，如开口尺寸在2米以上，此时优点更为突出。

第五，本发明所述的热流分布测量方法，简单、快速、方便，且测量条件也容易满足。

本发明不仅可以用于太阳能塔式聚光集热系统中的吸热器开口平面上的热流密度分布的实时测量，还适用于碟式太阳能聚光器、太阳炉等点聚焦聚光器的焦平面上的热流分布的测量估计。

附图说明

图1是吸热器开口平面热流分布的测量方案，图中：1吸热器开口平面的物物理边界、2吸热器开口平面的矩形区域边界、3吸热器开口平面上的插值网格点、4热流计、5热流计的信号线、6数据采集仪、7PC机、8通讯和数据线、9吸热器开口平面上的各个插值网格点的X坐标标记、10吸热器开口平面上的各个插值网格点的Y坐标标记、11吸热器开口平面的物理边界上的位置参考点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明实施例是一个开口尺寸为2mx2m腔式吸热器。如图1所示，在吸热器开口平面的物理边界1的外围的矩形区域边界2上布置(M+N)x2＝44个热流计4，这里M＝N＝11；这些热流计4分别左右水平对应，上下垂直对应，自然地确定了吸热器开口平面上的插值网格点3。各个热流计的信号线5与数据采集仪6相连，数据采集仪6再通过通讯和数据线8连接PC机，PC机上安装热流密度分布数据处理的软件或计算程序。在图1中还示出了吸热器开口平面上的各个插值网格点3的X坐标标记9和Y坐标标记10。吸热器开口平面的物理边界1的位置参考点(左下角点)11的X-Y坐标记为(x^＊，y^＊)，吸热器开口平面上的各个热流计4的X-Y坐标与(x^＊，y^＊)的差，表示各个热流计在吸热器开口平面上的相对位置。

布置在吸热器开口平面物理边界1的外围的矩形区域边界2上的44个热流计实时地采集到当前对应位置的热流密度值，由此通过矩形区域边界插值重建的方式估计出吸热器开口平面上各个插值网格点3上的热流密度值，进而还可以细化插值，得到吸热器开口平面上更高空间分辨率的热流分布。

其中，由吸热器开口平面的矩形区域边界上的热流密度测量值，插值估计吸热器开口平面上各个插值网格点上的热流密度值的详细过程在下面给出。

①吸热器开口平面上的各个插值网格点3的X坐标和Y坐标的具体数值如下表，

②记录当前时刻吸热器开口平面的矩形区域边界上的各个热流计的(热流密度)读数，记为

{f_k}_{k＝1，2，3，…，2(M+N)}＝{f(x₀，y₀)，f(x₀，y₁)，…f(x₀，y_N)，f(x_M，y₀)，f(x_M，y₁)，…f(x_M，y_N)，

f(x₁，y₀)，f(x₂，y₀)，…，f(x_M-1，y₀)，f(x₁，y_N)，f(x₂，y_N)，…f(x_M-1，y_N)}

③对吸热器开口平面的矩形区域边界上的热流密度测量值{f_k}_{k＝1，2，3，…，2(M+N)}取对数，即

{S_k＝ln(f_k)}_{k＝1，2，3，…，2(M+N)}＝

{S(x₀，y₀)，S(x₀，y₁)，…S(x₀，y_N)，S(x_M，y₀)，S(x_M，y₁)，…S(x_M，y_N)，

S(x₁，y₀)，S(x₂，y₀)，…，S(x_M-1，y₀)，S(x₁，y_N)，S(x₂，y_N)，…S(x_M-1，y_N)}＝

{ln(f(x₀，y₀))，ln(f(x₀，y₁))，…ln(f(x₀，y_N))，

ln(f(x_M，y₀))，ln(f(x_M，y₁)，)…ln(f(x_M，y_N))，

ln(f(x₁，y₀))，ln(f(x₂，y₀))，…，ln(f(x_M-1，y₀))，

ln(f(x₁，y_N))，ln(f(x₂，y_N))，…ln(f(x_M-1，y_N))}

④反复运用公式(1)，得

f(x_i，y_j)＝exp(F₁(x_i，y_j)+F₂(x_i，y_j)-F₃(x_i，y_j))，i＝1，2，…，M-1＝10，j＝1，2，…，N-1＝10。

其中

$F_1(x_i,y_j)=\frac{x_M-x_i}{x_M-x_0}S(x_0,y_j)+\frac{x_i-x_0}{x_M-x_0}S(x_M,y_j)$

$F_2(x_i,y_j)=\frac{y_N-y_j}{y_N-y_0}S(x_i,y_0)+\frac{y_j-y_0}{y_N-y_0}S(x_i,y_N)$

$F_3(x_i,y_j)=\frac{x_M-x_i}{x_M-x_0}\frac{y_N-y_j}{y_N-y_0}S(x_0,y_0)+\frac{x_M-x_i}{x_M-x_0}\frac{y_j-y_0}{y_N-y_0}S(x_0,y_N)$

$+\frac{x_i-x_0}{x_M-x_0}\frac{y_N-y_j}{y_N-y_0}S(x_M,y_0)+\frac{x_i-x_0}{x_M-x_0}\frac{y_j-y_0}{y_N-y_0}S(x_M,y_N)$

⑤上面的②、③、④是由矩形区域边界插值重建方式测量估计吸热器开口平面上热流分布的核心步骤。进而还可以采用双线性插值法把吸热器开口平面上各个插值网格点上的热流密度值插值细化到X-Y方向上采样间隔都是0.01m的网格点上，以提高吸热器开口平面热流密度分布的计算空间分辨率。

⑥在时间间隔为0.1秒的时间序列上，重复②、③、④和⑤，便实现吸热器开口平面上热流分布的实时测量估计。