一种用于高温材料辐射特性的测量系统
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种用于高温材料辐射特性的测量系统。
背景技术
太阳能热发电是太阳能热利用的主要方式。太阳能通过集热器转化为工作介质的热能，驱动热循环发电，实现太阳能的转换过程。太阳能集热器是太阳能热发电系统中非常重要的部件，它不仅将太阳的辐射能转化为热能，而且对发电系统和蓄热系统的性能有很大的影响。太阳能集热器主要包括液体集热器、气体热集热器和固体颗粒集热器，其中固体颗粒集热器的出口温度可达到1000℃以上，热效率高，在超临界CO2热力循环中具有广阔的应用前景。由于固体颗粒直接吸收太阳能，因此颗粒对太阳能吸收的能力和颗粒对外辐射的能力都直接影响颗粒吸热器的性能。目前测试物体对太阳能的吸收率和红外发射率，大多通过紫外-可见-近红外分光光度计和傅里叶红外光谱仪测出物体的透射率和反射率，从而计算出吸收率和发射率。颗粒吸收太阳能后温度升高，因此需要测试颗粒在高温下的吸收率和发射率评估固体颗粒吸热器的性能。
测量材料吸收率的方法主要有能量法和反射法。反射法就是通过积分球测试出材料的反射率和透射率，根据能量守恒得出吸收率。能量法是根据发射率定义，在相同的温度和工况下，通过傅里叶红外光谱仪测量材料和黑体的辐射力，计算得出发射率，根据基尔霍夫定律得出吸收率。上述两种方法各有特点：反射法理论上可以对任何温度下的材料进行测量，但是需要对积分球做相应改造，实验难度较大。利用能量法测试实验系统结构简单，原理明了，但是材料的辐射力分布需在测试范围之内，否则光谱仪无法探测到相应的能量信号。高温材料光谱辐射特性测量的要点和难点在于：
（1）测量方法：系统需要测试0-1000℃以内任何不同温度的辐射特性，难以用能量法测量太阳辐射波段内的吸收率，因此需要通过积分球间接测量出材料在紫外可见近红外的吸收率，而中红外波段的发射率则通过能量法进行。
（2）加热方式：材料主要为颗粒。材料体积小，加热的温度高，同时在加热时需避免环境温升所带来的干扰。因此需要对材料进行精准的加热，并且降低环境温升。
（3）测温方式：测试材料主要是颗粒，直径一般为0-10mm,而且表面为球面，热电偶等接触式测量方法难以实施。
（4）减少背景干扰：紫外可见波段测试受环境中的可见光影响大，而中红外波段的测试受水汽和二氧化碳的影响较大，需要通过遮光箱和惰性气氛减少环境带来的背景干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于高温材料辐射特性的测量系统，以实现材料在不同温度下对太阳波段吸收率和中红外波段发射率的测量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种用于高温材料辐射特性的测量系统，包含遮光箱、加热模块和吸收率测量模块；
所述遮光箱用于屏蔽外界光源，使得其内处于无光状态；
所述加热模块包含加热座、台架、二氧化碳激光器、反射镜、聚光镜和水冷机，其中，加热座、台架、二氧化碳激光器、反射镜、聚光镜均设置在遮光箱内，水冷机置于遮光箱外；
所述加热座采用低导热系数的材质制成，包含基座和加热台，其中，所述基座设有供激光通过照射至加热台的通孔；所述加热台固定在基座上，用于放置不透明的待测量材料、使得从基座通孔穿过的激光能够照射至加热台上固定的材料上；
所述基座固定在所述台架上；所述台架内设有空腔，且台架上设有进光口和出光口；所述反射镜、聚光镜均设置在台架的空腔内；
所述二氧化碳激光器用于发出激光，使得激光从台架的进光口照射至台架空腔内的反射镜上；
所述反射镜用于将二氧化碳激光器发射的激光反射至聚光镜上；
所述聚光镜用于将反射镜反射的激光聚焦提高能量密度后从台架的出光口经由基座上的通孔照射至加热台底部对加热台上的带测量材料进行加热；
所述基座内设有用于散热的流体通道且基体表面设有和所述流体通道相连的进水口、出水口；
所述水冷机的输出口、输入口分别通过管道伸入遮光箱内和基座表面的进水口、出水口对应相连，用于对基体进行散热；
吸收率测量模块包含氙灯、聚光镜、积分球、双色红外测温仪、石英光纤、光纤光谱仪和计算单元，其中，氙灯、聚光镜、积分球、双色红外测温仪置于遮光箱内，光纤光谱仪、计算单元置于遮光箱外；
所述积分球上设有发光孔、透光孔和测温孔，积分球通过发光孔和加热台固连、将待测量的材料置于积分球内；
所述氙灯、透光镜均设置在积分球外，所述氙灯用于模拟太阳光、并通过聚光镜汇聚缩小光斑后经过积分球上的透光孔照射至待测量的材料上；
所述双色红外测温仪设置在积分球外、通过测温孔对准待测量的材料，用于测量待测量材料的温度并将其传递给所述计算单元；
所述石英光纤一端和积分球内腔体联通，另一端穿过遮光箱和光纤光谱仪相连，用于将积分球内经过漫反射后的光传输至光纤光谱仪；
所述光纤光谱仪用于分析所接受光的光谱信息并将其传递给所述计算单元；
所述计算单元分别和双色红外测温仪、光纤光谱仪电气相连，用于根据接受到的光谱信息计算出当前温度下待测量材料对太阳波段的吸收率。
作为本发明一种用于高温材料辐射特性的测量系统进一步的优化方案，所述加热座和台架均采用310s不锈钢制成，防止激光加热温度过高导致加热座损坏。
作为本发明一种用于高温材料辐射特性的测量系统进一步的优化方案，所述遮光箱内壁上涂有用于吸光的涂料，以减少外部可见光的干扰。
作为本发明一种用于高温材料辐射特性的测量系统进一步的优化方案，所述加热台上涂有聚四氟乙烯涂层，使得氙灯发出的入射光不被加热腔底座所吸收，减少测试的干扰。
本发明还公开了另一种用于高温材料辐射特性的测量系统，包含遮光箱、氮气气瓶、气氛室、加热模块和发射率测量模块；
所述遮光箱用于屏蔽外界光源，使得其内处于无光状态；所述氮气气瓶设置在遮光箱外；
所述气氛室至于遮光箱内，其上设有激光孔、测温孔、氮气孔、辐射入口和辐射出口，所述激光孔上设有密封的硒化锌玻璃，测温孔上设有密封的石英玻璃，氮气孔通过管道穿出遮光箱和氮气气瓶的出口相联通；
所述加热模块包含加热座、台架、二氧化碳激光器、反射镜、聚光镜和水冷机，其中，二氧化碳激光器置于遮光箱内、气氛室外，加热座、台架、反射镜、聚光镜均置于气氛室内，水冷机置于遮光箱外；
所述加热座采用低导热系数的材质制成，包含基座和加热台，其中，所述基座设有供激光通过照射至加热台的通孔；所述加热台固定在基座上，用于放置不透明的待测量材料、使得从基座通孔穿过的激光能够照射至加热台上固定的材料上；
所述基座固定在所述台架上；所述台架内设有空腔，且台架上设有进光口和出光口；所述反射镜、聚光镜均设置在台架的空腔内；
所述二氧化碳激光器用于发出激光，使得激光依次经过气氛室的激光孔、台架的进光口后照射至台架空腔内的反射镜上；
所述反射镜用于将二氧化碳激光器发射的激光反射至聚光镜上；
所述聚光镜用于将反射镜反射的激光聚焦提高能量密度后从台架的出光口经由基座上的通孔照射至加热台底部对加热台上的带测量材料进行加热；
所述基座内设有用于散热的流体通道且基体表面设有和所述流体通道相连的进水口、出水口；
所述水冷机的输出口、输入口分别通过管道伸入遮光箱内和基座表面的进水口、出水口对应相连，用于对基体进行散热；
所述发射率测量模块包含双色红外测温仪、黑体炉、旋转镜架、准直镜、傅里叶红外光谱仪和计算单元；
所述双色红外测温仪设置在气氛室外、通过测温孔对准待测量的材料，用于测量待测量材料的温度并将其传递给所述计算单元；
所述黑体炉的输入端和气氛室的辐射入口密闭相连，所述傅里叶红外光谱仪的输入端通过管道和气氛室的辐射出口密闭相连；
所述准直镜通过旋转镜架设置在气氛室内，所述旋转镜架用于调整准直镜的角度、将待测量材料或黑体炉的红外辐射引入傅里叶红外光谱仪中；
所述傅里叶红外光谱仪用于分析引入的红外辐射得到该红外辐射的中红外波段光谱发射率，并将其传递给所述计算单元；
所述计算单元分别和二氧化碳激光器、双色红外测温仪、黑体炉、傅里叶红外光谱仪电气相连，用于获得相同温度下黑体炉和待测量材料的中红外波段光谱发射率，进而计算出待测量材料在中红外波段的发射率。
作为该另一种用于高温材料辐射特性的测量系统进一步的优化方案，所述加热座和台架均采用310s不锈钢制成，防止激光加热温度过高导致加热座损坏。
作为该另一种用于高温材料辐射特性的测量系统进一步的优化方案，所述遮光箱内壁上涂有用于吸光的涂料，以减少外部可见光的干扰。
作为该另一种用于高温材料辐射特性的测量系统进一步的优化方案，所述加热台上涂有聚四氟乙烯涂层，使得氙灯发出的入射光不被加热腔底座所吸收，减少测试的干扰。
作为该另一种用于高温材料辐射特性的测量系统进一步的优化方案，所述准直镜表面设有镀金保护膜，对2.5μm-25μm范围内的红外辐射有很高的反射率。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过对激光功率的调控，可以使试样达到不同温度，能够测试高温下材料对太阳辐射和中红外波长范围内的吸收率。
附图说明
图1为本发明高温材料辐射特性的测量系统（紫外可见近红外波长范围）结构示意图；
图2为本发明高温材料辐射特性的测量系统（中红外波长范围）结构示意图；
图中，1-氙灯，2-聚光镜，3-积分球，4-石英光纤，5-光纤光谱仪，6-计算单元，7-二氧化碳激光器，8-反射镜，9-激光聚光镜，10-台架，11-加热座，12-水冷机，13-待测量材料，14-双色红外测温仪，15-遮光箱，16-傅里叶红外光谱仪，17-准直镜，18-黑体炉，19-旋转镜架，20-气氛室，21-激光口，22-测温口，23-氮气气瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种用于高温材料辐射特性的测量系统，包含遮光箱、加热模块和吸收率测量模块；
所述遮光箱用于屏蔽外界光源，使得其内处于无光状态；
所述加热模块包含加热座、台架、二氧化碳激光器、反射镜、聚光镜和水冷机，其中，加热座、台架、二氧化碳激光器、反射镜、聚光镜均设置在遮光箱内，水冷机置于遮光箱外；
所述加热座采用低导热系数的材质制成，包含基座和加热台，其中，所述基座设有供激光通过照射至加热台的通孔；所述加热台固定在基座上，用于放置不透明的待测量材料、使得从基座通孔穿过的激光能够照射至加热台上固定的材料上；
所述基座固定在所述台架上；所述台架内设有空腔，且台架上设有进光口和出光口；所述反射镜、聚光镜均设置在台架的空腔内；
所述二氧化碳激光器用于发出激光，使得激光从台架的进光口照射至台架空腔内的反射镜上；
所述反射镜用于将二氧化碳激光器发射的激光反射至聚光镜上；
所述聚光镜用于将反射镜反射的激光聚焦提高能量密度后从台架的出光口经由基座上的通孔照射至加热台底部对加热台上的带测量材料进行加热；
所述基座内设有用于散热的流体通道且基体表面设有和所述流体通道相连的进水口、出水口；
所述水冷机的输出口、输入口分别通过管道伸入遮光箱内和基座表面的进水口、出水口对应相连，用于对基体进行散热；
吸收率测量模块包含氙灯、聚光镜、积分球、双色红外测温仪、石英光纤、光纤光谱仪和计算单元，其中，氙灯、聚光镜、积分球、双色红外测温仪置于遮光箱内，光纤光谱仪、计算单元置于遮光箱外；
所述积分球上设有发光孔、透光孔和测温孔，积分球通过发光孔和加热台固连、将待测量的材料置于积分球内；
所述氙灯、透光镜均设置在积分球外，所述氙灯用于模拟太阳光、并通过聚光镜汇聚缩小光斑后经过积分球上的透光孔照射至待测量的材料上；
所述双色红外测温仪设置在积分球外、通过测温孔对准待测量的材料，用于测量待测量材料的温度并将其传递给所述计算单元；
所述石英光纤一端和积分球内腔体联通，另一端穿过遮光箱和光纤光谱仪相连，用于将积分球内经过漫反射后的光传输至光纤光谱仪；
所述光纤光谱仪用于分析所接受光的光谱信息并将其传递给所述计算单元；
所述计算单元分别和双色红外测温仪、光纤光谱仪电气相连，用于根据接受到的光谱信息计算出当前温度下待测量材料对太阳波段的吸收率。
如图2所示，本发明还公开了另一种用于高温材料辐射特性的测量系统，包含遮光箱、氮气气瓶、气氛室、加热模块和发射率测量模块；
所述遮光箱用于屏蔽外界光源，使得其内处于无光状态；所述氮气气瓶设置在遮光箱外；
所述气氛室至于遮光箱内，其上设有激光孔、测温孔、氮气孔、辐射入口和辐射出口，所述激光孔上设有密封的硒化锌玻璃，测温孔上设有密封的石英玻璃，氮气孔通过管道穿出遮光箱和氮气气瓶的出口相联通；
所述加热模块包含加热座、台架、二氧化碳激光器、反射镜、聚光镜和水冷机，其中，二氧化碳激光器置于遮光箱内、气氛室外，加热座、台架、反射镜、聚光镜均置于气氛室内，水冷机置于遮光箱外；
所述加热座采用低导热系数的材质制成，包含基座和加热台，其中，所述基座设有供激光通过照射至加热台的通孔；所述加热台固定在基座上，用于放置不透明的待测量材料、使得从基座通孔穿过的激光能够照射至加热台上固定的材料上；
所述基座固定在所述台架上；所述台架内设有空腔，且台架上设有进光口和出光口；所述反射镜、聚光镜均设置在台架的空腔内；
所述二氧化碳激光器用于发出激光，使得激光依次经过气氛室的激光孔、台架的进光口后照射至台架空腔内的反射镜上；
所述反射镜用于将二氧化碳激光器发射的激光反射至聚光镜上；
所述聚光镜用于将反射镜反射的激光聚焦提高能量密度后从台架的出光口经由基座上的通孔照射至加热台底部对加热台上的带测量材料进行加热；
所述基座内设有用于散热的流体通道且基体表面设有和所述流体通道相连的进水口、出水口；
所述水冷机的输出口、输入口分别通过管道伸入遮光箱内和基座表面的进水口、出水口对应相连，用于对基体进行散热；
所述发射率测量模块包含双色红外测温仪、黑体炉、旋转镜架、准直镜、傅里叶红外光谱仪和计算单元；
所述双色红外测温仪设置在气氛室外、通过测温孔对准待测量的材料，用于测量待测量材料的温度并将其传递给所述计算单元；
所述黑体炉的输入端和气氛室的辐射入口密闭相连，所述傅里叶红外光谱仪的输入端通过管道和气氛室的辐射出口密闭相连；
所述准直镜通过旋转镜架设置在气氛室内，所述旋转镜架用于调整准直镜的角度、将待测量材料或黑体炉的红外辐射引入傅里叶红外光谱仪中；
所述傅里叶红外光谱仪用于分析引入的红外辐射得到该红外辐射的中红外波段光谱发射率，并将其传递给所述计算单元；
所述计算单元分别和二氧化碳激光器、双色红外测温仪、黑体炉、傅里叶红外光谱仪电气相连，用于获得相同温度下黑体炉和待测量材料的中红外波段光谱发射率，进而计算出待测量材料在中红外波段的发射率。
这两种系统中，加热模块和遮光箱是相同的，加热座和台架均采用310s不锈钢制成，防止激光加热温度过高导致加热座损坏；遮光箱内壁上涂有用于吸光的涂料，以减少外部可见光的干扰；加热台上涂有聚四氟乙烯涂层，使得氙灯发出的入射光不被加热腔底座所吸收，减少测试的干扰。
在加热固体、粉末、颗粒时，加热台可以采用不同的结构。对颗粒进行加热时，加热台呈圆环状，加热台的外缘和基座直径较小的端面同轴固连，加热台中心通孔的直径小于颗粒的直径，保证颗粒固定的同时可以避免激光穿过颗粒对测试造成干扰；对粉体材料进行加热时，加热台采用和基座直径较小的端面同轴固连的粉末池，所述粉末池的底壁采用硒化锌材料制成，硒化锌对激光有很高的透过率，使得激光能够透过粉末池底壁照射至粉末池内的待测量材料；对固体材料进行加热时，加热台呈圆环状，加热台的外缘和基座直径较小的端面同轴固连，加热台中心通孔的直径小于固体的直径，结构类似于对颗粒加热时采用的结构，加热台中心通孔的直径较大。
通过对二氧化碳激光器功率的调整，能够调整待测量材料的加热温度。
待测量材料之所以是不透明的材质，是为了防止氙灯和激光器发出的光透过试样造成干扰。
计算单元可以采用单片机、也可以采用电脑。
此外，第二种方案中，准直镜表面设有镀金保护膜，对2.5μm-25μm范围内的红外辐射有很高的反射率。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
