太阳能腔体接收器的聚焦辐射能流密度测量系统论文和设计-颜健

全文摘要

本实用新型公开了一种太阳能腔体接收器的聚焦辐射能流密度测量系统，包括腔体接收器、太阳辐射密度计、齿条、电机Ⅰ、电机Ⅱ、控制系统和数据采集仪；所述腔体接收器与电机Ⅰ的输出轴连接，腔体接收器与电机Ⅰ的输出轴同轴；所述的腔体接收器上安装有电机Ⅱ，所述的腔体接收器侧壁上沿着母线设有一通槽，通槽处设有齿条，齿条能够沿着腔体接收器的母线滑动；电机Ⅱ的输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合；齿条上安装有太阳辐射密度计，电机Ⅰ、电机Ⅱ分别与控制系统连接，控制系统和太阳辐射密度计分别与数据采集仪连接，数据采集仪、控制系统分别与数据处理器连接。本实用新型结构简单，操作方便，而且本实用新型采用单个太阳辐射密度计就可以测量整个腔体接收器；可以精确得将太阳辐射密度计空间位置与能流测量值进行结合，重构精度更高。

主设计要求

1.一种太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统，其特征是：包括腔体接收器、太阳辐射密度计、齿条、电机Ⅰ、电机Ⅱ、控制系统和数据采集仪；所述腔体接收器与电机Ⅰ的输出轴连接，腔体接收器与电机Ⅰ的输出轴同轴；所述的腔体接收器上安装有电机Ⅱ，所述的腔体接收器侧壁上沿着母线设有一通槽，通槽处设有齿条，齿条能够沿着腔体接收器的母线滑动；电机Ⅱ的输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合；齿条上安装有太阳辐射密度计，太阳辐射密度计伸入腔体接收器内，电机Ⅰ、电机Ⅱ分别与控制系统连接，控制系统和太阳辐射密度计分别与数据采集仪连接，数据采集仪、控制系统分别与数据处理器连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统，其特征是：还包括输出设备，数据处理器与输出设备连接。

3.根据权利要求2所述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统，其特征是：所述的电机Ⅰ安装在安装座的后端，安装座上安装有两个支撑辊，支撑辊的轴线平行于腔体接收器的轴线，腔体接收器支撑在两个支撑辊上。

4.根据权利要求3所述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统，其特征是：所述的腔体接收器的后端固定连接有连接轴，连接轴通过联轴器与电机Ⅰ的输出轴连接。

5.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统，其特征是：所述的腔体接收器侧壁上的通槽为矩形通槽，矩形通槽的两端处分别有一个滑轨，齿条安装在滑轨上，齿条朝向腔体接收器内的表面为圆弧表面，齿条的圆弧表面与腔体接收器的圆弧表面拼合成一整圆。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于聚光型太阳能热利用领域，特别是涉及一种太阳能腔体接收器的聚焦辐射能流密度测量系统。

背景技术

太阳能是清洁环保、供应充足和分布广泛的可再生能源。聚光太阳能热发电是开发和利用太阳能资源的一种重要技术，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的重要途径。聚光太阳能热发电系统(CSP)采用聚光器将太阳辐射能聚集在腔体接收器内，进而加热腔体接收器内部的吸热器并转换为流体工质的热能，然后通过热力循环过程驱动发电机组进行发电，它能与储热系统或常规火力发电站进行有机结合，从而实现连续、稳定的发电，这是其它可再生能源发电方式不可比拟的优势。

在CSP系统中，腔体接收器内部吸热器表面的聚焦辐射能流密度分布是光热转换的边界条件，其不仅影响光热转换效率，而且高密度且非均匀的能流分布特性还会影响吸热器的安全运行。因此，准确测量已建CSP系统中腔体接收器内吸热器表面的能流分布尤为重要，它是系统试运行的安全保障，也是聚光器镜面调节的重要依据。当前，现有技术中通常采用CCD相机测量简单平面接收器表面的聚焦辐射能流分布，而对腔体接收器内表面能流密度分布的测量关注较少。事实上，工程应用时更多的是采用腔体接收器，因为它能减小热损失和光学损失，从而有效提升系统的光-热-电转换效率。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种能够结构简单，操作方便，且能够将辐射密度计沿腔体接收器的圆周和轴向两个自由度方向进行三维连续扫描的太阳能腔体接收器内表面的聚焦辐射能流密度测量系统。

本实用新型所采用的技术方案是：一种太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统，包括腔体接收器、太阳辐射密度计、齿条、电机Ⅰ、电机Ⅱ、控制系统和数据采集仪；所述腔体接收器与电机Ⅰ的输出轴连接，腔体接收器与电机Ⅰ的输出轴同轴；所述的腔体接收器上安装有电机Ⅱ，所述的腔体接收器侧壁上沿着母线设有一通槽，通槽处设有齿条，齿条能够沿着腔体接收器的母线滑动；电机Ⅱ的输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合；齿条上安装有太阳辐射密度计，太阳辐射密度计伸入腔体接收器内，电机Ⅰ、电机Ⅱ分别与控制系统连接，控制系统和太阳辐射密度计分别与数据采集仪连接，数据采集仪、控制系统分别与数据处理器连接。

上述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统中，还包括输出设备，数据处理器与输出设备连接。

上述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统中，所述的电机Ⅰ安装在安装座的后端，安装座上安装有两个支撑辊，支撑辊的轴线平行于腔体接收器的轴线，腔体接收器支撑在两个支撑辊上。

上述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统中，所述的腔体接收器的后端固定连接有连接轴，连接轴通过联轴器与电机Ⅰ的输出轴连接。

上述的太阳能腔体接收器聚焦辐射能流密度测量系统中，所述的腔体接收器侧壁上的通槽为矩形通槽，矩形通槽的两端处分别有一个滑轨，齿条安装在滑轨上，齿条朝向腔体接收器内的表面为圆弧表面，齿条的圆弧表面与腔体接收器的圆弧表面拼合成一整圆。

本实用新型的工作原理如下：1）驱动电机Ⅱ带动齿条运动，使得太阳辐射密度计位于测量的起始点位置；2）聚光系统进行正常工作，控制系统按照预定的轨迹参数发出指令控制并驱动电机Ⅰ和电机Ⅱ，使太阳辐射密度计在腔体接收器内部进行扫描，并实时的将数据传输给数据采集仪；3）测量完成后数据采集仪将数据传输给数据处理器进行处理，这里是根据太阳辐射密度计的空间坐标和密度测量值进行三维重构腔体接收器内部的辐射能流密度分布。4）将测量结果输出至输出设备，进行显示或打印。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1）本实用新型采用单个太阳辐射密度计就可以测量整个腔体接收器；可以精确的将太阳辐射密度计空间位置与能流测量值进行结合，重构精度更高；

2）本实用新型结构简单，操作方便，而且测量后即可将不必要的装置全部拆除，不增加复杂度；本实用新型也可以直接用于平面接收器的测量，以及其他具有旋转对称型的结构，例如圆锥腔体和球形腔体接收器，只要是腔体接收器是旋转对称型，则热流计的导轨相应的改变为母线形式即可。

附图说明

图1为本实用新型的示意图。

图2为本实用新型的圆柱腔体接收器及其能流测量装置的三维轴测图。

图3为本实用新型的圆柱腔体接收器的局部特征结构图。

图4为本实用新型的滑动齿条及能流密度计的安装结构图。

图5为圆锥形腔体接收器的结构示意图。

图中：1—聚光器；2—腔体接收器；3—安装座；4—支撑辊；5—数据处理器；6—输出设备；7—数据采集仪；8—控制系统；9—电机Ⅰ；10—连轴器；11—连接轴；12—齿轮；13—电机Ⅱ；14—连接板；15—太阳辐射密度计；16—齿条；17—滑轨；18—通槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1-图4所示，本实用新型包括腔体接收器2、太阳辐射密度计15、齿条12、电机Ⅰ9、电机Ⅱ13、控制系统8和数据采集仪7。所述的腔体接收器2为圆筒形腔体，如图5所示，腔体接收器2还可以是圆锥形腔体。腔体接收器2用于接收聚光器1聚集的太阳辐射能量。腔体接收器2的后端固定连接有连接轴11，连接轴11通过联轴器10与电机Ⅰ9的输出轴固定连接，腔体接收器2与电机Ⅰ9的输出轴同轴；所示的电机Ⅰ9固定在安装座3的后端。

所述的安装座3通常是安装在与聚光器固结的支撑桁架上，安装座3上安装有两个支撑辊4，支撑辊4的轴线平行于腔体接收器2的轴线设置，所述的腔体接收器2制成在两个支撑辊4上，两个支撑辊4相对于腔体接收器2的中心线对称布置，能够减轻腔体接收器2后端连接轴11的受力。

腔体接收器2的侧壁上设有一个矩形的通槽18，通槽18沿着腔体接收器2的母线设置。通槽的两端分别设有一个滑轨17，所述的齿条12安装在滑轨上，能够沿着腔体接收器2的母线转移动。齿条12朝向腔体接收器2内的表面为圆弧表面，齿条的圆弧表面与腔体接收器的圆弧表面拼合成一整圆。齿条12上设有一通孔，所述的太阳辐射密度计15安装在该通孔内。所述的腔体接收器2通过螺栓固定安装有固定板14，电机Ⅱ13通过螺栓固定在固定板14上，电机Ⅱ13的输出轴上设有齿轮12，齿条16与齿轮12啮合。通过电机Ⅱ13驱动齿轮12，从而带动齿条16在腔体接收器2的滑轨17内直线运动。所述的齿条16的长度需要满足在直线运动过程中不导致腔体接收器前端出现缺缝，即保持腔体接收器2结构的完整性。

所述的电机Ⅰ9和电机Ⅱ13分别与控制系统8连接，通过控制系统8进行精确位置控制。控制系统8、太阳辐射密度计15分别与数据采集仪7连接，控制系统8将控制的转角参数传输给数据采集仪7，同时将数据采集仪7也将采集太阳辐射密度计15的测量结果，实时的将位置参数和辐射密度测量值传输给数据处理器进行存储。数据采集仪7、控制系统8分别与数据处理器5连接，数据处理器5与输出设备6连接，输出设备6将三维能流密度结果进行输出显示。

所述的太阳辐射密度计15的传感器探测端面向腔体接收器2内部，用于测量腔体内部接收的能流密度。为了确保高温下的安全运行，所述的腔体接收器2和太阳辐射密度计15均可以通过气体换热的方式进行降温冷却，太阳辐射密度计15还可以采用带水冷装置的太阳辐射密度计，所述的腔体接收器2可以在腔体外表面焊接一个套管形成密闭空间，在此空间内填充相变材料进行冷却。

本实用新型的操作步骤如下：

1）启动电机Ⅱ13，带动齿条16运动，使得太阳辐射密度计15位于测量的起始点位置。

2）聚光系统进行正常工作，控制系统8按照预定的轨迹参数发出指令控制并驱动电机Ⅰ9和电机Ⅱ13，使太阳辐射密度计15在腔体接收器内部进行扫描，并实时的将数据传输给数据采集仪；

3）测量完成后，数据采集仪7将数据传输给数据处理器5进行处理，数据处理器5根据太阳辐射密度计15的空间坐标和密度测量值进行三维重构腔体接收器内部的辐射能流密度分布；

4）将测量结果输出至输出设备6，进行显示或打印。

设计图

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