太陽(yáng)能聚焦光斑能流密度測(cè)量方法評(píng)估

魏　素，肖　君，魏秀東，盧振武，王　肖

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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太陽(yáng)能聚焦光斑能流密度測(cè)量方法評(píng)估

魏素，肖君*，魏秀東，盧振武，王肖

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

為了確定一種新型間接測(cè)量太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)聚焦光斑能流密度分布方法的測(cè)量誤差范圍，對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步研究。從理論公式出發(fā)，分析了該測(cè)量方法的誤差源；使用球面小定日鏡、CCD相機(jī)、漫反射板、中性密度濾光片等設(shè)備進(jìn)行了能流密度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，使用MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了漫反射板上聚焦光斑的能流密度分布和總能量；實(shí)驗(yàn)時(shí)借助全站儀測(cè)量并計(jì)算了定日鏡中心的光線入射角，根據(jù)定日鏡的面積和反射率、太陽(yáng)直射輻射值、余弦效率等計(jì)算了光斑能量的理論值，并與測(cè)量得到的聚焦光斑總能量比較，得出了實(shí)驗(yàn)條件下該方法測(cè)量光斑總能量以及能流密度的相對(duì)誤差為3.5%。該測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)，進(jìn)一步證實(shí)了該能流密度測(cè)量方法的正確性和可行性。

測(cè)量誤差；能流密度測(cè)量；聚焦光斑；太陽(yáng)能熱發(fā)電

1　引　言

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的關(guān)鍵在于低成本高精度的定日鏡加工及跟蹤控制[1]。吸熱器上聚焦光斑能流密度分布的測(cè)量對(duì)評(píng)價(jià)定日鏡跟蹤精度和吸熱器性能及提高系統(tǒng)光熱效率有著重要意義。由于在太陽(yáng)能聚光發(fā)電中，接收器表面最高溫度可超過1 000 ℃[2]，因此，焦斑處的能流密度測(cè)量十分困難。傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要有在接收面或接收靶安裝探測(cè)器直接測(cè)量入射光強(qiáng)度[3-6]和通過使用CCD相機(jī)對(duì)Lambertian材料板材的反射光進(jìn)行拍照從而間接測(cè)量能流密度[7-13]以及紅外相機(jī)法[14-15]。直接測(cè)量法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、空間分辨率低。間接測(cè)量法需要在接收面安裝一個(gè)或多個(gè)能流探測(cè)器來測(cè)量能流密度值，從而確定圖像像素灰度值與能流密度值的比例因子，能流探測(cè)器的標(biāo)定和測(cè)量會(huì)造成很大的不確定性和誤差。而用紅外相機(jī)法測(cè)得的能流密度受不確定因素(比如傳熱流體吸收的熱量以及對(duì)流和輻射引起的熱損失)的影響較大[11]。

本文介紹一種不需要在接收面或移動(dòng)靶上安裝探測(cè)器的基于CCD(Charge Coupled Device)的能流密度間接測(cè)量法[16]。該方法克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的諸多缺點(diǎn)，可以適應(yīng)很高的能流密度值。使用同一部CCD相機(jī)，在相同的相機(jī)參數(shù)設(shè)置下拍攝太陽(yáng)圖像和聚焦光斑的圖像。只要知道接收面的反射率和當(dāng)前太陽(yáng)直射輻射值，就可以根據(jù)聚焦光斑和太陽(yáng)的圖像得到接收面的能流密度分布。太陽(yáng)圖像有兩個(gè)作用：一是提供一個(gè)參考圖像，結(jié)合當(dāng)前太陽(yáng)直射輻射值(Direct Normal Irradiance,DNI)來確定光斑圖像的像素灰度值與能流密度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系；二是提供尺寸參考以確定光斑圖像與實(shí)際光斑的大小對(duì)應(yīng)關(guān)系。拍攝太陽(yáng)圖像時(shí)，在相機(jī)鏡頭前使用中性密度濾光片以防止CCD飽和。這種方法的創(chuàng)新之處是使用太陽(yáng)圖像來標(biāo)定光斑圖像各點(diǎn)的像素灰度值對(duì)應(yīng)的能流密度大小以及每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的光斑面積。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)一塊球面小定日鏡的聚焦光斑進(jìn)行了測(cè)量，并根據(jù)當(dāng)前DNI值、定日鏡面積和反射率、余弦效率等參數(shù)計(jì)算光斑總能量的理論值，與根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的總能量比較，估算了該方法測(cè)量能流密度的誤差。

2　能流密度測(cè)量方法簡(jiǎn)介

聚焦光斑的亮度與入射能流密度的大小成正比，而CCD相機(jī)對(duì)光斑亮度的響應(yīng)是線性的，故相機(jī)拍攝的光斑圖像可以用來描述光斑的能流密度分布特征。只要知道圖像的像素灰度值與能流密度值的比例因子，就可以根據(jù)光斑圖像的灰度值分布得到光斑能流密度分布。傳統(tǒng)的間接測(cè)量方法通過在被測(cè)面的特定位置安裝水冷的能流計(jì)或量熱計(jì)來標(biāo)定該比例因子。本文研究方法中使用太陽(yáng)圖像的像素灰度值和DNI值來標(biāo)定該比例因子。拍攝光斑圖像與太陽(yáng)圖像時(shí)使用同一部相機(jī)、完全相同的相機(jī)參數(shù)(焦距、光圈、曝光時(shí)間、對(duì)焦等)。在拍攝太陽(yáng)圖像時(shí)需要在相機(jī)鏡頭前安裝中性密度濾光片以防止CCD陣列飽和。該方法適用于任意表面的能流密度測(cè)量。

圖1　能流密度測(cè)量原理 Fig.1　Principle of flux density measurement

(1)

式中，ρR,i為被測(cè)面的漫反射率，r是光斑面元與相機(jī)光闌的距離，PCCD,i為太陽(yáng)圖像上像元i的灰度值，EDNI是太陽(yáng)直射輻射值。光斑面元AR,i的面積可表示為

(2)

式中，θ是被測(cè)面元法線與相機(jī)光軸的夾角，ω是面元AR,i對(duì)相機(jī)光闌的張角。由于拍攝太陽(yáng)圖像與光斑圖像時(shí)使用同樣的相機(jī)參數(shù)，故相機(jī)節(jié)點(diǎn)與CCD之間的距離保持不變，因此可根據(jù)式(3)求

(3)

式中，δsun是太陽(yáng)對(duì)地球的張角，nsun_pixels是太陽(yáng)圖像上沿著半徑的像素個(gè)數(shù)，如圖2所示。

圖2　相機(jī)示意圖 Fig.2　Schematic of the CCD camera

由式(1)、(2)、(3)可得，小面元AR,i上的能流密度ER,i與像素灰度值PCCD,i的關(guān)系為

(4)

如果被測(cè)面上能流密度值較低，則環(huán)境光對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。又考慮到拍攝圖像時(shí)會(huì)用到濾光片以防止相機(jī)CCD飽和，式(4)可改寫為:

(5)

式中，PCCD_sun,i和PCCD,i分別是太陽(yáng)圖像和光斑圖像上像元i處的像素灰度值，PCCD_ambient,i是沒有光斑時(shí)時(shí)接收靶圖像上像元i處的像素灰度值，EDNI(W/m2)是拍攝太陽(yáng)圖像時(shí)的DNI值，nsun_pixels是太陽(yáng)圖像半徑對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)，ρR,i為漫反射靶的反射率，δsun是太陽(yáng)的發(fā)散角。freceiver和fsun分別是拍攝光斑圖像和太陽(yáng)圖像時(shí)所用中性密度濾光片的衰減比?？梢姕y(cè)得的能流密度與相機(jī)拍攝的角度和位置無(wú)關(guān)。

3　測(cè)量系統(tǒng)誤差源分析

該能流密度測(cè)量方法的誤差取決于式(5)中各參數(shù)的誤差。誤差源包括相機(jī)引入的誤差、DNI測(cè)量誤差、漫反射率ρR,i的誤差、太陽(yáng)發(fā)散角δsun的誤差、濾光片衰減比的誤差。

3.1相機(jī)引入的誤差

相機(jī)造成誤差的原因主要有暗電流影響以及CCD對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)的非線性。

在無(wú)光照情況下，CCD芯片也會(huì)產(chǎn)生暗電流，平均暗電流通常用平均暗輸出表示[8]。蓋上相機(jī)鏡頭蓋采集一幀圖像，求出所有像元灰度的平均值即平均暗輸出。對(duì)DH-SV2001GM型號(hào)的CCD相機(jī)進(jìn)行暗電流測(cè)試，得到其平均暗輸出為1.65。而在測(cè)量能流密度的實(shí)驗(yàn)中太陽(yáng)圖像平均灰度值為209.57，暗電流所占比例為0.79%。實(shí)際應(yīng)用中將采集的圖像灰度值減去平均暗輸出，可消除暗電流影響。

在CCD信號(hào)電荷存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移的過程中，如果反型層電荷足夠多，勢(shì)阱被填滿，會(huì)造成電荷溢出，輸出電流信號(hào)與輸入照度呈現(xiàn)非線性，即CCD對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)的非線性。使用積分球測(cè)量DH-SV2001GM型號(hào)的CCD相機(jī)的線性度，得到曲線如圖3。經(jīng)計(jì)算，CCD相機(jī)圖像平均灰度值與積分球輻亮度的相關(guān)系數(shù)為0.997 3，圖像灰度平均值的最大非線性誤差為3.84%。

圖3　相機(jī)線性度曲線 Fig.3　Linearity curve of the camera

3.2太陽(yáng)直射輻射值和漫反射靶反射率的誤差

太陽(yáng)直射輻射值DNI的誤差取決于測(cè)量設(shè)備。下文中的實(shí)驗(yàn)使用北京華創(chuàng)維想科技開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TSB-2-B-I直射輻射表測(cè)量DNI值，其靈敏度為9.22 μV/(W/m2)，測(cè)量值的相對(duì)誤差約為0.2%。

實(shí)際應(yīng)用中吸熱器表面漫反射率應(yīng)該是已知值，其誤差取決于給定的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)使用Avian-D漫反射涂料噴涂而成的漫反射板，該涂層具有高朗伯特性，在400～800 nm范圍內(nèi)的平均半球反射比因子為98.2%，最小值為97.9%，最大值為98.5%。故漫反射板反射率取值98.2%，其誤差估計(jì)為0.3%。

3.3太陽(yáng)發(fā)散角的誤差

太陽(yáng)發(fā)散角δsun由如下公式確定:

(6)

式中，rsun是太陽(yáng)半徑，lsun是地球與太陽(yáng)的距離。地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓，故lsun隨一年中的日期變化。

以地球公轉(zhuǎn)的長(zhǎng)、短軸分別為x軸、y軸建立坐標(biāo)系，假設(shè)地球和太陽(yáng)的連線與x軸夾角為γ，可推導(dǎo)得:

(7)

式中，a、b、c分別為橢圓長(zhǎng)半軸、 短半軸、半焦距，a=1.4960×108km，b=1.4958×108km，c=2.50×106km。在2015年，1月3日，地球位于近日點(diǎn)，7月4日，地球位于遠(yuǎn)日點(diǎn)，對(duì)于這一年中的第n天，式(7)中γ的值為：

(8)

近日點(diǎn)與太陽(yáng)的距離為1.48×108km，遠(yuǎn)日點(diǎn)與太陽(yáng)的距離是1.52×108km。計(jì)算得一年中δsun的最小值為9.152 mrad，最大值為9.463 mrad，平均值為9.305 mrad。

若δsun取平均值9.305 mrad，如果不考慮大氣折射對(duì)觀測(cè)到的太陽(yáng)半徑的影響，則一年中δsun的最大相對(duì)誤差為±1.7%，tan2(δsun/2)的最大相對(duì)誤差為±3.4%。若使用式(6)、(7)、(8)計(jì)算，則可基本消除該誤差。

3.4中性密度濾光片衰減比的誤差

中性密度濾光片衰減比的理論計(jì)算公式為f=10d，d是光學(xué)密度。然而，其實(shí)際的衰減比并非常數(shù)，而是隨波長(zhǎng)變化。用光譜儀測(cè)量得到沈陽(yáng)匯博光學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的光學(xué)密度等于4的中性密度濾光片的衰減比隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖4所示。拍攝太陽(yáng)和光斑圖像所用相機(jī)的光譜響應(yīng)曲線如圖5所示。可見相機(jī)響應(yīng)的峰值在500 nm處。故濾光片的衰減因子取500 nm處的值，fsun=104.28=19 055。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的分布和曲線擬合結(jié)果，500 nm處衰減因子的取值誤差范圍為0.5%以內(nèi)。

圖4　OD4濾光片衰減比隨波長(zhǎng)變化 Fig.4　Attenuation factor of the OD4 filter varies with wavelength changing

圖5　DH-SV2001GM攝像機(jī)的光譜響應(yīng)曲線 Fig.5　Spectral response curve of the DH-SV2001GM camera

表1列出了上面討論的各種誤差。這些誤差相互獨(dú)立，總誤差通過求各誤差平方和的平方根得到。由于需要拍攝3張圖片，計(jì)算總誤差時(shí)相機(jī)像素灰度值的誤差加了3次?？傉`差的值為:

(9)

表1　誤差源總結(jié)Tab.1　Summary of error sources

4　誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4.1原理

定日鏡將太陽(yáng)光反射到漫反射板上得到聚焦光斑，由定日鏡反射的光能可由下式給出：

(10)

式中，ρh為定日鏡反射率；Sh為定日鏡面積；EDNI為太陽(yáng)直射輻射值；α為定日鏡上光線的入射角，cosα為余弦效率。余弦效率定義為入射光線的入射向量與定日鏡法向量的夾角的余弦值。圖6中虛線表示定日鏡在垂直于光線的方向上的投影面積，即定日鏡接收能量的有效面積。

圖6　余弦效率示意圖 Fig.6　Schematic diagram of cosine efficiency

用本文研究的間接測(cè)量法可得到光斑的能流密度分布及總能量。光斑總能量公式為:

(11)

假設(shè)光斑圖像上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的光斑面積相等(在本實(shí)驗(yàn)條件下，該假設(shè)近似成立)，即AR,i為常數(shù)，則式(11)可改寫為:

(12)

式中，Apixe_m為每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的光斑面積。若可求出與圖像像素的邊長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的實(shí)際光斑長(zhǎng)度k，則Apixe_m=k2。從而有:

(13)

可見光斑總能量與各點(diǎn)能流密度值之和成正比。若各點(diǎn)能流密度值測(cè)量的相對(duì)誤差相等，則測(cè)得的光斑總能量的相對(duì)誤差等于所測(cè)各點(diǎn)能流密度值的相對(duì)誤差。若可準(zhǔn)確測(cè)量定日鏡反射率ρh和余弦效率cosα，則可根據(jù)式(10)計(jì)算的結(jié)果評(píng)估能流密度分布的測(cè)量誤差。

如圖7，在拍攝太陽(yáng)圖像的同時(shí)，使用全站儀測(cè)量太陽(yáng)位置的高度角和方位角，并測(cè)量定日鏡和漫反射板在全站儀坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，可計(jì)算余弦效率cosα，顯然有:

(14)

從而得:

(15)

圖7　余弦效率測(cè)量原理圖 Fig.7　Schematic diagram of the cosine efficiency measurement

由于太陽(yáng)位于無(wú)窮遠(yuǎn)處，而全站儀坐標(biāo)中心點(diǎn)O與定日鏡中心點(diǎn)B的距離很小，故有:

(16)

而:

(17)

因此

(18)

4.2實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

采用一塊邊長(zhǎng)約35 cm，焦距為15 m的球面小定日鏡將太陽(yáng)光反射到漫反射板上得到聚焦光斑。漫反射板邊長(zhǎng)為35 cm，在400～800 nm波段的平均反射率為98.2%。使用一部CCD相機(jī)，在完全相同的相機(jī)參數(shù)下分別拍攝漫反射板上的光斑圖像、沒有光斑時(shí)漫反射板的圖像以及太陽(yáng)圖像。記錄下拍攝時(shí)的太陽(yáng)直射輻射值。拍攝太陽(yáng)圖像時(shí)，在鏡頭前安裝了沈陽(yáng)匯博光學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的光學(xué)密度(optical density)等于4的濾光片。在拍照的同時(shí)，用全站儀測(cè)量定日鏡中心和光斑中心的三維坐標(biāo)以及全站儀坐標(biāo)系中太陽(yáng)的高度角、方位角，從而計(jì)算光線在定日鏡上的入射角α及余弦效率cosα。實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備參數(shù)如表2。

表2　實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備參數(shù)Table 2　Test conditions and device parameters

實(shí)驗(yàn)中拍攝的圖像如圖8，其中(a)是光斑圖像，(b)是環(huán)境光圖像，(c)是太陽(yáng)圖像。光斑能流密度分布的測(cè)試結(jié)果如圖9。

測(cè)得的全站儀坐標(biāo)系中光斑中心的三維坐標(biāo)為(0.53 m,10.91 m,-0.02 m)，定日鏡中心的三維坐標(biāo)為(-3.93 m，-0.47 m,-0.65 m)，太陽(yáng)的高度角和方位角分別為hS=54°58′16″，pS=2°27′18″。從而計(jì)算得到定日鏡上光線入射角α=38.4°，余弦效率cosα=0.783 6。邊長(zhǎng)為35 cm的漫反射板在圖像中所占像素個(gè)數(shù)是1 054×1 054，因此光斑圖像中像素邊長(zhǎng)與光斑尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系為k=0.35/1054=3.321×10-4m/pixel。濾光片衰減比取值19 055，測(cè)得的光斑總能量為Ebeam_total=70.62 W。而光斑能量理論計(jì)算值為Er=ρhEDNIShcosα=68.18 W。二者的相對(duì)誤差為3.5%，該誤差在實(shí)際應(yīng)用的可接受范圍內(nèi)。

圖8　CCD相機(jī)拍攝的圖像 Fig.8　Images taken by a CCD camera

圖9　光斑能流密度分布 Fig.9　Flux density distribution of the beam

實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)量誤差是在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下得

到的結(jié)果，不具有普遍性，其目的是驗(yàn)證該能流密度測(cè)量方法的有效性。實(shí)際應(yīng)用中，由于選用的設(shè)備不同、吸熱塔較高以及其他客觀不確定因素，測(cè)量誤差也會(huì)不同。

5　結(jié)　論

進(jìn)一步評(píng)估了一種新型的測(cè)量太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)聚焦光斑能流密度分布的方法，分析了其誤差源；使用該方法測(cè)量漫反射板上的聚焦光斑能流密度分布并得出光斑總能量，通過比較測(cè)得的光斑總能量與理論計(jì)算的光斑總能量，得出在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的光斑總能量及能流密度分布的相對(duì)誤差為3.5%，該誤差在估計(jì)的最大誤差范圍內(nèi)，也在實(shí)際應(yīng)用的允許范圍內(nèi)，證明了該能流密度測(cè)量方法的可行性。

[1]韓雪冰，魏秀東，盧振武，等.太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)光學(xué)，2011,4(3)：233-239.

HAN X B，WEI X D，LU ZH W，etal.. Review of concentration system in solar thermal power plant[J].ChineseOptics,2011,4(3):233-239.(in Chinese)

[2]IMENES A,STEIN W,HINKLEY J,etal.. Ray tracing and flux mapping as a design and research tool at the National Solar Energy Centre[C]. ANZSES Conference 2006(Australia and New Zealand Solar Energy Society),Canberra,Australia,September 13-15,2006：S06-81.

[3]BALLESTRIN J. A non-water-cooled heat flux measurement system under concentrated solar radiation conditions[J].SolarEnergy,2002,73(3):159-168.

[5]BALLESTR N J,VALERO J,GARC A G. One-click heat flux measurement device[C]. Proceedings of the Solar PACES 2010;Perpignan,France,September 21-24,2010.

[6]BALLESTR N J. Heat flux measurement on CSP[C]. 4th SFERA Summer School,Hornberg Castle,Germany,May 15-16,2013.

[7]ULMER S,L PFERT E,PF NDER M,etal.. Calibration corrections of solar tower flux density measurements[J].Energy,2004,29(5-6):925-933.

[8]G?HRING F,BENDER O,R GER M,etal.. Flux density measurement on open volumetric receivers[C]. Proceedings of Solar PACES 2011;Granada,Spain,Sept. 20-23，2011.

[9]R?GER M,HERRMANN P,EBERT M,etal.. Flux density measurement on large-scale receivers[C]. Proceedings of Solar PACES 2011,Granada,Spain,Sept. 20-23,2011.

[10]戴景民，劉穎，于天河.基于CCD的聚焦光斑能流密度分布測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].光電子·激光,2008,19(11):1507-1511.

DAI J M,LIU Y,YU T H. Development of flux density distribution measurement system based on CCD[J].J.Optoelectronics·Laser,2008,19(11):1507-1511.(in Chinese)

[11]戴景民，劉穎.聚光器聚焦光斑能流密度分布的測(cè)量與分析[J].應(yīng)用光學(xué),2008,29(6):917-920.

DAI J M,LIU Y. Measurement and analysis of flux density distribution for spot focused by concentrator [J].J.AppliedOptics,2008,29(6):917-920.(in Chinese)

[12]HO C K,KHALSA S S. A photographic flux mapping method for concentrating solar collectors and receivers[J].J.SolarEnergyEngineering,2012,134(4):041004.

[13]HO C K,KHALSA S S,GILL D,etal.. Evaluation of a new tool for heliostat field flux mapping[J].SolarPACES,2011,Granada,Spain,September 20-23,2011.

[14]NAOR G,GOLDWINE G,HAYUT R,etal.. Flux measurement system using IR camera[C]. Proceedings of the Solar PACES 2010;Perpignan,France,September 21-24,2010.

[15]戴貴龍，郭永輝.一種大聚光比聚集太陽(yáng)能流密度分布的紅外反射測(cè)量法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2014,34(7)：0712004.

DAI G L，GUO Y H. An infrared reflection measurement method to measure concentrated solar flux distribution of high concentrated ratio[J].ActaOpticaSinica,2014,34(7)：0712004.(in Chinese)

[16]肖君，魏素，魏秀東,等.塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)聚焦光斑能流密度的檢測(cè)方[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(1):0112003.

XIAO J,WEI S,WEI X D,etal.. Solar flux measurement method for concentrated solar irradiance in solar thermal power tower system[J].ActaOpticaSinica,2015,35(1):0112003.(in Chinese)

Evaluation of flux density measurement method for concentrated solar irradiance

WEI Su , XIAO Jun*, WEI Xiu-dong, LU Zhen-wu, WANG Xiao

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)

,E-mail:xiaojun_nk@163.com

In order to estimate its measurement error range when indirectly measuring the flux distribution on receivers of solar thermal power systems, a new method is studied. The error sources of this method are analyzed based on the theoretical equation. An experiment to measure the flux density distribution of a concentrated beam is implemented with a spherical heliostat, a CCD camera, a diffuse reflector, neutral density filters and other devices. The flux density distribution and total energy of the concentrated solar irradiance on the reflector is calculated with a MATLAB program. The incident angle of rays on the center of the heliostat is measured with a total station. The theoretical value of the beam energy is calculated according to area and reflectivity of the heliostat, the direct normal irradiance and cosine efficiency. By comparing the theoretical value of the beam energy with the measured total energy, the relative error of the total energy and the flux density measured by this method is obtained. The measured relative error is 3.5%.This error is within permission, which further verifies the correctness and feasibility of this new method.

measurement error;flux density measurement;concentrated solar irradiance;solar thermal power plant

2015-12-10；

2016-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11174275)

2095-1531(2016)02-0255-08

TK513.1

A

10.3788/CO.20160902.0255

魏素(1991—)，女，湖北十堰人，碩士研究生，2013年于華中科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事塔式聚光系統(tǒng)中聚焦光斑能流密度分布的測(cè)量方面的研究。E-mail:wei_huster@163.com

肖君(1986—)，男，湖北黃岡人，博士，助理研究員，2010年于南開大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2015年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事太陽(yáng)能聚光中光學(xué)檢測(cè)方面的研究。E-mail:xiaojun_nk@163.com

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.11174275)