一種太陽能光熱發電真空集熱管及其檢測系統和方法與流程
2023-10-11 19:05:34
本發明特別涉及一種太陽能光熱發電真空集熱管及其檢測系統和方法,屬於太陽能光熱發電部件及其檢測技術領域。
背景技術：
太陽能光熱發電真空集熱管為太陽能光熱發電系統的核心部件,其熱性能直接決定了整個集熱系統的熱轉換效率。傳統的真空集熱管的外管為玻璃鍍且有選擇性膜層,內管為金屬吸熱管鍍且有選擇性膜層,外管與內管之間為真空狀態,有效保證該真空狀態,可有效提高真空集熱管的保溫性能,從而提高真空集熱管的集熱性能。
金屬吸熱管,即內管的缺陷、疲勞裂紋以及膜層的損壞都會影響集熱管的集熱效率,進而影響整個集熱系統的效率,所以對內管的缺陷、疲勞裂紋以及膜層的檢驗和監測是很有必要的。
現有技術中,主要採用人工觀察的方式,觀察真空集熱管是否有損壞和傷痕,存在檢測效率低、檢測不準確、檢測結果嚴重依賴檢測員個人經驗的問題。
為克服現有技術的不足,本發明提供了一種太陽能光熱發電真空集熱管及其檢測系統和方法。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種太陽能光熱發電真空集熱管及其檢測系統和方法,提高真空集熱管的檢測效率、檢測準確性,使得缺陷檢驗結果可視化。
發明的技術解決方案如下:
一種太陽能光熱發電真空集熱管檢測系統,包括:
控制系統；電磁感應加熱模塊,產生渦流對集熱管加熱；紅外測量成像模塊,用於測量集熱管發射的短波紅外輻射、中波紅外輻射、長波紅外輻射和溫度中的一種或者多種,以照片序列和/或熱像圖序列記錄下來；運動模塊,控制集熱管與檢測系統組件之間的相對運動；信號處理模塊,用於處理照片序列和/或熱像圖序列,獲得特徵值；及診斷模塊,用於建立特徵值與集熱管狀態量的對應關係,利用特徵值對集熱管的缺陷進行檢測、分類和定量。
進一步,所述電磁感應加熱模塊,包括激勵源和線圈,所述激勵源用於產生高頻激勵信號給線圈,從而產生渦流對集熱管加熱。
進一步,所述電磁感應加熱模塊還包括保證控制線圈溫度的水冷系統。
進一步,所述線圈為周向渦流線圈、軸向渦流線圈、可拆卸線圈、兩個並列的軸向線圈或兩個並列的周向線圈、多個並列的軸向渦流線圈或多個個並列的周向渦流線圈。
作為可選的實施方式,所述線圈為周向渦流線圈,包括骨架和纏繞在骨架上的線圈,使得金屬管中感應出周向的渦流,骨架材料可以為磁性材料骨架。
作為可選的實施方式,所述線圈為周向亥姆霍茲渦流線圈,包括一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸,通以同方向電流,當線圈間距等於線圈半徑時,兩個載流圓線圈的總磁場在軸的中點附近的範圍內是均勻的，可在金屬管中感應出軸向磁場和周向渦流,以擴大檢測面積；進一步，或者,所述線圈為多個並排的周向渦流線圈,以達到更好的檢測效果。
作為可選的實施方式,所述線圈為軸向渦流線圈,包括骨架和纏繞在骨架上的線圈,使得金屬吸熱管中感應出來的渦流是軸向的,骨架材料可以為磁性材料骨架。或者,線圈可以為兩個並排的軸向渦流線圈,包括一對相同的軸向渦流線圈彼此平行且共軸設置,兩個軸向渦流線圈聯合使用使得其中間區域既可以有軸向渦流產生,又可以被短波紅外相機和紅外熱像儀測量；或者,線圈可以為多個並列的軸向渦流線圈,以達到更好的檢測效果。
作為可選的實施方式,所述線圈為可拆卸軸向渦流線圈,包括骨架、纏繞在骨架上的線圈、鉸鏈和結合處,骨架可以是磁性材料骨架,鉸鏈用於可拆卸軸向渦流線圈的開合,結合處保證可拆卸軸向渦流線圈閉合時緊密接觸,減少磁洩露。
作為可選的實施方式,所述線圈為兩個並列的軸向渦流線圈,包括一對相同的軸向渦流線圈彼此平行且共軸設置,兩個軸向渦流線圈聯合使用使得其中間區域既可以有軸向渦流產生,又可以被短波紅外相機和紅外熱像儀測量。
進一步,所述紅外測量成像模塊包括短波紅外相機和紅外熱像儀,短波紅外相機用於測量集熱管發射的短波紅外輻射,以照片序列記錄下來；紅外熱像儀用於測量集熱管發射的中波或長波紅外輻射或者溫度,以熱像圖序列記錄下來；所述運動模塊包括固定集熱管的支架,和帶動集熱管相對運動的位移平臺；所述紅外測量成像模塊設置在集熱管上方,所述集熱管下方設置有加裝鍍有特定膜層的反射板,使集熱管背面的紅外輻射反射到紅外測量成像模塊中。
一種應用於上述太陽能光熱發電真空集熱管檢測系統的方法,包括以下步驟:通過電磁感應加熱模塊產生渦流對集熱管加熱,運動模塊控制集熱管與檢測系統組件之間進行相對運動,通過紅外測量成像模塊測量集熱管發射的短波紅外輻射、中波紅外輻射、長波紅外輻射和溫度中的一種或者多種,以照片序列和/或熱像圖序列記錄下來,信號處理模塊處理照片序列和/或熱像圖序列,獲得特徵值,診斷模塊建立特徵值與集熱管狀態量的對應關係,利用特徵值對集熱管的缺陷進行檢測、分類和定量。
一種應用所述太陽能光熱發電真空集熱管檢測系統的太陽能光熱發電真空集熱管,包括外玻璃管和金屬吸熱管,所述外玻璃管和金屬吸熱管之間為真空狀態,所述金屬吸熱管外面鍍有吸收膜層,外玻璃管外面鍍有減反射塗層。
有益效果:
1.提出了一種新的太陽能光熱發電真空集熱管及其檢測系統和方法,使得太陽能光熱發電高溫真空集熱管的檢測不再依賴檢驗員個人經驗,提高了測試效率及準確性,缺陷檢驗結果可視化。
2.線圈做出了改進,改進成可拆卸軸向渦流線圈,能夠方便對在役集熱管進行檢測和在役監測。
3.線圈做出了改進,改進成亥姆霍茲線圈形式,中間區域磁場渦流均勻,且這部分區域沒有相機遮擋視線,能夠方便對集熱管進行檢測和在役監測
4.為了實現集熱管一周360°的全方位檢測,在集熱管背面加裝反射板,使背面的紅外輻射反射到相機中。
附圖說明
圖1為真空集熱管及檢測系統的結構示意圖；
圖2為帶周向亥姆霍茲渦流線圈的真空集熱管及檢測系統的結構示意圖；
圖3為帶軸向渦流線圈的真空集熱管及檢測系統的結構示意圖；
圖4為針對可拆卸軸向渦流線圈的真空集熱管及檢測系統的結構示意圖；
圖5為帶兩個軸向渦流線圈的真空集熱管及檢測系統的結構示意圖；
圖6為針對在役檢測的真空集熱管及檢測系統的結構示意圖。
1:減反射塗層；2:外玻璃管；3:吸收膜層；4:金屬吸熱管；5:短波紅外相機；6:周向渦流線圈；7:激勵源；8:紅外熱像儀；9:支架；10:位移平臺；11:水冷系統；12:信號處理模塊；13:診斷模塊；14:軸向渦流線圈；15:鉸鏈；16:結合處；17:可拆卸軸向渦流線圈；18和20:周向亥姆霍茲渦流線圈；19:控制系統。
具體實施方式
為了便於理解本發明,下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本文發明做更全面、細緻地描述,但本發明的保護範圍並不限於一下具體實施例。
除非另有定義,下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的,並不是旨在限制本發明的保護範圍。
參照圖1-6,一種太陽能光熱發電真空集熱管檢測系統,包括:控制系統；電磁感應加熱模塊,產生渦流對集熱管加熱；紅外測量成像模塊,用於測量集熱管發射的短波紅外輻射、中波紅外輻射、長波紅外輻射和溫度中的一種或者多種,以照片序列和/或熱像圖序列記錄下來；運動模塊,控制集熱管與檢測系統組件之間的相對運動；信號處理模塊,用於處理照片序列和/或熱像圖序列,獲得特徵值；及診斷模塊,用於建立特徵值與集熱管狀態量的對應關係,利用特徵值對集熱管的缺陷進行檢測、分類和定量。
進一步,所述電磁感應加熱模塊,包括激勵源和線圈,和保證控制線圈溫度的水冷系統,所述激勵源用於產生高頻激勵信號給線圈,從而產生渦流對集熱管加熱,所述線圈處設置有溫度感應器,所述溫度感應器感應到溫度後,將溫度信號輸送至控制系統,控制系統控制水冷系統的功率,改變水冷系統內冷卻水的流速,所述水冷系統的管道伸至線圈處,可以根據線圈的形狀和布置進行適配,水冷系統內冷卻水的流速越快,對線圈的降溫作用更強,從而實現線圈的精準加熱。
可選的,所述線圈為周向渦流線圈或軸向渦流線圈。所述線圈為周向渦流線圈,可在金屬管中感應出周向的渦流。進一步,所述線圈為軸向渦流線圈,包括骨架和纏繞在骨架上的線圈,使得金屬吸熱管中感應出來的渦流是軸向的,骨架材料可以為磁性材料骨架。可選的,所述線圈為周向亥姆霍茲渦流線圈,包括一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸,通以同方向電流,當線圈間距等於線圈半徑時,兩個載流圓線圈的總磁場在軸的中點附近的範圍內是均勻的。可選的,所述線圈為可拆卸軸向渦流線圈,包括骨架、纏繞在骨架上的線圈、鉸鏈和結合處,骨架可以是磁性材料骨架,鉸鏈用於可拆卸軸向渦流線圈的開合,結合處保證可拆卸軸向渦流線圈閉合時緊密接觸,減少磁洩露。
所述紅外測量成像模塊包括短波紅外相機和紅外熱像儀,短波紅外相機用於測量集熱管發射的短波紅外輻射,以照片序列記錄下來；紅外熱像儀用於測量集熱管發射的中波或長波紅外輻射或者溫度,以熱像圖序列記錄下來；所述運動模塊包括固定集熱管的支架,和帶動集熱管相對運動的位移平臺,所述紅外測量成像模塊設置在集熱管上方,所述集熱管下方設置有加裝鍍有特定膜層的反射板,使集熱管背面的紅外輻射反射到紅外測量成像模塊中。
一種應用於上述太陽能光熱發電真空集熱管檢測系統的方法,包括以下步驟:通過電磁感應加熱模塊產生渦流對集熱管加熱,運動模塊控制集熱管與檢測系統組件之間進行相對運動,通過紅外測量成像模塊測量集熱管發射的短波紅外輻射、中波紅外輻射、長波紅外輻射和溫度中的一種或者多種,以照片序列和/或熱像圖序列記錄下來,信號處理模塊處理照片序列和/或熱像圖序列,獲得特徵值,診斷模塊建立特徵值與集熱管狀態量的對應關係,利用特徵值對集熱管的缺陷進行檢測、分類和定量。
一種應用所述太陽能光熱發電真空集熱管檢測系統的太陽能光熱發電真空集熱管,包括外玻璃管2和金屬吸熱管4,所述外玻璃管2和金屬吸熱管4之間為真空狀態,所述金屬吸熱管4外面鍍有吸收膜層3，一般由減反層、吸收層、紅外反射層和襯底構成，優選的，可以是陶瓷減反層、金屬陶瓷吸收層、金屬紅外反射層和玻璃或金屬材質的襯底構成,外玻璃管2外面鍍有減反射塗層1，一般為金屬氧體物、氮化物或氮氧化物減反射塗層。因為外玻璃管2的存在,短波紅外成像有一個其他技術無可比擬的主要優點,即它能夠透過玻璃進行成像,所以用到短波紅外相機檢測。
又因為吸收膜層3和減反射塗層1存在,它們的缺陷可以在溫度的差異變化反應出來,同時集熱管中金屬吸熱管4的缺陷也能通過溫度差異變化反應出來。
具體實施例:一種太陽能光熱發電真空集熱管的檢測系統,包括控制系統19、紅外測量成像模塊、電磁感應加熱模塊、運動模塊、外接設備、信號處理模塊12及診斷模塊13。
其中,電磁感應加熱模塊包括激勵源7、線圈和水冷系統11,激勵源7用於產生高頻激勵信號給用線圈產生渦流給集熱管加熱,水冷系統11保證控制線圈的溫度。
其中,紅外測量成像模塊包括短波紅外相機5和紅外熱像儀8,短波紅外相機5用於測量集熱管發射的短波紅外輻射,以照片序列記錄下來。紅外熱像儀8用於測量集熱管發射的中波或長波紅外輻射或者溫度,以熱像圖序列記錄下來。
其中,控制系統19,用於控制電磁感應加熱觸發、斷開、加熱時間、工作頻率以及紅外測量成像模塊的聯動；在具體實施方式中,控制系統19為計算機,或者控制系統19、信號處理模塊12及診斷模塊13一起,功能及結構集成為計算機。
其中,運動模塊即位移平臺10,包括一個支架9和位移平臺10,支持集熱管相對運動。
其中,信號處理模塊12用於處理短波紅外輻射照片序列以及紅外熱像儀8的熱像圖和序列,獲得特徵值。
其中,診斷模塊13用於建立特徵值與集熱管狀態量的對應關係,利用特徵值對集熱管的缺陷進行檢測、分類和定量。
紅外測量成像模塊是利用紅外短波相機和紅外熱像儀接受集熱管的紅外輻射能量分布,以紅外短波圖片和熱像圖序列的形式記錄下來,這種紅外短波圖片和熱像圖序列集熱管表面的熱分布場相對應。通俗地講紅外短波相機和紅外熱像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可記錄的紅外短波照片和熱圖像序列。
信號處理模塊對紅外短波照片和熱圖像序列按預期的目的及要求進行加工,把記錄在紅外檢測模塊的圖像或圖像序列進行處理,以便抽取出有用的圖像信息,對圖像信息進行提取特徵值、變換圖像、分析、綜合等。
診斷模塊13根據經過信號處理短波紅外圖片和熱成像圖片之後的特徵值對集熱管的缺陷進行檢測,進一步分析設備在各種故障狀態下的熱像及溫升,再結合其他檢測結果,就能較好地診斷出設備故障及故障點和類型。
進一步,在可選的實施方式中,信號處理模塊12、診斷模塊13和控制系統19是分開的,各位獨立系統,控制系統19隻用於控制電磁感應加熱觸發、斷開、加熱時間、工作頻率以及紅外測量成像模塊的聯動。作為可選的實施方式,信號處理模塊12、診斷模塊13和控制系統19可以為一體的控制模塊結構,該控制模塊結構可以統稱為控制系統19。
進一步,線圈有多種形式,作為具體的實施方式,可以為周向渦流線圈6或軸向渦流線圈14或兩個並列的軸向線圈或兩個並列的周向線圈或可拆卸軸向渦流線圈17或周向亥姆霍茲渦流線圈18或多個並排的周向渦流線圈或多個並排的軸向渦流線圈。
如圖1所示,周向渦流線圈6在金屬吸熱管中感應出來的渦流是圓周方向的。如圖3所示,軸向渦流線圈14包括骨架和纏繞在骨架上的線圈,且在金屬吸熱管中感應出來的渦流是軸向的,骨架材料可以是磁性材料。這樣有利於檢測不同走向的裂紋缺陷。
進一步,圖1中周向渦流線圈6可以改進成圖2中周向亥姆霍茲渦流線圈18。實際檢測中,周向渦流線圈6會遮擋短波紅外相機5和紅外熱像儀8的視線,而周向亥姆霍茲渦流線圈18的中間區域既可以有周向渦流產生,又可以被短波紅外相機5和紅外熱像儀8測量。亥姆霍茲線圈的定義為:如果有一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸,通以同方向電流,當線圈間距等於線圈半徑時,兩個載流線圈的總磁場在軸的中點附近的較大範圍內是均勻的。這對線圈稱為亥姆霍茲線圈。
進一步,如圖5所示,作為可選的實施方式,所述線圈為兩個並列的軸向渦流線圈,包括一對相同的軸向渦流線圈14彼此平行且共軸設置,兩個軸向渦流線圈14聯合使用使得其中間區域既可以有軸向渦流產生,又可以被短波紅外相機和紅外熱像儀測量。即,軸向渦流線圈14改進成兩個軸向渦流線圈14聯合使用形式,注意到軸向渦流線圈14會遮擋相機的視線,而用兩個軸向渦流線圈14聯合使用形式則中間區域既可以有軸向渦流產生,又可以被短波紅外相機和紅外熱像儀測量。
進一步,如圖4所示,對於軸向渦流線圈14做出了改進,因為在役的集熱管是聯排的,不可拆卸線圈不適合現場作業,改進成可拆卸軸向渦流線圈17,可拆卸軸向渦流線圈17包括骨架、纏繞在骨架上的線圈、鉸鏈15和結合處16,骨架材料可以是磁性材料,鉸鏈15用於可拆卸軸向渦流線圈17開合,結合處16保證可拆卸軸向渦流線圈17閉合時緊密接觸,減少磁洩露。
利用如上所述的檢測系統進行高溫真空集熱管真空檢測的方法,包括以下步驟:集熱管放在固定在位移臺上,短波紅外相機和紅外熱像儀以一定距離固定在集熱管旁邊,線圈通電開啟水冷系統,開啟短波紅外相機和紅外熱像儀,啟動位移臺帶動集熱管從一端運動到另一端,以完成線圈對集熱管的加熱,位移是相對的,可以線圈運動而集熱管不動,這種情形適合在對集熱管的在役檢測監測過程中,短波紅外相機和紅外熱像儀記錄溫度變化數據圖像,信號處理模塊處理短波紅外輻射照片序列以及熱像儀的熱像圖和序列,獲得特徵值,診斷模塊利用特徵值對缺陷進行檢測、分類和定量。
以上方案的檢測適用於生產環節。
如圖6所示,針對在役檢測,改進方式如下:因為在役的集熱管是聯排的,不可拆卸線圈不適合現場作業,改進成可拆卸軸向渦流線圈17,可拆卸軸向渦流線圈17包括骨架、纏繞在骨架上的線圈以及鉸鏈15和結合處16,骨架材料可以是磁性材料,鉸鏈15用於可拆卸軸向渦流線圈17開合,結合處16保證可拆卸軸向渦流線圈17閉合時緊密接觸,減少磁洩露。
為了實現集熱管一周360°的全方位檢測,在生產線上可以加一個旋轉機構旋轉集熱管,而對於集熱管的在役檢測監測,集熱管不可以旋轉,對此進行改進,因為在役檢測有反射鏡,相機無法安裝在底部,為了集熱管背面怎麼檢測,在集熱管背面加裝鍍有特定膜層的反射板,使背面的紅外輻射反射到相機中。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解,本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此,凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案,皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。