CN103115749B - 一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置及测试方法，属于太阳能热利用领域。该装置通过电动三通阀进行流量调节，通过两级循环工质进口温度控制装置（冷却器、电动三通阀、加热器）进行温度调节；利用上述系统可调整控制流量、进口温度保持恒定；在集热器采光平面一侧的中间位置安装有直射辐射计，在测试台的附近安装有风机、风速仪、白色百叶箱；由数据采集仪采集有关流量、集热器进、出口温度、直射辐射强度、环境温度、风速；用双轴跟踪平台实时跟踪太阳位置，使入射角保持在所需要的角度。本发明适用于对槽式太阳集热器进行热性能测试。

Description

一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置及测试方法，属于太阳能热利用领域。

背景技术

近年来随着我国对太阳能热发电的重视，太阳能热发电技术的研究开发在我国也取得了一定的成果和发展。就我国目前的太阳能热发电技术现状和实际应用条件来说，可以率先研发槽式太阳能热发电系统。作为槽式太阳能热发电系统的主要部分之一的槽式太阳集热器，它的性能影响着太阳能热发电系统的效率，但现有的太阳集热器的测试标准主要是针对平板式及真空管式集热器，且用的是稳态测试方法，还没有能对槽式集热器热性能进行测试评价的标准。

为了能更快更准确地预测槽式集热器的热性能、优化槽式集热器的设计，亟需研究一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置及测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置，利用户外工作着的槽式太阳集热器对输入变量的响应确定相关的参数，之后利用已得到的参数与相应的数学模型和算法相结合实现对集热器输出的预测；另一目的是提供一种槽式太阳集热器热性能动态测试方法，它考虑了集热器本身的热容及集热器内传热工质的热容所引起的热延迟现象，使用数学模型将集热器的输入和输出连接起来，相比稳态测试方法，该方法对测试条件的要求更低，测试所需周期更短。

本发明所述的测试装置，其结构为：

油膨胀罐内设置电加热器，油膨胀罐的顶部通过管道连接电动调节阀和氮气罐，油膨胀罐的顶部另外两路管道分别连接手动调节阀和安全阀；油膨胀罐的下部分两路，一路通过闸阀与贮油罐连接，且贮油罐的底部通过管道和补油泵接回油膨胀罐，另一路依次与第一针阀、循环油泵、第一电动三通阀、第二电动三通阀、加热器、流量计、集热器、第二冷却器连接，并连接回至油膨胀罐的上部；第一冷却器与加热器并联；所述第一电动三通阀有一支路连接第二针阀，并与油膨胀罐的上部相连；所述集热器的进口处安装第一热电偶，出口处安装第二热电偶；在集热器采光平面一侧的中间位置安装直射辐射计；在本测试装置的附近安装风机和风速仪，在距本测试装置15m、距地面高度不小于1m的范围内安装百叶箱，其内部安装测量环境温度的温度计。

数据采集仪分别与流量计、第一热电偶、第二热电偶、直射辐射计、风速仪、温度计连接。

集热器安装在双轴跟踪平台上，实时跟踪太阳位置，使入射角保持在所需要的角度。

本发明所述的测试方法，按如下步骤进行：

启动循环油泵，调整第一电动三通阀，以使流量达到设定值；通过第二冷却器进行温度初调，再通过第二电动三通阀、加热器及其并列的第一冷却器进行温度精调，以使集热器的进口温度保持恒定；

槽式太阳集热器在t时刻的热量为：

$q\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_1\left(n\right)I\left(n\right)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_2\left(n\right)[T_{\mathrm{fm}}^4\left(n\right)-T_a^4\left(n\right)]-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_3\left(n\right)[T_{\mathrm{fm}}\left(n\right)-T_a\left(n\right)]$ ，

式中：

q(t)为t时刻集热器的热量，W；I为太阳直射辐射强度，W/m²；T_fm为集热器进出口流体平均温度，℃；T_a为环境温度，℃；k₁，k₂，k₃为系数，且，i=1，2，3；N需满足的关系式为，其中τ_d为时间常数，Δt为时间步长。

本发明的优点为：

该测试装置的温度控制及测量单元为：利用两级循环工质进口温度控制装置调节集热器进口温度并使其保持恒定，利用热电偶测量流经集热器的传热工质进、出口温度，用温度计测量环境温度。流量测量及控制单元是利用流量计测量流经集热器的传热工质的流量，利用电动三通阀调节流量大小并使其保持稳定。太阳跟踪单元和辐照度测量单元用于跟踪太阳位置、测定太阳直射辐射强度。数据采集系统可以采集并整理各项测量数据。由此来确定集热器的热性能。另外该测试方法考虑了槽式太阳集热器本身的热容及集热器内传热流体的热容所引起的热延迟现象，且测试过程中太阳辐照、环境温度均可变，因而测试更接近集热器真实的工况，由此得到的结果更有效。

附图说明

图1为槽式太阳集热器热性能动态测试装置结构示意图。

图中标号：

1-油膨胀罐、2-电加热器、3-电动调节阀、4-氮气罐、5-手动调节阀、6-安全阀、7-第一针阀、8-循环油泵、9-第一电动三通阀、10-第二电动三通阀、11-加热器、12-第一冷却器、13-流量计、14-集热器、15-第二冷却器、16-第二针阀、17-集热器的进口、18-第一热电偶、19-集热器的出口、20-第二热电偶、21-闸阀、22-贮油罐、23-补油泵、24-直射辐射计、25-风机、26-风速仪、27-百叶箱、28-温度计。

具体实施方式

本发明提供了一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置及测试方法，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

该测试装置的结构如图1所示。油膨胀罐1内设置电加热器2，油膨胀罐1的顶部通过管道连接电动调节阀3和氮气罐4，油膨胀罐1的顶部另外两路管道分别连接手动调节阀5和安全阀6；油膨胀罐1的下部分两路，一路通过闸阀21与贮油罐22连接，且贮油罐22的底部通过管道和补油泵23接回油膨胀罐1，另一路依次与第一针阀7、循环油泵8、第一电动三通阀9、第二电动三通阀10、加热器11、流量计13、集热器14、第二冷却器15连接，并连接回至油膨胀罐1的上部；第一冷却器12与加热器11并联；所述第一电动三通阀9有一支路连接第二针阀16，并与油膨胀罐1的上部相连；所述集热器14的进口处安装第一热电偶18，出口处安装第二热电偶20；在集热器14采光平面一侧的中间位置安装直射辐射计24；在本测试装置的附近安装风机25和风速仪26，在距本测试装置15m、距地面高度不小于1m的范围内安装百叶箱27，其内部安装测量环境温度的温度计28。

数据采集仪分别与流量计13、第一热电偶18、第二热电偶20、直射辐射计24、风速仪26、温度计28连接；集热器安装在双轴跟踪平台上，实时跟踪太阳位置，使入射角保持在所需要的角度。

本发明的测试方法为：启动循环油泵8，调整第一电动三通阀9，以使流量达到设定值；测试回路中具有两级循环工质进口温度控制装置，通过第二冷却器15进行温度初调，再通过第二电动三通阀10、加热器11及其并列的第一冷却器12进行温度精调，以使集热器14的进口温度保持恒定。通过数据采集仪采集有关流量、集热器进、出口温度、直射辐射强度、环境温度、风速的信息。

系统运行时，导热油从油膨胀罐1中流出，流经循环油泵8升压，然后流经第一电动三通阀9。由于测试中必须对流体的流量精确测定，因此需要通过电动三通阀实现对流量的稳定控制。经过第一电动三通阀9调节后，一部分导热油进入集热器14，剩余的导热油返回油膨胀罐1中。油膨胀罐1内的压力通过氮气恒压装置来实现。

槽式太阳集热器在t时刻的热量为：

$q\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_1\left(n\right)I\left(n\right)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_2\left(n\right)[T_{\mathrm{fm}}^4\left(n\right)-T_a^4\left(n\right)]-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_3\left(n\right)[T_{\mathrm{fm}}\left(n\right)-T_a\left(n\right)]$ ，

式中：

q(t)为t时刻集热器的热量，W；I为太阳直射辐射强度，W/m²；T_fm为集热器进出口流体平均温度，℃；T_a为环境温度，℃；k₁，k₂，k₃为系数，且，i=1，2，3；N需满足的关系式为，其中τ_d为时间常数，Δt为时间步长。

本模型首次给出了一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置及测试方法，并放宽了集热器热性能测试的室外条件，使得一年中适合测试的天数大大增加；降低了在集热器热性能测试中对输入变量的控制要求，依据本模型在测试过程中除流经集热器的流量、集热器进口温度需保持恒定外，其余输入变量如太阳直射辐射强度、环境温度等均可任意变化。利用本模型可预测在不同的地区及不同气象条件下槽式太阳集热器的热性能。

Claims (2)

1.一种槽式太阳集热器热性能动态测试装置，其特征在于：油膨胀罐(1)内设置电加热器(2)，油膨胀罐(1)的顶部通过管道连接电动调节阀(3)和氮气罐(4)，油膨胀罐(1)的顶部另外两路管道分别连接手动调节阀(5)和安全阀(6)；油膨胀罐(1)的下部分两路，一路通过闸阀(21)与贮油罐(22)连接，且贮油罐(22)的底部通过管道和补油泵(23)接回油膨胀罐(1)，另一路依次与第一针阀(7)、循环油泵(8)、第一电动三通阀(9)、第二电动三通阀(10)、加热器(11)、流量计(13)、集热器(14)、第二冷却器(15)连接，并连接回至油膨胀罐(1)的上部；第一冷却器(12)与加热器(11)并联；所述第一电动三通阀(9)有一支路连接第二针阀(16)，并与油膨胀罐(1)的上部相连；所述集热器(14)的进口处安装第一热电偶(18)，出口处安装第二热电偶(20)；在集热器(14)采光平面一侧的中间位置安装直射辐射计(24)；在本测试装置的附近安装风机(25)和风速仪(26)，在距本测试装置15m、距地面高度不小于1m的范围内安装百叶箱(27)，其内部安装测量环境温度的温度计(28)；

数据采集仪分别与流量计(13)、第一热电偶(18)、第二热电偶(20)、直射辐射计(24)、风速仪(26)、温度计(28)连接；

集热器安装在双轴跟踪平台上，实时跟踪太阳位置，使入射角保持在所需要的角度。

2.一种基于权利要求1所述测试装置槽式太阳集热器热性能动态测试方法，其特征在于，按如下步骤进行：

启动循环油泵(8)，调整第一电动三通阀(9)，以使流量达到设定值；通过第二冷却器(15)进行温度初调，再通过第二电动三通阀(10)、加热器(11)及其并列的第一冷却器(12)进行温度精调，以使集热器(14)的进口温度保持恒定；导热油从油膨胀罐(1)中流出，流经循环油泵(8)升压，然后流经第一电动三通阀(9)；经过第一电动三通阀(9)调节后，一部分导热油进入集热器(14)，剩余的导热油返回油膨胀罐(1)中；油膨胀罐(1)内的压力通过电动调节阀(3)和氮气罐(4)来实现；

槽式太阳集热器在t时刻的热量为：

$q\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_1\left(n\right)I\left(n\right)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_2\left(n\right)[T_{\mathrm{fm}}^4\left(n\right)-T_a^4\left(n\right)]-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_3\left(n\right)[T_{\mathrm{fm}}\left(n\right)-T_a\left(n\right)],$

式中：

q(t)为t时刻集热器的热量，W；I为太阳直射辐射强度，W/m²；T_fm为集热器进出口流体平均温度，℃；T_a为环境温度，℃；k₁，k₂，k₃为系数，且i＝1，2，3；N需满足的关系式为其中τ_d为时间常数，Δt为时间步长。