CN105136506A - 一种太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置，循环设备向吸热设备输送工质，加热设备通过吸收太阳能，对所输送的工质进行加热，同时，控制设备根据加热设备中的工质状态，控制输送给加热设备的工质的温度和流量，循环设备还对加热完的工质进行回收。本发明能在小规模实验条件下模拟太阳能直接蒸汽发生系统的各阶段的传热和流动情况。

Description

一种太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置及方法

技术领域

本发明属于工程热物理领域，尤其涉及一种太阳能直接蒸汽发生(DirectSteamGeneration,DSG)系统的模拟装置。

背景技术

为了缓解日益增长的能源需求及化石能源对环境的压力，实现可持续发展，清洁的可再生能源发展显得尤为重要。在太阳能、风能、生物质能等可再生能源中，太阳能是最普遍、最丰富、最洁净和安全的能源。因此，太阳能集热发电技术被认为是最有可能引起能源革命和最有潜力替代常规能源的技术之一。

太阳能流密度低，通常采用聚光提高其能量品位后再加以利用。常用形式有槽式、塔式和碟式三类，其中槽式是最为成熟且已实现商业化的技术。槽式中应用最广的是以导热油为工质的单循环系统。采用直接蒸汽发生技术的单循环槽式太阳能系统以水代替昂贵的导热油，摒弃油-水换热设备、储油罐、导热油防火等，降低了装置成本；突破了导热油最高工作温度400℃的极限，工作温度可达500℃以上，使系统效率大为提高，而且其安全隐患、风险成本都要小得多。因此，太阳能DSG技术得到了广泛重视。

太阳能DSG技术工质水经历了过冷水、两相流和过热蒸汽三个阶段，特别是两相流阶段是目前研究的难点和热点。太阳能DSG系统由于水要从过冷水加热到过热蒸汽，其总长度一般达到几百米，导致投资成本巨大，而且产地面积广，这对实验研究带了极大不便。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置，能在小规模实验条件下模拟太阳能DSG系统的各阶段的传热和流动情况。

(二)技术方案

本发明提供一种太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置，包括循环设备、加热设备和控制设备，其中，循环设备向吸热设备输送工质，加热设备通过吸收太阳能，对所输送的工质进行加热，同时，控制设备根据加热设备中的工质状态，控制输送给加热设备的工质的温度和流量，循环设备还对加热完的工质进行回收。

本发明还提供一种太阳能直接蒸汽发生系统过冷水阶段的模拟方法，应用于上述的模拟装置，方法包括：

S11，向加热设备输入未饱和水；

S12，测量加热设备输出的工质的温度和压力，并将测量值传输给可编程逻辑控制器；

S13，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率，使输入到加热设备的工质的温度和压力等于步骤S12中测量的温度和压力；

S14，重复步骤S12和步骤S13，直至加热设备输出的工质为饱和水。

本发明还提供一种太阳能直接蒸汽发生系统两相阶段的模拟方法，应用于上述的模拟装置，方法包括：

S21，向加热设备输入饱和水；

S22，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率以及电磁阀的开度，以控制输入吸热管的饱和蒸汽及饱和水的质量流比，从而模拟吸热管内不同组分的传热、流动、以及相变情况；

S23，重复步骤S22，不断改变加热设备入口处饱和蒸汽及饱和水质量流率比，直至多根吸热管输出的工质为饱和蒸汽为止。

本发明还提供一种太阳能直接蒸汽发生系统过热蒸汽阶段的模拟方法，应用于上述的模拟装置，方法包括：

S31，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率，使输入到加热设备的工质为饱和蒸汽；

S32，重复步骤S31，改变吸热管入口处蒸汽过热度，以模拟不同过热度蒸汽的传热和流动情况，直至加热设备输出的工质为理想的过热蒸汽。

(三)有益效果

本发明提供的太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置，在室外正常太阳辐照条件下，进行太阳能聚光吸热测试，更能反应太阳能DSG聚光吸热系统的真实情况；另外，基于分段的思想，将吸热过程划分为了过冷段、两相段和过热段，再通过调整工质水/蒸汽的流量和入口温度，可以把原本几百米长的太阳能DSG系统划分为几十米甚至十几米长的小型换热系统进行分段研究，从而达到对太阳能DSG整个系统研究的目的。

附图说明

图1是本发明提供的太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置的示意图。

图2是通过本发明的模拟装置模拟得到的吸热管工质温度分布图。

具体实施方式

本发明提供一种太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置，循环设备向吸热设备输送工质，加热设备通过吸收太阳能，对所输送的工质进行加热，同时，控制设备根据加热设备中的工质状态，控制输送给加热设备的工质的温度和流量，循环设备还对加热完的工质进行回收。本发明能在小规模实验条件下模拟太阳能DSG系统的各阶段的传热和流动情况。

根据本发明提供的一种实施方式，加热设备包括串联的多个吸热管，吸热管外设有太阳能聚光镜，吸热管通过太阳能聚光镜吸收太阳能，以对工质进行加热。在室外正常太阳辐照条件下，进行太阳能聚光吸热测试，更能反应太阳能DSG聚光吸热系统的真实情况。

根据本发明提供的一种实施方式，控制设备包括测量器件、可编程逻辑控制器、电加热器及电磁阀，测量器件分别设于多个吸热管的入口处和出口处，用于测量多个吸热管的入口处和出口处的工质状态，电加热器设于加热设备的入口处，电磁阀设于电加热器与加热设备之间，可编程逻辑控制器根据测量器件测量的工质状态，调整电加热器的功率及电磁阀的开度，以控制吸热管中工质的温度和压力。

根据本发明提供的一种实施方式，测量器件包括温度传感器、压力传感器及流量计。

根据本发明提供的一种实施方式，工质为水和/或蒸汽。

根据本发明提供的一种实施方式，循环设备包括汽液分离器、冷凝器、水箱及泵，其中，汽液分离器用于对加热设备输出的工质进行汽液分离，水箱用于存储分离出的水，冷凝器用于冷却分离出的蒸汽，得到冷却水，所述泵用于将水箱中的水及冷却水输入至加热设备。通过这种循环设备，使得加热过后的水能够回收并自动投入到下次加热中，减少了人工向加热设备输水的工序，并节约了资源。

根据本发明提供的一种实施方式，循环设备还包括过滤器，用于对泵输出的水进行过滤。

本发明还提供一种太阳能直接蒸汽发生系统过冷水阶段的模拟方法，应用于该模拟装置，方法包括：

S11，向加热设备输入未饱和水；

S12，测量加热设备输出的工质的温度和压力，并将测量值传输给可编程逻辑控制器；

S13，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率，使输入到加热设备的工质的温度和压力等于步骤S12中测量的温度和压力；

S14，重复步骤S12和步骤S13，直至加热设备输出的工质为饱和水。

本发明还提供一种太阳能直接蒸汽发生系统两相阶段的模拟方法，应用于该模拟装置，方法包括：

S21，向加热设备输入饱和水；

S22，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率以及电磁阀的开度，以控制输入吸热管的饱和蒸汽及饱和水的质量流比，从而模拟吸热管内不同组分的传热、流动、以及相变情况；

S23，重复步骤S22，不断改变加热设备入口处饱和蒸汽及饱和水质量流率比，直至多根吸热管输出的工质为饱和蒸汽为止。

本发明还提供一种太阳能直接蒸汽发生系统过热蒸汽阶段的模拟方法，应用于该模拟装置，方法包括：

S31，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率，使输入到加热设备的工质为饱和蒸汽；

S32，重复步骤S31，改变吸热管入口处蒸汽过热度，以模拟不同过热度蒸汽的传热和流动情况，直至加热设备输出的工质为理想的过热蒸汽。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明实施例提供的太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置的示意图，如图1所示，该模拟装置包括循环设备、加热设备和控制设备，加热设备包括多个串联连接的吸热管，吸热管外均套有太阳能聚光镜，控制设备包括测量器件、可编程逻辑控制器、电加热器及电磁阀，电加热器设于加热设备的入口处，测量器件包括温度传感器、压力传感器及流量计，温度传感器及压力传感器设在多个吸热管的入口处及出口处，流量计设于电加热器的输入端。循环设备包括汽液分离器、冷凝器、水箱、过滤器及泵，加热设备的输出端连接汽液分离器的输入端，汽液分离器的输入端分别连接冷凝器的输入端和纯净水箱的输入端，冷凝器的输入端和纯净水箱的输入端与泵的输入端连接，泵的输出端与过滤器的输入端连接，过滤器的输出端与流量计的输入端连接。

本实施例中，在吸热管流动的同时，各个吸热管通过其套设的太阳能聚光镜进行太阳能吸收，产生热量，从而对工质进行加热，各个温度传感器、压力传感器测量吸热管的入口处和出口处的工质状态，包括温度、压强等，可编程逻辑控制器根据测量器件测量的工质状态，调整电加热器的功率及电磁阀的开度，以控制吸热管中工质的温度和压力。

本实施例在模拟太阳能直接蒸汽发生系统的过冷水阶段时，向加热设备输入未饱和水，测量加热设备输出的工质的温度和压力，并将测量值传输给可编程逻辑控制器，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率，使输入到加热设备的工质的温度和压力等于测量的温度和压力，重复上述过程，直至加热设备输出的工质为饱和水。

本实施例在模拟太阳能直接蒸汽发生系统的两相阶段时，向加热设备输入饱和水，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率以及电磁阀的开度，以控制输入吸热管的饱和蒸汽及饱和水的质量流比，从而模拟吸热管内不同组分的传热、流动、以及相变情况，然后不断调整电加热器的功率以及电磁阀的开度，从而不断改变加热设备入口处饱和蒸汽及饱和水质量流率比，直至多根吸热管输出的工质为饱和蒸汽为止。

本实施例在模拟太阳能直接蒸汽发生系统的过热蒸汽阶段时，通过可编程逻辑控制器控制电加热器的功率，使输入到加热设备的工质为饱和蒸汽，然后不断调整电加热器的功率，以不断改变吸热管入口处蒸汽过热度，从而模拟不同过热度蒸汽的传热和流动情况，直至加热设备输出的工质为理想的过热蒸汽。

基于分段设计思想通过调整工质水/蒸汽的流量和入口温度，可以把原本几百米长的太阳能DSG系统划分为几十米甚至十几米长的小型换热系统进行分段研究，再通过各段的协同和整合从而达到对太阳能DSG整个系统研究的目的。相对于目前对太阳能DSG接收器热损失性能的实验测量，往往在实验室条件下通过电加热来加热工质从而测量吸热管的热损失和流动性能的实际情况，本测试装置是在室外正常太阳辐照条件下，进行太阳能聚光吸热测试，更能反应太阳能DSG聚光吸热系统的真实情况。

本实施例中，在各个吸热管加热完毕的工质被送往汽液分离器，分别分离出饱和水及饱和蒸汽，饱和水被送往纯净水箱进行存储，饱和蒸汽被送往冷凝器进行冷却，得到冷却水，泵抽取该冷却水及水箱中存储的水，经过滤器进行过滤后，输送给吸热管进行下一次加热。

图2是通过本发明的模拟装置模拟得到的吸热管工质温度分布图，如图2所示，基于分段设计思想，将太阳能DSG系统划分为多个阶段，通过计算各个小区域内的传热和流动情况，将前一吸热管出口状态设置为下一吸热管入口状态，不断迭代计算，得到的总长为600米的太阳能DSG系统在不同工作压力条件下的温度分布情况。图2显示太阳能DSG吸热管划分为了过冷段、两相段和过热段，其中两相流段长度占总长度的一半以上，这与太阳能DSG系统的实际情况是完全符合的。

综上所述，本发明提供的模拟装置，可以精确模拟出太阳能DSG系统，可以指导太阳能DSG实验研究、小规模应用示范以及新型太阳能DSG聚光吸热系统的研发，对太阳能DSG系统的发展和推广将有重要的指导意义。

以上所述的具体实施例，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例而已，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。

Claims (10)

1.一种太阳能直接蒸汽发生系统的模拟装置，其特征在于，包括循环设备、加热设备和控制设备，其中：

所述循环设备向所述吸热设备输送工质，所述加热设备通过吸收太阳能，对所输送的工质进行加热，同时，所述控制设备根据所述加热设备中的工质状态，控制输送给所述加热设备的工质的温度和流量，所述循环设备还对加热完的工质进行回收。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述加热设备包括串联的多个吸热管，所述吸热管外设有太阳能聚光镜，所述吸热管通过所述太阳能聚光镜吸收太阳能，以对所述工质进行加热。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述控制设备包括测量器件、可编程逻辑控制器、电加热器及电磁阀，所述测量器件分别设于所述多个吸热管的入口处和出口处，用于测量所述多个吸热管的入口处和出口处的工质状态，所述电加热器设于所述加热设备的入口处，所述电磁阀设于所述电加热器与所述加热设备之间，所述可编程逻辑控制器根据所述测量器件测量的工质状态，调整所述电加热器的功率及所述电磁阀的开度，以控制所述吸热管中工质的温度和压力。

4.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述测量器件包括温度传感器、压力传感器及流量计。

5.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述工质为水和/或蒸汽。

6.根据权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，所述循环设备包括汽液分离器、冷凝器、水箱及泵，其中，所述汽液分离器用于对所述加热设备输出的工质进行汽液分离，所述水箱用于存储分离出的水，所述冷凝器用于冷却分离出的蒸汽，得到冷却水，所述泵用于将所述水箱中的水及所述冷却水输入至所述加热设备。

7.根据权利要求6所述的模拟装置，其特征在于，所述循环设备还包括过滤器，用于对所述泵输出的水进行过滤。

8.一种太阳能直接蒸汽发生系统过冷水阶段的模拟方法，应用于权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，方法包括：

S11，向所述加热设备输入未饱和水；

S12，测量所述加热设备输出的工质的温度和压力，并将测量值传输给所述可编程逻辑控制器；

S13，通过所述可编程逻辑控制器控制所述电加热器的功率，使输入到所述加热设备的工质的温度和压力等于步骤S12中测量的温度和压力；

S14，重复步骤S12和步骤S13，直至所述加热设备输出的工质为饱和水。

9.一种太阳能直接蒸汽发生系统两相阶段的模拟方法，应用于权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，方法包括：

S21，向所述加热设备输入饱和水；

S22，通过所述可编程逻辑控制器控制所述电加热器的功率以及所述电磁阀的开度，以控制输入吸热管的饱和蒸汽及饱和水的质量流比，从而模拟所述吸热管内不同组分情况的传热、流动、以及相变情况；

S23，重复步骤S22，不断改变所述加热设备入口处饱和蒸汽及饱和水质量流率比，直至多根吸热管输出的工质为饱和蒸汽为止。

10.一种太阳能直接蒸汽发生系统过热蒸汽阶段的模拟方法，应用于权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，方法包括：

S31，通过所述可编程逻辑控制器控制所述电加热器的功率，使输入到所述加热设备的工质为饱和蒸汽；

S32，重复步骤S31，改变吸热管入口处蒸汽过热度，以模拟不同过热度蒸汽的传热和流动情况，直至所述加热设备输出的工质为理想的过热蒸汽。