CN101504331B

CN101504331B - 一种太阳能腔式吸热器的模拟装置

Info

Publication number: CN101504331B
Application number: CN2009100213083A
Authority: CN
Inventors: 郭烈锦; 魏进家; 张西民; 王跃社; 方嘉宾
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: CN101504331A

Abstract

本发明涉及塔式太阳能热发电研究领域，公开了一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，适用于塔式太阳能热发电系统中腔式吸热器的模拟性能测试。它包括：锅筒、六棱柱状的吸热腔体，所述吸热腔体的一个侧面设置有采光口，采光口对面为吸热腔体的正后侧墙、左后侧墙和右后侧墙，靠近正后侧墙、左后侧墙和右后侧墙分别设置有正后侧、左后侧、右后侧沸腾管，采光口和正后侧墙之间设置有过热管；所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热管分别与锅筒连通，其特征在于，所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热管均采用不锈钢盘管，所述不锈钢盘管通过电源直接加热。

Description

一种太阳能腔式吸热器的模拟装置

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热发电研究领域，特别涉及一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，适用于塔式太阳能热发电系统中腔式吸热器性能的模拟测试。

背景技术

太阳能热发电技术利用光学系统聚集太阳辐射能，用以加热工质产生蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。根据聚光方式的不同，太阳能热发电可以分为：塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电和碟式太阳能热发电。目前，槽式太阳能热发电已经实现商业化，而塔式太阳能热发电和碟式太阳能热发电目前大部分还处在实验和示范阶段。自20世纪80年代以来，塔式太阳能热发电技术得到了迅猛发展，一批塔式太阳能试验电站先后投入试运行。大量实验和运行数据证明，塔式太阳能热发电不仅在技术上可行，而且具有巨大的商业应用前景，如文献【1】Geyer M.Internationalmarket introduction of concentrated solar power-policies and benefits，Proceedings of ISES Solar World Congress 2007：Solar Energy and HumanSettlement，Sep.2007，Beijing，China.75-82和文献【2】Price H W，CarpenterS，The potential for low-cost concentrating solar power systems，NREL/CP2550226649，May 1999。但是因为塔式太阳能热发电技术在世界上才经历了短短几十年的发展，许多关键技术还并未完全掌握，特别是腔式吸热器这个实现光热转化的关键部件，其各项热性能指标以及安全可靠性的好坏直接关系到整个发电系统的效率以及运行状况，因此，透彻的了解塔式太阳能热发电系统中腔式吸热器的各项性能，对建造太阳能热发电系统有着及其重要的意义。

塔式太阳能热发电系统中的腔式吸热器的特点主要有：吸热器的结构为腔式的，能够将进入吸热器的大部分光能留在里面，增加了光能的利用率；吸热器内部的太阳能热流密度分布不均匀；由于受天气的影响，吸热器内的太阳能热流密度在不断地变化；同时，一般吸热器都是置于几十米甚至上百米的高空中，吸热器周围的气流速度相对都比较快，而吸热器的开口是敞开的，则气流必然会流进吸热器，形成对流换热，造成一部分的热损失。

为了能够预先知道腔式吸热器的各种性能，需要搭建一套装置来做模拟实验，以得到相关的数据。但是腔式吸热器内部的太阳光热流密度有两个显著的特点：一是热流密度非常大，一般都在100kW/m²以上，最高的地方可达到500kW/m²，甚至更高，一般石英灯加热或者电炉丝加热都无法提供这么大的热流密度；二是因为腔式吸热器内太阳能光斑的分布不均匀，使得热流密度分布不均匀，其中正对着腔式吸热器采光口的后墙面上的热流密度相对最大，而采光口周围的几个面上的热流密度相对最小。因此，使得腔式吸热器的模拟实验的难度加大。

发明内容

本发明目的在于提供一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，它能够模拟腔式吸热器内部的太阳光热流密度，为获取腔式吸热器的热效率、温度分布、吸热介质的换热情况和换热管道的安全可靠性等实验数据提供便利。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，包括：锅筒、六棱柱状的吸热腔体，所述吸热腔体的一个侧面设置有采光口，采光口对面为吸热腔体的正后侧墙、左后侧墙和右后侧墙，靠近正后侧墙、左后侧墙和右后侧墙分别设置有正后侧、左后侧、右后侧沸腾管，采光口和正后侧墙之间设置有过热管；所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热管分别与锅筒连通，其特征在于，所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热管均采用不锈钢盘管，所述不锈钢盘管通过电源直接加热。

本发明的进一步改进在于：

所述吸热腔体内设置有骨架，不锈钢盘管通过管夹固定在骨架上，所述管夹至少一端与骨架绝缘。

所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管分别与锅筒连通，组成汽水回路，所述汽水回路中设置有循环泵。

所述吸热腔体的外周设置有模拟空气场的风机。

本发明的太阳能腔式吸热器的模拟装置中，吸热腔体中设置的正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热管均采用不锈钢盘管，所述不锈钢盘管通过电源直接加热，用来模拟吸热腔体中的热流密度。在实验过程中，不锈钢盘管耐高温，电阻变化小，电加热容易控制以满足局部热流密度要求，而且不锈钢盘管不易生锈，经久耐用。

附图说明

图1为本发明的模拟装置中吸热腔体的几何形状图；

图2为本发明的模拟装置中吸热腔体的内部结构的剖面图；

图3为本发明的模拟装置中不锈钢盘管的管夹结构示意图；

图4为本发明的模拟装置中不锈钢盘管布置和汽水回路的示意图；

其中：1、吸热腔体；2、采光口；3、正后侧墙；4、左后侧墙；5、右后侧墙；6、正后侧沸腾管；7、左后侧沸腾管；8、右后侧沸腾管；9、过热管；10管夹；11、绝缘套；12、绝缘垫；13、螺母；14、立柱；15、锅筒；16、循环泵。

具体实施方式

参照图1、图2，吸热腔体1为六棱柱状，其中一个侧面设置有采光口2。吸热腔体1的壳体用304钢板做成，壳体外面除采光口2之外包裹有绝缘层。采光口2对面为吸热腔体1的正后侧墙3、左后侧墙4和右后侧墙5，靠近正后侧墙3、左后侧墙4和右后侧墙5分别设置有后侧、左后侧、右后侧沸腾管6、7、8，采光口2和正后侧墙3之间设置有过热管9。

采光口2处的高度相对比较小，正对采光口2的正后侧墙面的高度相对较大，整个吸热腔体1呈一个从采光口2往后逐渐扩大的形状。正后侧、左后侧、右后侧沸腾管6、7、8和过热管9采用不锈钢盘管，不锈钢为1Cr18Ni9Ti，它不易生锈，经久耐用，更重要的是能够保证在实验过程中耐受高温、电阻变化小，电加热容易控制，能够在吸热腔体局部产生高热流密度，其热流密度可达300-500kW/m²。

吸热腔体1内，采光口2对面的正后侧、左后侧、右后侧沸腾管6、7、8，靠近并分别与正后侧墙3、左后侧墙4和右后侧墙5平行安装，其对应的不锈钢盘管可以为一组或者多组，可以做成水平的、竖直的或者是倾斜的等各种型式。

为了模拟空气场，本实施例在吸热腔体1外周配置有风机，通过调整风向和风速来模拟空气场。吸热腔体1内设置有骨架，骨架由刚性立柱组成，不锈钢盘管通过管夹10固定在立柱上，所述管夹10至少一端与立柱绝缘。如图3所示，管夹10的两臂设置有绝缘套11，穿过立柱14后加装绝缘垫片12，然后用螺母13紧固；管夹10和立柱14间加装绝缘是为了防止电加热时管夹10产生涡流以致烧坏。

参照图4，本实施例的太阳能腔式吸热器的模拟装置，在高于吸热腔体1的位置设置有锅筒15，锅筒15的下出口经高温循环泵16后分三路，分别连通正后侧、左后侧、右后侧沸腾管6、7、8的下端入口，它们的上端出口分别连通锅筒15的三个上入口；锅筒15的上出口连接过热器9的下端入口，过热器9的上端出口与汽轮机等蒸汽需求设备连接。本实施例中的传热介质为水，锅筒10中的未饱和水从其下出口流出，经由高温循环泵16微加压后，进入吸热腔体1中的三个沸腾管6、7、8，经过沸腾管的电加热变成两相状态后，流进锅筒10，而锅筒10内饱和水蒸汽由其上出口排出后，进入过热管9，经过过热管9的再次加热后成过热蒸汽流出。

参照图5，为了模拟吸热腔体1内部热流密度高且分布不均匀，对布置在吸热腔体1内部的不锈钢盘管施加不同的加热功率来实现。可以对每组不锈钢盘管整体加热，也可以分段加热，其方法类似。本实施例仅以一组不锈钢盘管为例进行说明。

因不锈钢管的电阻率相对较小，不宜直接加热，而是采用低电压大电流的方法来加热，故需要由低电压大电流变压器和电压调整器组成电源。电压调整器的输入端接380V市电，其输出端连接低电压大电流变压器的输入端。而变压器的输出端分有3档低压，分别是12V，24V和36V，将其中一档电压接入不锈钢盘管。通过调整电压调整器，使不锈钢盘管两端的电压发生变化，从而产生不同的功率，以此来模拟太阳能热流密度因天气的影响而不断地变化。实际应用中，给每组不锈钢盘管分别配一台低电压大电流变压器和一台电压调整器，这样可做到每组不锈钢盘管上的加热功率各不相同，并且可以调整电压调整器，使每组不锈钢盘管上的加热功率也在不断的变化，以达到模拟吸热腔体内太阳能热流密度的不均匀性以及太阳能热流密度随天气不断变化的目的。

本实施例中，每组不锈钢盘管的两端分别设置有电流传感器和电压传感器，通过NI采集器采集电流传感器和电压传感器的数据，经过计算机进行热流密度等计算。本发明的太阳能腔式吸热器的实验模拟装置，使吸热腔体在模拟空气场环境下，可以实现吸热腔体内部温度场的模拟与测量、热效率的测量与计算、沸腾管和过热管的安全评估等试验研究。

Claims

1.一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，包括：锅筒、六棱柱状的吸热腔体，所述吸热腔体的一个侧面设置有采光口，采光口对面为吸热腔体的正后侧墙、左后侧墙和右后侧墙，靠近正后侧墙、左后侧墙和右后侧墙分别设置有正后侧、左后侧、右后侧沸腾管，采光口和正后侧墙之间设置有过热管；所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热管分别与锅筒连通，其特征在于，所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热管均采用不锈钢盘管，所述不锈钢盘管通过电源直接加热。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，其特征在于，所述吸热腔体内设置有骨架，所述不锈钢盘管通过管夹固定在骨架上，所述管夹至少一端与骨架绝缘。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，其特征在于，所述正后侧、左后侧、右后侧沸腾管和过热器分别与锅筒连通，组成汽水回路，所述汽水回路中设置有循环泵。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，其特征在于，所述吸热腔体的外周设置有模拟空气场的风机。