一种定日镜反射率检测方法

1.本发明涉及太阳能光热发电领域的一种定日镜检测方法，特别涉及了一种塔式太阳能用定日镜镜面积尘度检测方法。


背景技术：

2.太阳能以其清洁低碳、可再生的特点得到了越来越多的开发利用，其中太阳能发电主要包括太阳能光伏发电系统和太阳能光热发电系统。太阳能热发电系统以塔式太阳能发电系统为代表，主要有定日镜场、吸热塔、电力转换系统三个部分组成。定日镜场聚光能力和发电机转换效率是影响塔式光热电站集热效率的关键。
3.暴露环境下，灰尘在每一块定日镜镜面的积累程度不一样。目前，大多数光热电站主要采用定期清洁定日镜镜面积尘来提高定日镜场聚光能力。定期清洁主要存在两个问题：一是不能确定各个镜面的积尘程度，对积尘程度较低的镜面进行清洁导致时间和资源的浪费；二是缺少一种对当前积尘程度进行检测的装置来用于光热电站制定清洁的方法。
4.中国发明专利授权公告号cn103512903b，授权公告日2015年09月30日，专利名称《一种自动测量定日镜表面清洁度的方法及系统》，该发明专利公开了一种定日镜镜面清洁度的测量方法。该方法在晴朗白天，利用两块不同的定日镜反射太阳光斑至靶面，用ccd相机拍摄靶面光斑图像，移去定日镜拍摄靶面背景图像，根据拍摄图像的信息判断定日镜镜面的清洁程度。
5.问题1:利用相机直接对标靶面光斑进行拍摄，这种检测方式不能避免环境光线的影响，导致相机拍摄的光斑图像信息不稳定。
6.问题2：相机在现场进行拍摄时，相机距离镜面的垂直距离不能保证一致，这会导致相机拍摄镜面光斑的信息不能准确表现镜面的积尘程度。
7.中国发明专利授权公告号cn108712150b，授权公告日2019年09月20日，专利名称《塔式太阳能用定日镜镜面发射率和洁净程度检测方法》，该发明专利公开了一种塔式太阳能定日镜镜面洁净程度的检测方法。该方法在晴朗夜晚，用温度传感器记录环境温度，用红外热像仪对铺设不同程度灰尘的镜面进行采集辐射温度，根据红外热像仪拍摄的红外图像，根据计算红外图像的辐射温度来判断定日镜镜面积尘程度。该检测方案选用另外一种测量装置但依然面临上述问题1和问题2。并且该方法容易受到环境温度的影响，天空积云对检测结果也有影响。


技术实现要素：

8.为了获得光热电站根据镜面积尘程度来合理规划定日镜镜面清洗，本发明提供了一种检测定日镜镜面积尘度的方法和装置，能有效避免外界环境光强的影响。
9.如图6所示，本发明所用的技术方案如下：
10.第一步：辐射表标定并计算辐射表参数值
11.第一辐射表用来测量当时的太阳光强度e0，第二辐射表、第三辐射表分别用来测
量镜面反射光强度e1、e2。第二辐射表接收第一测量位置24上的镜面反射光强度(即反射光辐照度)，第三辐射表接收第二测量位置25上的镜面反射光强度(即反射光辐照度)。
12.对于第二辐射表和第三辐射表其中的每个辐射表均采用以下方式标定处理：
13.1.1)通过第一辐射表采集获得太阳光强度e0；
14.1.2)单独将一块定日镜标准板放置在第一测量位置/第二测量位置，太阳光经过准孔筒和弧形滑板上的通孔槽后照射到转盘的第一测量位置/第二测量位置上的定日镜标准板，经定日镜标准板反射到第二辐射表/第三辐射表探测获得镜面反射光强度e；
15.1.3)按照步骤1.2)分别将三块不同积尘等级的、已知反射率的定日镜标准板u、v、w依次放置在第一测量位置/第二测量位置检测获得三块定日镜标准板u、v、w各自的镜面反射光强度e；
16.1.4)按照以下公式根据三块定日镜标准板u、v、w的已知反射率、经第二辐射表/第三辐射表对三块定日镜标准板u、v、w探测的镜面反射光强度e以及太阳光强度e0进行拟合计算，获得每个定日镜标准板各自的参数k和b：
[0017][0018]
其中，f表示定日镜标准板的反射率，k表示一次项参数，b表示常数参数；
[0019]
1.5)按步骤1.1)—1.4)从而获得第二辐射表/第三辐射表的镜面反射光强度和反射率的关系，完成了标定；
[0020]
最终根据辐射表测量公式得到各个辐射表的参数值。
[0021]
第二步：现场具体实施测量方法及过程：
[0022]
2.1)将检测装置整体放置在水平放置的待测定日镜表面，待测定日镜紧贴转盘的底面，且将三块定日镜标准板u、v、w同时放置在转盘的三个相互间隔的检测孔处，如图示4，相邻两个间隔的圆心角度为120
°
；待测定日镜面积大于转盘表面的面积且覆盖转盘各个测量孔。
[0023]
2.2)根据日晷刻度盘上的日晷指针光影的位置，得到当前太阳的高度角α和方位角β；
[0024]
2.3)调节移动检测装置的水平位置，使日晷指针的光影与日晷刻度板的刻度中线重合，这样使得第一辐射表、两侧弧形滑板上的准孔筒和太阳光线在同一水平垂面上；然后根据日晷光影的位置，调节两侧弧形滑板上的准孔筒的朝向，使得准孔筒的角度γ＝α，即准孔筒的轴向和太阳光的方向平行；
[0025]
调节第二辐射表和第三辐射表的朝向角度δ，使得δ＝180
‑
α，即使得太阳光经过准孔筒和弧形滑板上的通孔槽后照射到转盘上的测量孔处有定日镜标准板或者待测定日镜，经定日镜标准板或者待测定日镜正好反射到第二辐射表或者第三辐射表中被探测；
[0026]
2.4)通过第一辐射表测量太阳辐照度e01；
[0027]
2.5)在t1时刻，通过电机旋转转盘，带动第一块定日镜标准板u位于第一测量位置处，通过第二辐射表测量第一测量位置处的定日镜标准板u的镜面反射光强度ea1，通过第三辐射表测量第二测量位置处的待测定日镜的镜面反射光强度eb1；
[0028]
2.6)在t2时刻，通过电机旋转转盘120
°
，带动第二块定日镜标准板v位于第一测量位置处，通过第二辐射表测量第一测量位置处的定日镜标准板v的镜面反射光强度ea2，通
过第三辐射表测量第二测量位置处的待测定日镜的镜面反射光强度eb2；
[0029]
2.7)在t3时刻，通过电机旋转转盘120
°
，带动第三块定日镜标准板w位于第一测量位置处，通过第二辐射表测量第一测量位置处的定日镜标准板w的镜面反射光强度ea3，通过第三辐射表测量第二测量位置处的待测定日镜的镜面反射光强度eb3；
[0030]
2.8)根据步骤2.1)～2.7)的三次测量结果按照以下公式计算各自的镜面反射光强度差值
[0031]
δei＝|ebi
‑
eai|
[0032]
其中，δei表示ti时刻测量的镜面反射光强度差值，i表示测量时刻的序数，i＝1、2、3；
[0033]
取三次测量的镜面反射光强度差值中的最小值，以最小值对应的定日镜标准板作为参考定日镜，以参考定日镜的积尘等级作为待测定日镜的积尘等级；
[0034]
2.9)对于待测定日镜，通过第二辐射表或者第三辐射表实时探测镜面反射光强度ep，代入以下参考定日镜的公式中处理获得待测定日镜的反射率：
[0035][0036]
其中，fp表示待测定日镜的反射率，k表示参考定日镜的一次项参数，b表示参考定日镜的常数参数。
[0037]
方法采用以下检测装置，检测装置包括外壳，日晷指针安装在外壳上；
[0038]
所述的外壳主要由黑色扇形外壳和黑色方形外壳连接组成，黑色扇形外壳一侧表面为弧形面，弧形面在两侧上设置弧形的进光槽，每个进光槽的边缘均安装有带有角度刻度的卡槽条，进光槽中嵌装弧形滑板，弧形滑板之外的进光槽的两端均设置有用于遮盖的遮挡滑块，弧形滑板上开设通孔槽，通孔槽处的弧形滑板上固定安装准孔筒，准孔筒和通孔槽同轴连通，弧形滑板和准孔筒形成整体在进光槽中沿弧形滑动旋转；两侧弧形滑板之间通过一块水平连接板连接，第一辐射表固定在水平连接板上；外壳内装有检测机构，检测机构包括支架、电机、转盘、第二辐射表和第三辐射表；支架固定于外壳内，支架的中部安装有安装框架，安装框架内的底部安装电机，电机的输出端朝下，电机的输出端经联轴器和转盘的中心同轴连接，电机运行带动转盘旋转；支架的两侧均通过一个辐射表角度调节板分别安装有第二辐射表和第三辐射表，第二辐射表和第三辐射表均朝向转盘布置，第二辐射表和第三辐射表通过各自的辐射表角度调节板旋转进而调节朝向转盘上的角度。
[0039]
所述的转盘上开设六个测量孔，六个测量孔沿圆周间隔布置。
[0040]
所述的日晷指针安装在日晷刻度板上，日晷刻度板固定在黑色方形外壳上。
[0041]
所述的辐射表角度调节板包括弧形板和l形板，弧形板固定于支架，l形板一端铰接于弧形板，弧形板上开设弧形槽，l形板中部经螺栓嵌装于弧形槽中，l形板另一端上安装第二辐射表/第三辐射表。
[0042]
所述的电机两侧的转盘上的测量孔分别为第一测量位置和第二测量位置，第二辐射表通过辐射表角度调节板旋转调节的铰接轴及其同侧的进光槽中的弧形滑板沿弧形滑动旋转的圆心均重合于第一测量位置，第三辐射表通过辐射表角度调节板旋转调节的铰接轴及其同侧的进光槽中的弧形滑板沿弧形滑动旋转的圆心均重合于第二测量位置，这样使得两侧进光槽处中的准孔筒在滑动旋转过程中分别始终对准第一测量位置和第二测量位
置，且使得第二辐射表和第三辐射表在旋转调节过程中分别始终对准第一测量位置和第二测量位置。
[0043]
所述的待测定日镜布置在转盘下，并紧贴转盘的底面。
[0044]
本发明的检测装置主体为黑色方形外壳和黑色方弧形外壳组成，包括安装在检测装置内部的辐射表接收装置、装置、电机和定日镜标准板。
[0045]
检测环境：晴朗无云的白天。
[0046]
检测过程：将检测装置平放在水平的定日镜面上，太阳光作为光源，调节准孔筒，使光线通过准孔筒入射进入检测装置内，经检测装置底部的定日镜标准板或者待测镜反射至可调节接收角度的第二或者第三辐射表上，第二辐射表对多个已知积尘程度的定日镜标准板的反射光进行接收，第三辐射表对待测镜的反射光进行接收，第一辐射表接收当前太阳的辐照度，将第三辐射表接收的辐照度e1和第二辐射表接收的辐照度e0进行比较得到待测镜的积尘等级。
[0047]
本发明的有益效果是：
[0048]
本发明定日镜镜面积尘度检测装置能够对现场工作的定日镜镜面积尘程度进行检测，根据与定日镜标准板的比较，得到当前待测镜的积尘程度等级并且检测出当前定日镜镜面的反射率，定日镜场根据积尘程度的不同合理规划定日镜清洗策略，提高了光热电站的发电效率，节约了光热电站的运维成本。
附图说明
[0049]
图1：本发明检测装置的外部视图；
[0050]
图2：本发明检测装置的内部结构图；
[0051]
图3：检测装置内部电机结构装配结构图；
[0052]
图4：检测装置内部电机结构的爆炸图；
[0053]
图5：检测装置中转盘的各个测量孔布置图。
[0054]
图6：本发明检测定日镜镜面积尘程度及反射率流程图。
[0055]
图中：1、日晷指针；2、日晷刻度板；3、第一辐射表；4、准孔筒；5、水平连接板；6、弧形滑板；7、遮挡滑块；8、进光槽；9、黑色方形外壳；10、黑色弧形外壳；11、支架；12、辐射表角度调节板；13、第三辐射表p2；14、测量孔；15、转盘；16、第二辐射表；17、安装框架；18、电机；19、联轴器；23、定日镜标准板；24、第一测量位置；25、第二测量位置。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
[0057]
如图1所示，具体实施的检测装置包括外壳，日晷指针1安装在外壳上。
[0058]
外壳主要由黑色扇形外壳10和黑色方形外壳9连接组成，通过外壳形成测量暗箱。黑色扇形外壳10一侧表面为弧形面，弧形面在两侧上设置弧形的进光槽8，每个进光槽8的边缘均安装有带有角度刻度的卡槽条，进光槽8中嵌装弧形滑板6，弧形滑板6之外的进光槽8的两端均设置有用于遮盖的遮挡滑块7，弧形滑板6上开设通孔槽，通孔槽处的弧形滑板6上固定安装准孔筒4，准孔筒4和通孔槽同轴连通，弧形滑板6和准孔筒4形成整体在进光槽8中沿弧形滑动旋转；两侧弧形滑板6之间通过一块水平连接板5连接，第一辐射表3固定在水
平连接板5上；
[0059]
外壳内装有检测机构，如图2所示，检测机构包括支架11、电机18、转盘15、第二辐射表16和第三辐射表13；支架11固定于外壳内，支架11的中部安装有安装框架17，安装框架17内的底部安装电机18，电机18的输出端朝下，如图3和图4所示，电机18的输出端经联轴器19和转盘15的中心同轴连接，电机18运行带动转盘15旋转；支架11的两侧均通过一个辐射表角度调节板12分别安装有第二辐射表16和第三辐射表13，第二辐射表16和第三辐射表13均朝向转盘15布置，第二辐射表16和第三辐射表13通过各自的辐射表角度调节板12旋转进而调节朝向转盘15上的角度；
[0060]
如图5所示，转盘15上开设六个测量孔14，六个测量孔14沿圆周间隔布置，测量孔14是贯通的，用于放置定日镜标准板。任意2个相邻测量孔之间的圆心夹角为60
°
。
[0061]
具体实施的日晷指针1安装在日晷刻度板2上，日晷刻度板2固定在黑色方形外壳9上。
[0062]
辐射表角度调节板12包括弧形板和l形板，弧形板固定于支架11，l形板一端铰接于弧形板，弧形板上开设弧形槽，l形板中部经螺栓嵌装于弧形槽中，l形板另一端上安装第二辐射表16/第三辐射表13。第二辐射表16和第三辐射表13通过辐射表角度调节板12调节朝向角度，具体是通过l形板绕弧形板的铰接轴处旋转，并经螺栓在弧形槽中不同位置调整并固定，进而调节l形板的布置角度，进而调节辐射表的朝向角度。
[0063]
电机18两侧的转盘15上的测量孔14分别为第一测量位置24和第二测量位置25，第二辐射表16通过辐射表角度调节板12旋转调节的铰接轴及其同侧的进光槽8中的弧形滑板6沿弧形滑动旋转的圆心均重合于第一测量位置24，第三辐射表13通过辐射表角度调节板12旋转调节的铰接轴及其同侧的进光槽8中的弧形滑板6沿弧形滑动旋转的圆心均重合于第二测量位置25，这样使得两侧进光槽8处中的准孔筒4在滑动旋转过程中分别始终对准第一测量位置24和第二测量位置25，且使得第二辐射表16和第三辐射表13在旋转调节过程中分别始终对准第一测量位置24和第二测量位置25。
[0064]
待测定日镜布置在转盘15下，并紧贴转盘15的底面。
[0065]
太阳光经过准孔筒4和弧形滑板6上的通孔槽后照射到转盘15上的测量孔14。若转盘15上的测量孔14处有定日镜标准板或者待测定日镜，则太阳光经定日镜标准板或者待测定日镜反射到第二辐射表16或者第三辐射表13中被探测获得镜面反射光强度。
[0066]
第一辐射表3是已经标定的辐射表，本发明要对第二辐射表16、第三辐射表13进行标定，用三块已知积尘程度的定日镜标准板标定接收反射光强度的第二辐射表16和第三辐射表13。
[0067]
准备三块不同积尘程度的5*5cm的定日镜标准板记为u、v、w，用反射率测量仪测量三块定日镜标准板的反射率分别记为f1、f2、f3；三块定日镜标准板根据反射率的不同对应分为i、ii、iii三个积尘等级。
[0068]
如图6所示，本发明实施例的具体实际实验检测情况和结果是：
[0069]
1)取四块5*5cm定日镜记为u、v、w、x，其积尘度(单位面积上灰尘的质量，单位g/m2)分别为：1.36g/m2、2.81g/m2、4.52g/m2，2.02g/m2；反射率分别为0.936、0.921、0.912、0.929；u、v、w作为定日镜标准板，x作为待测定日镜
[0070]
2)第一辐射表接收现场太阳光，测量得到当时太阳辐照度为e0＝500w/m2，在t1时
刻，第二辐射表和第三辐射表分别测到第一测量位置反射光辐照度ea1＝235.17w/m2、第二测量位置反射光辐照度eb1＝198.24w/m2；在t2时刻，第二辐射表和第三辐射表分别测到第一测量位置反射光辐照度ea2＝184.67w/m2、第二测量位置反射光辐照度eb2＝157.66w/m2；在t3时刻，第二辐射表和第三辐射表分别测反射光辐照度第一测量位置反射光辐照度ea3＝123.76w/m2、第二测量位置反射光辐照度eb3＝198.24w/m2；
[0071]
3)将上述结果代入公式δei＝|ebi
‑
eai|(i＝1，2，3)中得：
[0072]
δe1＝|eb1
‑
ea1|＝|198.24
‑
235.17|＝36.93
[0073]
δe2＝|eb2
‑
ea2|＝|198.24
‑
157.66|＝40.58
[0074]
δe3＝|eb3
‑
ea3|＝|198.24
‑
123.76|＝74.48
[0075]
比较δei(i＝1，2，3)可知，δe1最小，则判断待测板x的积尘程度为ⅰ，通过x的反射率与标准板比较可知，x更接近u
[0076]
4)以u、v定日镜标准板的镜面反射率和辐照度f1＝0.936、ea1＝235.17w/
㎡
、e0＝500w/
㎡
、f2＝0.921、ea2＝184.67w/
㎡
、e0＝500w/
㎡
代入公式：
[0077]
即：
[0078][0079][0080]
并联立公式(1)、(2)得到k1＝0.149；b1＝0.866；即反射率与辐照度关系式为：
[0081][0082]
将ei＝198.24w/
㎡
、e0＝500w/
㎡
代入(3)中得到f1
*
＝0.925，测量结果f1
*
与实际反射率0.929相差0.004。
[0083]
综上所述：本检测方法和装置可以有效的避免外界环境光照的影响，能够得到太阳法向光线与定日镜镜面积尘程度的关系，实现在现场对定日镜镜面积尘程度的检测。