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

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 = K_o×ε×σ×T4к

= K_o×ε×E_o, (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;
Т_к - 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 Ф_с 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, e_τ;
3. Усилитель электрического напряжения, входом в который является сумма e_τ + 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 Ф_с направлен нормально к основанию зеркального конуса и имеет мощность N₀ (2)
N_o= π×R²×E_o (2),
где R - радиус основания зеркального конуса,
E₀ - плотность мощности входного солнечного потока Ф_с..

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

где ε_o - 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×(T_c+273^°)⁴ (7)
где T_К - температура нагрева термопары по Кельвину от поглощения солнечной энергии,
T_C - 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)
K_o×σ¹×E_o= T4к

= (T_c+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)
K_o×σ^-1×K4т

×E_o= (e_т+e_o)⁴, (9)
где K_т - чувствительность термопары в B^-1, ^oC,
e_т - термоЭДС термопары,
e₀ = K_тх273^o - 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 (e_т + 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 (e_т + e₀), получим характеристику датчика плотности мощности входного солнечного потока Ф_с (11)
U₇ = K₃⁴х (K₄х K₅)²х K₆х K₇х K₀ х δ¹ х K_т⁴ 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 K_т равна примерно для хромель-алюмеля K_т 4 х10^-5 В х град^-1.

Если напряжение U₇ измеряют вольтметром, отградуированным в единицах E₀, то получим измеритель плотности солнечного потока в единицах B_n 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 45^o 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.

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.

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.