聚光器吸热管表面辐射能流密度的检测方法
发布时间：2021-07-30 19:13
提出一种基于CCD相机和双朗伯靶的能流均匀性测量系统和方法。系统有两块朗伯靶,其中一块是固定的水冷朗伯靶,靶中心开孔处装有一个用来获得区域灰度值的热流探测器,另一块是可移动朗伯靶,用于拍摄没有探测器的光斑图像。所提方法可以直接获得探测器区域的像素灰度值,使得测量过程简单精确。详细阐述了测量原理和聚焦光斑灰度图像能流密度分布提取的整个过程,并搭建了平台,测量了多块小型定日镜的光斑能流分布,验证了所提方法的正确性和可行性。通过重复性实验和误差分析,结果表明,所提方法检测的峰值能流密度误差小于2.4%,所提方法可用于线性菲涅耳聚光系统二次聚光器开口平面处吸热管表面的能流分布检测。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(19)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
LFR系统集热管表面光斑能流分布测量装置
图2为基本测量原理图，其中r为接收靶到相机的距离，ε为像元i相对于相机入瞳的张角。太阳光经镜场中一次反射镜反射后聚焦在朗伯靶上，用CCD相机拍摄靶面上的光斑图像，其中AR是相机光圈的面积。对于CCD相机像素面上的任意一个像元i，假设该像元与接收靶上的小面积元AR,i（单位为m2）对应，小面积元AR,i从镜场反射镜上接收到的辐照度为ER,i（单位为W/m2）。因此只要将像元i记录的像素灰度值PCCD,i变换成接收靶上小面积元AR,i所处位置从镜场接收到的辐照度ER,i，就可以得到接收靶上的能流。由于接收靶表面具有漫反射属性，而且相机响应和光斑亮度呈线性关系，因此各个方向的靶面亮度与反射到朗伯靶表面的能流密度是呈比例的。假设对应的CCD相机中热流传感器的像素数是N，则比例因子k可以表示为
在测试之前，首先对朗伯靶表面的反射特性和CCD相机镜头进行严格标定，使得在整个系统的测量过程中靶面均匀性保持一致。通过对朗伯靶表面各个位置区域的光斑亮度进行多次标定测量，保证CCD相机在远场测量时所拍摄到的靶面各个区域位置的光斑亮度是均匀分布的。同时也为了保证光斑灰度值的线性响应，测量了单个定日镜和多个定日镜分别作业时的光斑灰度值，确定了测量时灰度值的线性响应。标定测试如图5所示，测试标定结果如表1所示。在不同的时间段（不同的季节、每天不同的时间段），光的响应强度是不同的。为了使CCD像元信号强度在任意时间段保持线性响应，测量时在CCD镜头前再放置一块衰减片（减光片）以保证在不同时间段强光下的CCD像元信号响应在光谱响应特性范围内是线性的，从而不会影响到测量的结果。在实验中，一块普通透镜的透光率为92%，随后在透镜上加入衰减片，透光率从加入1块衰减片的17%变到2块衰减片的6%。测试的衰减片透光率如图6所示，可以看出，衰减片光学性质稳定，呈线性变化，能够很好地保证CCD像元信号的线性响应。
【参考文献】：
期刊论文
[1]菲涅尔透镜聚焦光斑能流密度分布检测方法[J]. 王进军,王侠. 半导体光电. 2016(06)
[2]Heat Transfer Enhancement in a Parabolic Trough Solar Receiver using Longitudinal Fins and Nanofluids[J]. Amina Benabderrahmane,Miloud Aminallah,Samir Laouedj,Abdelylah Benazza,J.P.Solano. Journal of Thermal Science. 2016(05)
[3]线性菲涅尔式聚光系统的镜场布置与优化[J]. 王成龙,马军,范多旺. 光学精密工程. 2015(01)
[4]塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法[J]. 肖君,魏素,魏秀东,任兰旭,卢振武. 光学学报. 2015(01)
[5]一种大聚光比聚集太阳能流密度分布的红外反射测量法[J]. 戴贵龙,郭永辉. 光学学报. 2014(07)
[6]线性菲涅耳反射聚光器聚焦光斑能流密度分布的计算[J]. 赵金龙,李林,崔正军,陈洪晶,熊勇刚,马晓辉,刘国军. 光学学报. 2012(12)
[7]基于CCD的聚焦光斑能流密度分布测量系统的研制[J]. 戴景民,刘颖,于天河. 光电子.激光. 2008(11)
[8]聚光器聚焦光斑能流密度分布的测量与分析[J]. 戴景民,刘颖. 应用光学. 2008(06)
[9]抛物面型聚光器聚焦光斑能流密度分布的计算[J]. 刘颖,戴景民,孙晓刚. 太阳能学报. 2007(10)
[10]旋转抛物面聚光器焦面能流分布的有限元分析[J]. 刘颖,戴景民,郎治国,辛春锁. 光学学报. 2007(10)
本文编号：3311967
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(19)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
LFR系统集热管表面光斑能流分布测量装置
图2为基本测量原理图，其中r为接收靶到相机的距离，ε为像元i相对于相机入瞳的张角。太阳光经镜场中一次反射镜反射后聚焦在朗伯靶上，用CCD相机拍摄靶面上的光斑图像，其中AR是相机光圈的面积。对于CCD相机像素面上的任意一个像元i，假设该像元与接收靶上的小面积元AR,i（单位为m2）对应，小面积元AR,i从镜场反射镜上接收到的辐照度为ER,i（单位为W/m2）。因此只要将像元i记录的像素灰度值PCCD,i变换成接收靶上小面积元AR,i所处位置从镜场接收到的辐照度ER,i，就可以得到接收靶上的能流。由于接收靶表面具有漫反射属性，而且相机响应和光斑亮度呈线性关系，因此各个方向的靶面亮度与反射到朗伯靶表面的能流密度是呈比例的。假设对应的CCD相机中热流传感器的像素数是N，则比例因子k可以表示为
在测试之前，首先对朗伯靶表面的反射特性和CCD相机镜头进行严格标定，使得在整个系统的测量过程中靶面均匀性保持一致。通过对朗伯靶表面各个位置区域的光斑亮度进行多次标定测量，保证CCD相机在远场测量时所拍摄到的靶面各个区域位置的光斑亮度是均匀分布的。同时也为了保证光斑灰度值的线性响应，测量了单个定日镜和多个定日镜分别作业时的光斑灰度值，确定了测量时灰度值的线性响应。标定测试如图5所示，测试标定结果如表1所示。在不同的时间段（不同的季节、每天不同的时间段），光的响应强度是不同的。为了使CCD像元信号强度在任意时间段保持线性响应，测量时在CCD镜头前再放置一块衰减片（减光片）以保证在不同时间段强光下的CCD像元信号响应在光谱响应特性范围内是线性的，从而不会影响到测量的结果。在实验中，一块普通透镜的透光率为92%，随后在透镜上加入衰减片，透光率从加入1块衰减片的17%变到2块衰减片的6%。测试的衰减片透光率如图6所示，可以看出，衰减片光学性质稳定，呈线性变化，能够很好地保证CCD像元信号的线性响应。
【参考文献】：
期刊论文
[1]菲涅尔透镜聚焦光斑能流密度分布检测方法[J]. 王进军,王侠. 半导体光电. 2016(06)
[2]Heat Transfer Enhancement in a Parabolic Trough Solar Receiver using Longitudinal Fins and Nanofluids[J]. Amina Benabderrahmane,Miloud Aminallah,Samir Laouedj,Abdelylah Benazza,J.P.Solano. Journal of Thermal Science. 2016(05)
[3]线性菲涅尔式聚光系统的镜场布置与优化[J]. 王成龙,马军,范多旺. 光学精密工程. 2015(01)
[4]塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法[J]. 肖君,魏素,魏秀东,任兰旭,卢振武. 光学学报. 2015(01)
[5]一种大聚光比聚集太阳能流密度分布的红外反射测量法[J]. 戴贵龙,郭永辉. 光学学报. 2014(07)
[6]线性菲涅耳反射聚光器聚焦光斑能流密度分布的计算[J]. 赵金龙,李林,崔正军,陈洪晶,熊勇刚,马晓辉,刘国军. 光学学报. 2012(12)
[7]基于CCD的聚焦光斑能流密度分布测量系统的研制[J]. 戴景民,刘颖,于天河. 光电子.激光. 2008(11)
[8]聚光器聚焦光斑能流密度分布的测量与分析[J]. 戴景民,刘颖. 应用光学. 2008(06)
[9]抛物面型聚光器聚焦光斑能流密度分布的计算[J]. 刘颖,戴景民,孙晓刚. 太阳能学报. 2007(10)
[10]旋转抛物面聚光器焦面能流分布的有限元分析[J]. 刘颖,戴景民,郎治国,辛春锁. 光学学报. 2007(10)
本文编号：3311967
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