高温熔融盐光谱吸收系数测量装置及高温熔融盐光谱吸收系数测量方法

技术领域

本发明涉及高温材料热物性测量技术领域，具体涉及高温熔融盐光谱吸收系数测量装置，还涉及通过对比法测量高温熔融盐表观光谱发射率并计算高温熔融盐吸收系数的方法。

背景技术

能源是人类生存和社会发展的物质基础，随着物质生活和精神生活不断提高，人们同时也越来越感受到大规模使用化石能源所带来的严重后果。能源的日益枯竭以及化石能源的使用带来了一系列环境问题。太阳能作为一种新型能源，是一种绿色的可再生能源，以其取之不尽、用之不竭的特点既能满足社会可持续发展的需要，又能解决人类面临的能源短缺问题，还能达到环境保护的目的，因此，人们越来越重视太阳能资源的发展和使用。

太阳能热发电的基本原理是利用聚光装置将能量热流密度低的太阳能转化为能量密度高的能量。利用传热介质吸热，并在换热器内与水进行换热，最后进入传统的发电系统产生电能。传热介质在整个太阳能热发电系统中起到吸热、载热、换热多个作用，影响着整个系统正常高效率地运行。

太阳能高温蓄热技术是太阳能热发电的关键技术。由于太阳辐射强度时刻在变化，太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行，为了保证发电相对稳定，必须采取蓄热措施。按照热能存储方式不同，太阳能高温蓄热技术可分为潜热蓄热、化学反应蓄热和显热蓄热三种方式。其中显热蓄热是指材料只是自身的温度发生变化，材料在温度变化的过程中吸收和放出热量，材料并不会产生相变；潜热蓄热即相变蓄热，材料在相变过程中吸收和放出热量；化学反应蓄热是通过材料之间产生化学反应吸收和放出热量，材料之间相互接触，材料接触时发生不可逆的化学反应，在反应过程中存储热量。熔融盐蓄热属于潜热蓄热。

利用熔融盐作为传热介质具有温度使用范围宽、热容量大、粘度较低、化学稳定性好、相对导热油较经济等优点。目前国际上已经有多座采用熔融盐作为传蓄热介质的太阳能电站，积累了大量熔融盐在蓄热应用中的经验和实验数据。可见熔融盐已经成为传热系统中一种极佳的介质，然而熔融盐的热物性数据却非常缺乏，即使是最比较常用的传蓄热熔盐的物性参数都难以找到全面而准确的数据用于传热系统热工及物理计算。熔融盐的热物性参数大都可通过实验直接测得，高温熔融盐有很强的腐蚀性，因此测量其物性的实验条件比较苛刻。自20世纪40年代开始的ANP项目，ORNL测定了大量的熔盐体系的热物性，留下了大量的研究数据，但由于当时实验条件的限制，很多数据可靠性较低。随着实验手段的升级，大量新的测量技术的涌现，需要对这些物性参数重新予以评估并进行测定。特别的，熔融盐的光谱吸收系数的数据比较缺乏。

发明内容

本发明的目的是为了满足熔融盐光谱吸收系数的测量需求，从而提供高温熔融盐光谱吸收系数测量装置及高温熔融盐光谱吸收系数测量方法。

本发明所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置，包括黑体炉、反射镜、傅里叶光谱仪、熔盐加热炉、电动导轨和计算机；

黑体炉和熔盐加热炉固定于电动导轨上，反射镜固定在黑体炉和熔盐加热炉上方，用于将入射辐射反射至傅里叶光谱仪的外光源进光口，傅里叶光谱仪的输出端与计算机相连，计算机控制电动导轨行进，黑体炉出光口的高度与熔盐加热炉中熔融盐的高度相同。

优选的是，黑体炉、反射镜、傅里叶光谱仪、熔盐加热炉和电动导轨均设置在光学平台上。

优选的是，黑体炉和熔盐加热炉均通过支架固定于电动导轨上，通过支架调节黑体炉和熔盐加热炉的高度。

优选的是，熔盐加热炉的出光口设有光阑，光阑上小孔的直径与黑体炉出光口的直径相同。

优选的是，光阑上小孔的直径与黑体炉出光口的直径均为20mm。

优选的是，反射镜的中心与黑体炉的出光口在竖直方向上的距离L2和反射镜的中心与熔盐加热炉中熔融盐在竖直方向上的距离L3均为280mm-320mm。

优选的是，反射镜的中心与傅里叶光谱仪的外光源进光口在水平方向上的距离L1为780mm-820mm。

优选的是，熔盐加热炉的熔盐盛放器皿采用铂金坩埚实现。

优选的是，傅里叶光谱仪的型号为Nicolet iS50。

本发明所述的基于高温熔融盐光谱吸收系数测量装置的高温熔融盐光谱吸收系数测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将黑体炉加热到待测温度T₀，通过电动导轨将黑体炉移动到反射镜的正下方；

步骤二、傅里叶光谱仪检测反射镜反射的黑体辐射，检测到的黑体辐射信号强度为L_b(λ,T₀)，λ为辐射的波长；

步骤三、根据公式L_b(λ,T₀)＝R(λ)I_b(λ,T₀)计算黑体炉本身辐射的信号强度I_b(λ,T₀)，R(λ)为傅里叶光谱仪的响应函数；

步骤四、将熔盐加热炉加热到待测温度T₀，通过电动导轨将熔盐加热炉移动到反射镜的正下方；

步骤五、傅里叶光谱仪检测反射镜反射的熔盐辐射，检测到的熔盐辐射信号强度为L_s(λ,T₀)；

步骤六、根据公式L_s(λ,T₀)＝R(λ)I_s(λ,T₀)计算熔盐自身发射的辐射信号强度I_s(λ,T₀)；

步骤七、根据公式计算T₀温度下的表观光谱发射率ε(λ,T₀)；

步骤八、根据计算T₀温度、波长λ下的光谱吸收系数κ(λ,T₀)，d为熔盐的厚度，ρ_1,λ是熔盐上自由表面的光谱反射率，ρ_2,λ是熔盐下表面的光谱反射率。

本发明的有益效果：本发明中熔盐加热炉可以在1000℃以下实现对待测盐样品的加热，极大提高了被测样品的温度测量范围；黑体炉出光口的高度与熔盐加热炉中熔融盐的高度相同，从而保证反射镜的中心与黑体炉的出光口在竖直方向上的距离和反射镜的中心与熔盐加热炉中熔融盐在竖直方向上的距离相等，保证由黑体炉发出的辐射和由熔盐发出的辐射具有相同的光程，提高了测量精度。黑体炉和熔盐加热炉固定于电动导轨上，通过驱动电动导轨来改变黑体炉和熔盐加热炉的位置，从而可以不用对光路进行调整就能够实现交替地测量两个炉子的辐射信号，有效的减小了实验误差。

本发明适用于测量熔融盐光谱吸收系数。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置的结构示意图；

图2是具体实施方式十中平板介质内的辐射换热的示意图；

图3是具体实施方式十中表面热流辐射面的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置，包括黑体炉1、反射镜2、傅里叶光谱仪3、熔盐加热炉4、电动导轨5和计算机6；

黑体炉1和熔盐加热炉4固定于电动导轨5上，反射镜2固定在黑体炉1和熔盐加热炉4上方，用于将入射辐射反射至傅里叶光谱仪3的外光源进光口，傅里叶光谱仪3的输出端与计算机6相连，计算机6控制电动导轨5行进，黑体炉1出光口的高度与熔盐加热炉4中熔融盐的高度相同。

黑体炉1和熔盐加热炉4固定于电动导轨5上，通过电动导轨5可以移动黑体炉1和熔盐加热炉4的位置，从而可以在不改变已调试好的光路的情况下只通过改变加热炉和黑体炉的位置来分别测量两个炉子内发出的辐射。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，黑体炉1、反射镜2、傅里叶光谱仪3、熔盐加热炉4和电动导轨5均设置在光学平台9上。

光学平台9是水平、稳定的台面，进行了隔振等措施，保证不受外界因素干扰，保证测试正常进行。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，黑体炉1和熔盐加热炉4均通过支架固定于电动导轨5上，通过支架调节黑体炉1和熔盐加热炉4的高度。

通过调节黑体炉1下的支架和熔盐加热炉4下的支架便于调节黑体炉1和熔盐加热炉4的高度。傅里叶光谱仪3设置在支架7上，支架7可以调节傅里叶光谱仪3的高度，保证傅里叶光谱仪3外光源进光口能接收到垂直入射的辐射。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，熔盐加热炉4的出光口设有光阑，光阑上小孔的直径与黑体炉1出光口的直径相同。

熔盐加热炉的出光口设有光阑，通过光阑调节出光口的大小，保证熔盐加热炉的出口的直径和黑体炉出光口的直径相同，使得样品熔盐辐射和黑体的出光条件相同，提高测量精度。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，光阑上小孔的直径与黑体炉1出光口的直径均为20mm。

傅里叶光谱仪采集的样品的辐射要尽可能的是来自于样品熔盐直径20mm内熔盐在垂直方向上的辐射，尽可能少的采集超过直径20mm的熔盐或者来自熔盐加热炉4壁的辐射以及非垂直方向的辐射，光阑上小孔的直径为20mm，保证了傅里叶光谱仪采集的样品的辐射是垂直方向上的辐射。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，反射镜2的中心与黑体炉1的出光口在竖直方向上的距离L2和反射镜2的中心与熔盐加热炉4中熔融盐在竖直方向上的距离L3均为280mm-320mm。

反射镜2的中心与黑体炉1的出光口在竖直方向上的距离L2和反射镜2的中心与熔盐加热炉4中熔融盐在竖直方向上的距离L3优选为280mm-320mm，该距离可以有效避免杂散辐射进入到傅里叶光谱仪的外光源进光口，提高了测量精度，L2和L3最优为300mm。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，反射镜2的中心与傅里叶光谱仪3的外光源进光口在水平方向上的距离L1为780mm-820mm。

反射镜2的中心与傅里叶光谱仪3的外光源进光口在水平方向上的距离L₁优选780mm-820mm，该距离可以有效避免杂散辐射进入到傅里叶光谱仪的外光源进光口，提高了测量精度，L₁最优为800mm。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，熔盐加热炉4的熔盐盛放器皿采用铂金坩埚8实现。铂金坩埚的直径为60mm，厚度为3mm。

熔盐具有很强的腐蚀性，本实施方式中采用的熔盐加热炉为自己设计的，采用耐腐性性能比较好的铂金坩埚作为熔盐的盛放器皿，有效较少了熔盐腐蚀对加热设备造成的影响，此外，熔盐加热炉可以有效地保证被加热熔盐温度的均匀性，减小测量误差。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置作进一步说明，本实施方式中，优选的是，傅里叶光谱仪3的型号为Nicolet iS50。

采用Nicolet iS50傅里叶光谱仪，可以在0.4微米～20微米范围内实现对熔盐样品可见光、红外光全光谱范围内的同步测量。

具体实施方式十：本实施方式是基于上述任意一项实施方式所述的高温熔融盐光谱吸收系数测量装置的高温熔融盐光谱吸收系数测量方法，该方法包括以下步骤：

在步骤一中、将黑体炉1加热到待测温度T₀，通过电动导轨5将黑体炉1移动到反射镜2的正下方；

在步骤二中、傅里叶光谱仪3检测反射镜2反射的黑体辐射，检测到的黑体辐射信号为L_b(λ,T₀)，λ为辐射的波长；

在步骤三中、根据公式L_b(λ,T₀)＝R(λ)I_b(λ,T₀)计算黑体炉本身辐射的信号I_b(λ,T₀)，R(λ)为傅里叶光谱仪的响应函数；

在步骤四中、取一定量的样品盐放置在熔盐加热炉中，将熔盐加热炉4加热到待测温度T₀，通过电动导轨5将熔盐加热炉4移动到反射镜2的正下方；从而确保熔盐加热炉出光口正对反射镜中心；

在步骤五中、傅里叶光谱仪3检测反射镜2反射的熔盐辐射，检测到的熔盐辐射信号为L_s(λ,T₀)；

在步骤六中、根据公式L_s(λ,T₀)＝R(λ)I_s(λ,T₀)计算熔盐自身发射的辐射信号I_s(λ,T₀)；

在步骤七中、根据表观光谱发射率定义，表观光谱发射率ε(λ,T₀)为样品自身发射的的辐射和同条件下黑体本身辐射之比，即得到T₀温度下的表观光谱发射率ε(λ,T₀)；

采用傅里叶光谱仪3检测完黑体辐射信号和熔盐自身发射的辐射信号后，通过计算机6记录数据，采用Nicolet iS50傅里叶光谱仪，即可以得到待测温度T₀下样品盐的表观光谱发射率在0.4微米～20微米波长范围内的数据。

改变待测温度T₀取值，重复步骤一至步骤七，即可以在待测样品盐的整个液相温度范围内获得各个温度下表观光谱发射率。

在步骤八中、根据计算T₀温度、波长λ下的光谱吸收系数κ(λ,T₀)，d为熔盐的厚度，ρ_1,λ是熔盐上自由表面的光谱反射率，ρ_2,λ是熔盐下表面的光谱反射率。

采用如下方法获得：

对于平板介质内的辐射换热：

μ表示法线与水平正向夹角的余弦，I⁺(τ,μ)表示介质的厚度τ处μ对应的角度方向正向的辐射强度，I^-(τ,-μ)表示介质的厚度τ处μ对应的角度方向反向的辐射强度，I⁺(0,μ)表示底面处μ对应的角度方向正向的辐射强度，I^-(τ₀,-μ)表示距介质底面τ₀处μ对应的角度方向反向的辐射强度，I₀表示黑体辐射强度，τ₁表示距介质底面的距离，τ表示介质上表面到介质底面距离即介质的厚度；

平板上下表面平行，其边界条件为,如下

I⁺(0,μ)＝ε₂(λ,T₂)I₀(T₂)+ρ₂,_λI^-(0,-μ)，μ>0

I^-(τ₀,-μ)＝ε₁(λ,T₁)I₀(T₁)+ρ_1,λI⁺(τ₀,μ)，μ>0

参照图2，图中1’是介质上表面，2’是介质下表面，ε₂为介质下表面发射率，ρ_2,λ为波长为λ时介质下表面光谱反射率，T₂是介质下表面温度，τ₀表示距介质底面的距离是τ₀，ε₁是介质上表面发射率，ρ_1,λ是波长为λ时介质上表面光谱反射率，T₁是介质上表面温度；

具体到本实施方式中，采用熔盐辐射，1’是自由面，不考虑入射辐射，可得

I⁺(0,μ)＝ε₂(λ,T₂)I₀(T₂)+ρ_2，λI^-(0,-μ)，μ>0(3)

I^-(τ₀,-μ)＝ρ_1,λI⁺(τ₀,μ)，μ>0(4)

由公式(3)、(4)对公式(1)和(2)进行积分可得公式(5)和(6)

I⁺(τ,μ)＝I⁺(0,μ)e^-τ/μ+I₀(1-e^-τ/μ)(5)

令公式(6)中的τ＝0，代入公式3，得

将公式(4)代入公式(7)中，得

将公式(8)代入公式(5)中，令τ＝τ₀，得到

图3为表面热流辐射面的示意图，测得的辐射强度I(τ₀,μ)为

I(τ₀,μ)＝(1-ρ_1,λ)I⁺(τ₀,μ)

根据表观光谱发射率定义，得到介质上表面T₁温度下的表观光谱发射率ε(λ,T₁)：

当探测方向为法方向，则τ₀/μ＝κ(λ,T₁)d，因此表观光谱发射率ε(λ,T₁)为：

可以得到光谱吸收系数为：

κ(λ,T₁)为T₁温度下光谱吸收系数，d表示熔盐的厚度。

在高温熔融盐光谱吸收系数测量装置中，T₁为将黑体炉加热到的待测温度T₀，则光谱吸收系数的为：