УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ПОТОКА Российский патент 2001 года по МПК G01J5/12 

Описание патента на изобретение RU2165599C2

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности для измерения плотности солнечного потока и определения испускательной способности поверхности (коэффициента черноты).

Известны устройства, называемые радиометрами [1] , фотометрами или люксметрами [2, 3].

Представленные в [1,2,3] способы измерения и устройства для определения силы света, освещенности испускаемой поверхности (коэффициента черноты) предназначены в основном для лабораторных исследований различных светотехнических материалов, светильников и оптических приборов в процессе их производства.

Устройства для оценки светимости астрономических тел, применяемые в обсерваториях, отличаются сложностью конструкции и большой стоимостью.

Целью изобретения является создание простого по конструкции, малогабаритного, дешевого по стоимости устройства для преобразования и измерения плотности мощности солнечного потока, а по ней и определения испускательной способности светотехнических материалов. Такие устройства могут найти широкое применение при оценке плотности мощности солнечного потока в различных точках земного шара, информация о которой необходима для проектирования приемников солнечной энергии и световодов, а отдельные части устройства (датчики) могут быть использованы в системах автоматической ориентации на солнце приемников солнечной энергии, а также для контроля состояния световодов во время эксплуатации, контроля больных в санаториях при применении солнечных ванн для загара.

В основу изобретения положен закон Стефана-Больцмана с предварительным усилением плотности мощности солнечного потока (1)
E = Ko×ε×σ×T4к

= Ko×ε×Eo, (1)
где E - плотность солнечного потока, поглощаемого термопарой в Вт х см-2;
K0 - коэффициент усиления оптического усилителя плотности мощности;
ε - коэффициент черноты поверхности термопары;
σ = 5,7 х1017 Вт х см2 х град4 - постоянная Стефана-Больцмана;
Тк - температура Кельвина от нагрева поглощенной солнечной энергии;
E0 - измеряемая плотность мощности входного в устройство солнечного потока в Вт x см-2.

На чертеже представлена функционально-блочная схема устройства, состоящая из следующих блоков:
1. Оптический усилитель плотности мощности E0 входного потока Фс в плотности E1 отраженного от зеркальной поверхности конуса и сфокусированного на поверхности термопары потока.

2. Термопара, входом в которую является отраженный солнечный поток и сфокуcированный на поверхности термопары с плотностью E1, а выходом является термоЭДС, eτ;
3. Усилитель электрического напряжения, входом в который является сумма eτ + e0, где e0 - напряжение сдвига нуля температур шкалы Цельсия в нуль шкалы Кельвина, а выходом является напряжение U3;
4. Квадратора, возводящего в квадрат U3, а входом напряжение U4;
5. Усилителя напряжения U4 в напряжение U5;
6. Квадратора, возводящего напряжения U5 в квадрат, выходом которого является напряжение U6;
7. Выходного усилителя напряжения U6 в U7;
8. Индикатор выхода устройства (вольтметр или блок управления системой автоматической ориентации приемника солнечной энергии на солнце);
9. Блок электрического питания усилителей 5, 6 и 7 и сдвига нуля шкалы температур Цельсия в абсолютный нуль шкалы Кельвина.

Согласно чертежу, оптический усилитель плотности 1 конструктивно состоит из круглого, прямого, полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и радиусом основания равным высоте, а также термопары, поверхность которой покрашена пигментной (черной) краской и закрепленной в центре основания и высоте конуса.

Принцип действия устройства базируется на преобразовании сигналов, проходящих по цепи функционально-блочной схемы.

Входной солнечной поток Фс направлен нормально к основанию зеркального конуса и имеет мощность N0 (2)
No= π×R2×Eo (2),
где R - радиус основания зеркального конуса,
E0 - плотность мощности входного солнечного потока Фс..

Отраженный от зеркальной поверхности конуса поток нормально фокусируется на поверхности термопары, имеет мощность (3)

где εo - коэффициент черноты зеркальной поверхности конуса для нормальной составляющей входного потока к внутренней поверхности конуса,
N1 - мощность отраженного потока.

Мощность, поглощаемая термопарой и определяемая ее нагрев, определится (4)

где ε1 - коэффициент черноты поверхности термопары или, подставив из (2) N0, получим (5)

Разделив (5) на площадь цилиндрической поверхности термопары в зоне поглощения, т.е. на π x d x R, получим плотность поглощенной энергии (6)

где d - диаметр термопары.

С другой стороны, плотность E1 связана законом Стефана-Больцмана выражением (7)
E1= ε1×σ×T4л

= ε1×σ×(Tc+273°)4 (7)
где TК - температура нагрева термопары по Кельвину от поглощения солнечной энергии,
TC - температура нагрева термопары по Цельсию,
σ = 5,7 х 1012 Вт х см2 х град4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Приравняв (6) и (7) после соответствующих сокращений, получим (8)
Ko×σ1×Eo= T4к

= (Tc+273°)4, (8)
где коэффициент усиления оптического усилителя.

Если учесть линейность характеристики термопары, т.е. пропорциональность термоЭДС температуре по Цельсию, то (8), выраженное через e1 и e0, примет вид (9)
Ko×σ-1×K4т

×Eo= (eт+eo)4, (9)
где Kт - чувствительность термопары в B-1, oC,
eт - термоЭДС термопары,
e0 = Kтх273o - напряжение сдвига нуля Цельсия в абсолютный нуль Кельвина.

Для электрической части функционально-блочной схемы чертежа, начиная с усилителя 3 до выхода 7, получим (10)
U1 = K34 х (K4 х K5)2 х K6 х K7 х (eт + e0)4,
где K3 - коэффициент усиления усилителя 3,
K4 - коэффициент передачи квадратора 4 в В-1,
K5 - коэффициент усилителя 5,
K6 - коэффициент передачи квадратора 6 в В-1.

K7 - коэффициент усилителя 7.

Подставив из (9) и (10) четвертую степень (eт + e0), получим характеристику датчика плотности мощности входного солнечного потока Фс (11)
U7 = K34х (K4х K5)2х K6х K7х K0 х δ1 х Kт4 х E0 (11)
Если учесть, что выпускаемые промышленностью многожильные устройства имеют коэффициенты передачи сигналов K4 = K6 = 10-2 х B-1 и подставить численное значение σ-1 в (11), то получим (12)
U7 = 1,754386 х 105 х K0 х (K3 х K1)4 х K5 х K7 х E0) (12)
Величина чувствительности термопар Kт равна примерно для хромель-алюмеля Kт 4 х10-5 В х град-1.

Если напряжение U7 измеряют вольтметром, отградуированным в единицах E0, то получим измеритель плотности солнечного потока в единицах Bn х см-2 или кВт х м-2.

Для этого плоский образец исследуемого материала площадью несколько большей, чем площадь основания зеркального конуса, располагается под углом 45o к солнечному потоку и производится для измерения входной плотности для прямого потока
U71 = K х E01 (13)
и отраженного потока от пластины

где K - коэффициент передачи измерителя плотности.

Разделив (14) на (13) после преобразования, получим (15)

Источники информации
1. А.С. Локк, Управление снарядами, ГИФ-МЛ, М., 1958 г., с. 148-178.

2. Стронг Дж. Практика современной физической лаборатории, Гостехиздат, М., 1948 г. 2 л. VII.

3. МСЭ. "Советская энциклопедия", М., 1960 г., т. 8, с. 261-268, т. 9, с. 1087.

Похожие патенты RU2165599C2

название год авторы номер документа
СЧЕТЧИК СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 2001
  • Колесников К.Д.
RU2213913C2
ВЕТРОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 2001
  • Колесников К.Д.
RU2191288C1
СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТИЛЬНИК (ВАРИАНТЫ) 2000
  • Колесников К.Д.
RU2182287C2
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 1998
  • Колесников К.Д.
RU2147358C1
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА 2002
  • Колесников К.Д.
RU2210096C1
СПОСОБ РАСКРОЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПАРАБОЛИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ ПРИЕМА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 1998
  • Колесников К.Д.
RU2134174C1
Способ измерения температуры локальных участков поверхности расплава в тигле при выращивании методом Чохральского монокристаллов веществ с температурой плавления выше 650С 2016
  • Колесников Александр Игоревич
  • Каплунов Иван Александрович
  • Талызин Игорь Владимирович
  • Третьяков Сергей Андреевич
  • Колесникова Ольга Юрьевна
  • Шмидт Вера Александровна
  • Иванова Полина Владимировна
RU2652640C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 1998
  • Колесников К.Д.
RU2133926C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2016
  • Сиренко Александр Васильевич
  • Мазанов Валерий Алексеевич
  • Кокшаров Виктор Васильевич
  • Макейкин Евгений Николаевич
  • Маркин Сергей Викторович
  • Авдошина Ольга Евгеньевна
RU2617725C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА (ВАРИАНТЫ) 2015
  • Брыкин Михаил Владимирович
  • Васин Андрей Андреевич
  • Шейндлин Михаил Александрович
RU2597937C1

Реферат патента 2001 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ПОТОКА

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для определения плотности мощности солнечного потока включает оптический усилитель плотности мощности, термопару, три электроусилителя напряжения и два блока возведения напряжения в квадрат между электроусилителями, при этом оптический усилитель выполнен в виде полого круглого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и с радиусом основания, равным высоте. Технический результат - создание простого и малогабаритного устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 165 599 C2

1. Устройство для определения плотности мощности солнечного потока, включающее оптический усилитель плотности мощности, термопару, три электроусилителя напряжения, два блока возведения напряжения в квадрат, блок питания электроусилителей и элемента сдвига нуля шкалы температур Цельсия в нуль Кельвина, отличающееся тем, что в нем последовательно включены оптический усилитель, термопара, элемент сдвига нуля шкалы Цельсия в нуль Кельвина и два блока возведения напряжения в квадрат между электроусилителями, при этом оптический усилитель выполнен в виде полого круглого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и с радиусом основания, равным высоте, причем отраженный от зеркальной поверхности конуса поток фокусируется на поверхности термопары. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спай термопары покрашен в черный цвет, обеспечивающий максимальное поглощение солнечной энергии, а ее выходное напряжение согласуется с напряжением сдвига нуля шкалы Цельсия в нуль Кельвина.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2165599C2

RU 2075044 C1, 10.03.1997
Устройство для измерения спектрального коэффициента излучения серых тел 1983
  • Игнатьев Борис Сергеевич
  • Динкель Альфред Данилович
  • Зуев Валентин Никитович
  • Дерягин Константин Васильевич
SU1096506A1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МОСТА 2015
  • Куделькин Владимир Андреевич
RU2598803C1
US 4522511A, 11.06.1985.

RU 2 165 599 C2

Авторы

Колесников К.Д.

Даты

2001-04-20Публикация

1999-05-11Подача