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| 标准编号 | GB/T 34334-2017 (GB/T34334-2017) | | 中文名称 | 光热玻璃反射镜面形测试方法 | | 英文名称 | Test method of mirror shape for solar collector | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | Q34 | | 国际标准分类 | 81.040.30 | | 字数估计 | 14,128 | | 发布日期 | 2017-10-14 | | 实施日期 | 2018-09-01 | | 起草单位 | 北京奥博泰科技有限公司、中国建材检验认证集团股份有限公司、中海阳能源集团股份有限公司、中广核太阳能开发有限公司 | | 归口单位 | 全国工业玻璃和特种玻璃标准化技术委员会(SAC/TC 447) | | 提出机构 | 中国建筑材料联合会 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 34334-2017
Test method of mirror shape for solar collector
ICS 81.040.30
Q34
中华人民共和国国家标准
光热玻璃反射镜面形测试方法
2017-10-14发布
2018-09-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
前言
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准由中国建筑材料联合会提出。
本标准由全国工业玻璃和特种玻璃标准化技术委员会(SAC/TC447)归口。
本标准起草单位:北京奥博泰科技有限公司、中国建材检验认证集团股份有限公司、中海阳能源集
团股份有限公司、中广核太阳能开发有限公司。
本标准主要起草人:卜聪、王精精、张喆民、李孟蕾、王珊珊、陆钧、张玉霞、苑静、王冬、邱娟、李博野、
李洋、王立闯、杨帆、冯甜、付璐、朱小炜、张继、杨慧、齐彬。
光热玻璃反射镜面形测试方法
1 范围
本标准规定了基于条纹反射原理的光热反射镜面形测试方法的术语和定义、符号、测试原理、仪器、
测试过程、参数计算和试验报告。
本标准适用于槽式、碟式、塔式用太阳能光热反射镜面形的测试。
2 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
2.1
面形高度偏差 heightdeviation
实际表面与理想表面在参考方向上的高度偏差。
2.2
斜率 slope
反射镜某点上切平面与参考平面的夹角正切值。
2.3
倾斜偏差 slopedeviation
反射镜某点处实际表面法线和理想表面法线的夹角。
2.4
聚焦偏差 focusdeviation
使用条件下,反射光线到反射镜理想焦点或焦线的距离。
2.5
反射镜各点聚焦偏差在参考平面上的分布。
2.6
沿理想入射方向均匀分布的平行光线,经反射镜反射至吸热装置上的光线数量与入射到反射镜上
的光线数量之比。
2.7
太阳光截断因子 suninterceptfactor
沿理想入射方向的太阳光经反射镜反射至吸热装置上的光线数量与入射到反射镜上的光线数量
之比。
2.8
以吸热装置的口径为横坐标,对应口径的实际镜面平行光截断因子为纵坐标,形成不同口径条件下
平行光截断因子分布曲线。
2.9
以吸热装置某一使用口径作为平行光截断因子分布曲线的边界条件,实际镜面平行光截断因子分
布曲线下面积与理想镜面平行光截断因子分布曲线下面积之比。
3 符号
下列符号适用于本文件。
CQF:会聚质量因子
FDx:使用坐标系(xyz)下,在x轴方向的聚焦偏差均方根
fdX(X,Y):测量坐标系(XYZ)下,在X 轴方向聚焦偏差分布
FDy:使用坐标系(xyz)下,在y轴方向的聚焦偏差均方根
fdY(X,Y):测量坐标系(XYZ)下,在Y 轴方向聚焦偏差分布
HD:测量坐标系(XYZ)下,面形高度偏差均方根
hd(X,Y):测量坐标系(XYZ)下,面形高度偏差分布
IC:平行光截断因子
ICsun:太阳光截断因子
RIC(φ):吸热装置平行光截断因子分布
SDX:测量坐标系(XYZ)下,在X 轴方向的倾斜偏差均方根
sdX(X,Y):测量坐标系(XYZ)下,在X 轴方向的倾斜偏差分布
SDY:测量坐标系(XYZ)下,在Y 轴方向的倾斜偏差均方根
sdY(X,Y):测量坐标系(XYZ)下,在Y 轴方向的倾斜偏差分布
4 测试原理
采用条纹反射原理进行光热玻璃反射镜面形测试。依据图形发生器、被测试样、图像采集器对应点
位置关系计算镜面各点斜率分布,进而求得倾斜偏差、聚焦偏差等面形参数,可由光线追迹法计算截断
因子等集光参数。
5 仪器
5.1 组成
仪器由图形发生器、被测试样、图像采集器、样品台、计算机和测试软件等部分组成,测试原理示意
图见图1。
说明:
1 ---被测试样;
2 ---图形发生器;
3 ---图像采集器;
A---图形发生器上某点;
B---试样镜面测试点;
B'---图像采集器像面上的一点,与镜面上的B点共轭;
C---图像采集器光阑中心;
α ---入射光线或反射光线相对于法线的夹角;
β ---镜面测试点处法线方向与Z 轴的夹角;
ω ---反射光线与Z 轴的夹角。
图1 反射镜面形测试原理示意图
5.2 数据采集及处理过程
5.2.1 建立测试坐标
建立测试坐标系XYZ,以XOY 面作为参考平面,Z 轴方向为参考方向,图形发生器和图像采集器
沿X 轴方向离轴分置。对于槽式反射镜,X 轴垂直于母线方向,Y 轴为母线方向。图1中A点坐标为
(XA,YA,ZA);B点坐标为(XB,YB,ZB);C点坐标为(XC,YC,ZC)。
5.2.2 确定测试点位置
镜面上的B点与图像采集器像面上的B'点为共轭点,根据图像采集器像面与镜面的成像对应关
系,并结合镜面方程可确定B点坐标(XB,YB,ZB)。图形发生器可分别产生平行于X、Y 方向的条纹,
平行于X 方向的条纹沿Y 方向进行扫描,由B'探测的时序光强可确定A点的位置坐标YA;平行于Y
方向的条纹沿X 方向进行扫描,由B'探测的时序光强可确定A点的位置坐标XA,由图形发生器的位
置可确定A点的位置坐标ZA,即得图形发生器上的A点坐标(XA,YA,ZA)。
5.2.3 获得测试点斜率及面形
由B'坐标可确定经C点(光阑中心)的光线与Z 轴的夹角ω,由∠ABC可计算出光线相对于法线的
夹角α,则镜面B点处法线方向与Z 轴的夹角β=α-ω。反射光线与Z 轴为逆时针方向夹角时ω为正
值。在测试坐标系下,被测点的切平面与XOY 面的夹角正切值,即为测试坐标系下的斜率。反射镜面
上各点B的面形斜率g在X 和Y 方向的分量gX、gY 分别由式(1)、式(2)计算:
gX=tanβX (1)
gY=tanβY (2)
式中:
βX ---β角在XOZ 平面上的投影角;
βY ---β角在YOZ 平面上的投影角。
被测面形Z(X,Y),可由式(3)计算:
Z(X,Y)=∫cg(X,Y)dr+Z(X0,Y0) (3)
式中:
c ---从被测面上一定点(X0,Y0)到(X,Y)点的积分路径;
Z(X0,Y0)---被测面上一定点(X0,Y0)的Z 坐标;
dr= dX2+dY2;
g(X,Y) ---被测面上某一定点(X,Y)处的斜率,其模值计算见式(4):
|g(X,Y)|= g2X(X,Y)+g2Y(X,Y) (4)
5.2.4 获得面形参数
5.2.4.1 根据测试坐标系下所得反射镜面形,可计算出如下参数:面形高度偏差分布hd(X,Y)、面形高
度偏差均方根HD、在X 轴方向倾斜偏差分布sdX(X,Y)、在Y 轴方向倾斜偏差分布sdY(X,Y)、在X
轴方向的倾斜偏差均方根SDX、在Y 轴方向的倾斜偏差均方根SDY、在X 轴方向聚焦偏差分布fdX
(X,Y)、在Y 轴方向聚焦偏差分布fdY(X,Y)。
5.2.4.2 将测试坐标系XYZ 下的斜率分布gX(X,Y)、gY(X,Y),根据使用要求转换至使用坐标系
xyz下的斜率分布gx(x,y)、gy(x,y)。使用坐标系xyz中,以理想入射光方向为z轴,镜面母线方向
为y轴,垂直yoz平面方向为x轴。用线性插值或面积投影加权等方法,在使用坐标系xyz平面上,根
据参数计算要求,形成等间隔的斜率分布,结合太阳光发散角、集热装置口径,可计算出如下参数:在
x轴方向的聚焦偏差均方根FDx、在y 轴方向的聚焦偏差均方根FDy、平行光截断因子IC、太阳光截
断因子ICsun、吸热装置平行光截断因子分布RIC(φ)、会聚质量因子CQF。
5.3 要求
5.3.1 样品台
样品台应满足被测样品的定位安装,样品定位精度应小于1mm。
5.3.2 图形发生器
图形发生器可以由可生成动态图案的显示器或投影方式实现,显示区域应满足被测试样的完整反
射面测试。
5.3.3 图像采集器
图像采集器应采用线性响应图像传感器,可以由多图像传感器拼接采集,实现大尺寸反射镜测试,
图像采集器采样点数、镜头焦距应满足样品尺寸和测试点数要求。
5.3.4 计算机及数据处理
计算机满足图像采集和数据处理要求。
数据处理用软件应具备面形解算功能,输出面形参数(HD、SDX、SDY、FDx、FDy、IC、ICsun、
CQF),面形参数二维分布图[hd(X,Y)、sdX(X,Y)、sdY(X,Y)、fdX(X,Y)、fdY(X,Y)、RIC(φ)]等
结果。
5.3.5 校准反射镜
校准反射镜由已知面形的整体反射镜或平面拼接反射镜构成,其面形、角度关系稳定,斜率不确定
度不大于0.05mrad。应有重复定位装置,斜率重复定位误差不大于0.05mrad。
5.3.6 测量分辨率
在被测试样表面的测量空间分辨率不小于300点/m。
5.3.7 测量不确定度
倾斜偏差的测量不确定度应不大于0.5mrad。
倾斜偏差均方根扩展不确定度(k=2)不大于0.2mrad。
5.4 仪器调试
仪器调试应包含以下步骤:
a) 对图形发生器和图像采集器位置进行测量;
b) 对图形发生器的畸变进行校正;
c) 对图像采集器使用条件下的畸变进行校正;
d) 对样品支架坐标位置进行测量;
e) 根据校正结果,调整系统初始参数和初始条件;
f) 采用校准反射镜对测试系统进行核验。
6 测试过程
6.1 仪器核验
根据仪器稳定情况,定期使用已知参数的校准反射镜对仪器进行核验,验证仪器是否满足使用
要求。
6.2 测试准备
测试前应进行如下准备:
a) 试样准备:清洁试样测试表面,被测表面应无灰尘、污渍。
b) 试样安装:将试样按测试的定位要求放置于样品台上,必要时按实际使用条件进行固定。
6.3 测试步骤
应按照如下步骤进行测试:
a) 图像发生器产生X 方向特定条纹,并沿Y 方向移向,采集记录相应的序列反射条纹图像;
b) 图像发生器产生Y 方向特定条纹,并沿X 方向移向,采集记录相应的序列反射条纹图像;
c) 对图像进行数据处理,分别解算出各点X 方向斜率分量gX、Y 方向的斜率分量gY;
d) 按照第7章要求进一步计算得到各面形参数。
7 参数计算
7.1 面形高度偏差计算
在测试坐标系下,以Z 轴方向为参考方向。被测试样表面某一测试点 H与其在理想表面Z 轴方
向上的投影点H0在Z 轴方向的高度差,即为被测试样表面某一测试点处的面形高度偏差hdi,计算见
式(5):
hdi=Z-Z0 (5)
式中:
hdi---被测试样表面某一测试点处的面形高度偏差;
Z ---被测试样表面测试点H在Z 轴方向的坐标;
Z0 ---理想试样表面H0点在Z 轴方向的坐标。
被测试样表面的面形高度偏差均方根HD 计算见式(6):
HD=
i=1
hd2i
(6)
式中:
HD ---被测试样表面的面形误差均方根;
hdi ---被测试样表面某一测试点处的面形高度偏差;
n ---测试点总数。
面形的高度偏差分布hd(X,Y)为试样表面各测试点的高度偏差hdi在XOY 坐标平面上的分布,
以二维误差图的形式表示。
7.2 倾斜偏差计算
7.2.1 X 轴方向的倾斜偏差均方根SDX
在测试坐标系下,被测试样表面测试点在X 轴方向的倾斜偏差sdX,等于在XOZ 投影面上测试点
实际法线方向与理想法线方向的夹角,计算见式(7):
sdX=β'X-βX (7)
式中:
sdX---被测试样表面测试点在X 轴方向的倾斜偏差,单位为毫弧度(mrad);
β'X---测试点实测法线在XOZ 面的投影方向与Z 轴的夹角,单位为毫弧度(mrad);
βX ---测试点理想法线在XOZ 面的投影方向与Z 轴的夹角,单位为毫弧度(mrad)。
被测试样在X 轴方向的倾斜偏差均方根SDX计算见式(8):
SDX=
i=1
sd2Xi
(8)
式中:
SDX---被测试样在X 轴方向的倾斜偏差均方根,单位为毫弧度(mrad);
sdXi---被测试样表面某一测试点在X 轴方向的倾斜偏差,单位为毫弧度(mrad);
n ---测试点总数。
X 轴方向倾斜偏差分布sdX(X,Y)为试样表面各测试点的倾斜偏差sdXi在XOY 坐标平面上的分
布,以二维误差图的形式表示。
7.2.2 Y轴方向的倾斜偏差均方根SDY
在测试坐标系下,被测试样表面测试点在Y 轴方向的倾斜偏差sdY,等于在YOZ 投影面上测试点
实际法线方向与理想法线方向的夹角,计算见式(9):
sdY=β'Y-βY (9)
式中:
sdY---被测试样表面测试点在Y 轴方向的倾斜偏差,单位为毫弧度(mrad);
β'Y---测试点实测法线在YOZ 面的投影方向与Z 轴的夹角,单位为毫弧度(mrad);
βY ---测试点理想法线在YOZ 面的投影方向与Z 轴的夹角,单位为毫弧度(mrad)。
被测试样在Y 轴方向的倾斜偏差均方根SDY计算见式(10):
SDY=
i=1
sd2Yi
(10)
式中:
SDY---被测试样在Y 轴方向的倾斜偏差均方根,单位为毫弧度(mrad);
sdYi---被测试样表面某一测试点在Y 轴方向的倾斜偏差,单位为毫弧度(mrad);
n ---测试点总数。
Y 轴方向倾斜偏差分布sdY(X,Y)为试样表面各测试点的倾斜偏差sdYi在XOY 坐标平面上的分
布,以二维误差图的形式表示。
7.3 聚焦偏差计算
7.3.1 聚焦偏差示意图
在使用条件下,在反射镜面表面某一定点处的实际反射光线到反射镜理想焦点或焦线的距离为聚
焦偏差。X 方向的聚焦偏差示意图见图2,其中fdX即为聚焦偏差。
图2 聚焦偏差示意图
7.3.2 x轴方向的聚焦偏差均方根FDx
X 方向聚焦偏差fdX计算见式(11):
fdX=2×sdX×L (11)
式中:
fdX---被测试样表面测试点沿X 方向的聚焦偏差,单位为毫米(mm);
sdX ---被测试样表面测试点在X 轴方向的倾斜偏差,单位为毫弧度(mrad);
L ---被测试样表面测试点到理想焦点或焦线的距离,单位为毫米(mm)。
将测量坐标系转换为使用坐标系,可采用插值等方式实现光线均匀采样,得到使用坐标系下的聚焦
偏差fdX。在x轴方向的聚焦偏差均方根FDx计算见式(12):
FDx=
i=1
fd2Xi
(12)
式中:
FDx---被测试样在x轴方向的聚焦偏差均方根,单位为毫米(mm);
fdXi---被测试样表面某一测试点沿X 方向的聚焦偏差,单位为毫弧度(mrad);
m ---数据点总数。
以XOY 平面为参考平面,X 轴方向聚焦偏差分布fdX(X,Y)为试样表面各测试点的聚焦偏差
fdXi在XOY 坐标平面上的分布,以二维误差图的形式表示。
7.3.3 y轴方向的聚焦偏差均方根FDy
Y 方向聚焦偏差fdY计算见式(13):
fdY=2×sdY×L (13)
式中:
fdY---被测试样表面测试点沿Y 方向的聚焦偏差,单位为毫米(mm);
sdY ---被测试样表面测试点在Y 轴方向的倾斜偏差,单位为毫弧度(mrad);
L ---被测试样表面测试点到理想焦点或焦线的距离,单位为毫米(mm)。
将测量坐标系转换为使用坐标系,可采用插值等方式实现光线均匀采样,得到使用坐标系下的聚焦
偏差fdY。在y轴方向的聚焦偏差均方根FDy计算见式(14):
FDy=
i=1
fd2Yi
(14)
式中:
FDy---被测试样在y轴方向的聚焦偏差均方根;
fdYi---被测试样表面某一测试点沿Y 方向的聚焦偏差;
m ---数据点总数。
以XOY 平面为参考平面,Y 轴方向聚焦偏差分布fdY(X,Y)为试样表面各测试点的聚焦偏差fdYi
在XOY 坐标平面上的分布,以二维误差图的形式表示。
7.4 截断因子计算
7.4.1 计算原则
截断因子可采用光线追迹模拟计算的方法,得到入射光线数量和经反射镜反射至吸热装置上的光
线数量,从而计算得到截断因子。
7.4.2 平行光截断因子IC
在已知吸热装置口径条件下,平行光截断因子IC 按式(15)计算:
IC=
I0×
100% (15)
式中:
IC ---平行光截断因子;
I0 ---入射到反射镜上的平行光线数量;
I ---经反射镜反射至吸热装置上的平行光线数量。
7.4.3 太阳光截断因子ICsun
在已知吸热装置口径条件下,太阳光截断因子ICsun按式(16)计算:
ICsun=
I'
I'0×
100% (16)
式中:
ICsun---太阳光截断因子;
I'......
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