CN107703182B - 槽式太阳能集热管的光学效率测量装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种槽式太阳能集热管的光学效率测量装置及其测试方法,包括椭圆形聚光器、椭圆形聚光器支架、太阳模拟光源、槽式太阳能集热管支架、第一均温装置、第二均温装置、扰流杆、流量计、流体驱动泵、供液箱、储液箱及测量系统。所述椭圆形聚光器为横截面呈非完整椭圆的腔室,椭圆形聚光器内壁具有反射镜面,太阳模拟光源和待测槽式太阳能集热管分别位于所述椭圆形聚光器的两条焦线上。所述椭圆形聚光器将太阳模拟光源发出的光线反射聚焦到槽式太阳能集热管上。待测槽式太阳能集热管两端和内部分别放置有均温装置和扰流杆,通过测试待测槽式太阳能集热管实际得热量与槽式太阳能集热管标准样管的得热量对比,获得待测槽式太阳能集热管的光学效率。

Description

槽式太阳能集热管的光学效率测量装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及太阳能热利用领域,特别是涉及一种槽式太阳能集热管的光学效率测量装置及其测试方法。
背景技术
槽式太阳能热发电是目前国际上商业应用最广、成本最低的太阳能热发电技术,其采用抛物面性反射镜将太阳光反射聚焦到位于其焦线的槽式太阳能集热管上加热管内流体,进而产生高温蒸汽推动汽轮机进行发电。槽式太阳能集热管是该种太阳能热发电系统中从光到热转化的最为关键部件,其光学效率的优劣直接影响了太阳能电站的发电效率和运行成本。槽式太阳能集热管的光学效率是槽式太阳能热发电系统中的核心性能指标之一,不仅是槽式太阳能集热管生产制作单位最为关心的性能指标,而且也是电站业主单位、电站设计单位及电站运行维护单位最为关心的性能指标。
槽式太阳能集热管一般由具有太阳选择性吸收涂层的金属内管及环绕金属内管的玻璃外管组成。太阳选择性吸收涂层将光能转换成热能,热量通过金属内管传递给金属内管介质。太阳选择性吸收涂层的光学效率高低直接影响槽式太阳能集热管的性能。目前,槽式太阳能集热管的光学效率测量大多通过实际现场测试,此种光学效率测量方式受到太阳辐照的不稳定性和间歇性(多云天气)、风速变化及阴雨因素造成测试误差较大,测试周期较长等,导致槽式太阳能集热管光学效率测量困难及测试误差非常大。
发明专利201410026437.2提出了采用椭圆形封闭腔室对中高温太阳能集热管进行光学效率测量,其在具体测试时,一方面,采用椭圆形封闭腔室测试时,槽式太阳能集热管的整个圆周方向都有聚光,这样与实际槽式太阳能热发电系统中不符,造成测试准确性不足。在实际槽式太阳能热发电系统中,槽式太阳能集热管圆周方向上只有面向抛物面反射镜的一部分聚光,另一部分不聚光。另一方面由于中高温集热管长度较长,放置进椭圆形封闭腔室非常困难,且其椭圆形封闭腔室也难以操作,导致实际使用较为困难,易于对椭圆形聚光器内表面造成损伤,特别是封闭腔室内空气温度随时间不断累积,必须具有通风装置,但腔室内空气变化较大,对测试精度有较大影响。另外,该发明专利中,没有采用均温装置,进出口温度测试测试稳定性差,精度较低,特别是由于单根集热管进出口温升只有2-7℃左右,进出口温度测试精度严重影响测试结果。同时测试时集热管内没有放置扰流杆,管内流体分布不均匀,流速较低,传热性能差,集热管由于温度分布不均而经常发生弯曲和破裂现象。
发明内容
本发明的主要目的是提高现有测试装置的测试准确性、精度和稳定性,与实际工况更加符合,具有较好的装置可操作性和简便性,提出了一种槽式太阳能集热管光学效率测量装置及其测试方法。
为了达到上述目的,本发明拟采用以下技术方案:
本发明提出的槽式太阳能集热管光学效率测量装置,包括椭圆形聚光器、椭圆形聚光器支架、太阳模拟光源、槽式太阳能集热管支架、第一均温装置、第二均温装置、流量计、第一流体驱动泵、供液箱、储液箱、第二流体驱动泵及测量系统。
所述椭圆形聚光器为横截面呈非完整椭圆的腔室,所述椭圆形聚光器的横截面可以是半椭圆或多半个椭圆,所椭圆形聚光器可以是立式也可以是卧式放置。所述椭圆形聚光器内壁具有反射镜面,所述椭圆形聚光器两端为具有反射镜面的端盖,所述椭圆形聚光器内壁和两端端盖的反射镜面可以是玻璃镜、反光铝板或采用反射率高于85%的膜层材料制作。
所述太阳模拟光源和待测槽式太阳能集热管分别位于所述椭圆形聚光器的两条焦线上,所述太阳模拟光源为金属卤素灯或氙气灯,所述槽式太阳能集热管可以位于所述椭圆形聚光器的内部,也可以在所述椭圆形聚光器的外部。所述椭圆形聚光器将太阳模拟光源发出的光线反射聚焦到待测槽式太阳能集热管上。
所述槽式太阳能集热管内放置有扰流杆,所述扰流杆具有螺旋状翅片,用于提高流速,增强换热,促进槽式太阳能集热管
口温度稳定性,应具有至少内流体的均匀稳定。
所述槽式太阳能集热管一端依次与第一均温装置、流量计、第一流体驱动泵和供液箱通过管道相连接,形成供液管路;所述槽式太阳能集热管另一端依次与第二均温装置、储液箱通过管道相连接,形成出液管路。
所述第一均温装置和第二均温装置为圆管形,所述第一均温装置和第二均温装置在其入口侧均装有多孔挡板,所述多孔挡板将进入均温装置的流体进行扰动混合,使流体温度均匀。
所述供液箱为保证槽式太阳能集热管入50mm的保温层或恒温功能。
所述储液箱可采用第二流体驱动泵通过管道与供液箱连接,实现测试的循环特性,减少液体使用量。
所述测量系统包括第一测温传感器、第二测温传感器、环境测温传感器和数据采集仪器。
所述第一测温传感器的测温端头插入第一均温装置内,且位于第一均温装置的出口侧,用于测量所述槽式太阳能集热管的流体入口温度;所述第二测温传感器的测温端头插入第二均温装置内,且位于第二均温装置的出口侧,用于测量所述槽式太阳能集热管的流体出口温度,上述测温传感器可以放置多个,保证测试数据准确性。
所述数据采集仪器通过连接所述流量计、第一测温传感器、第二测温传感器和环境测温传感器采集相应数据,并进行记录存储。
采用所述的槽式太阳能集热管光学效率测量装置的测试方法步骤如下:
1)将待测槽式太阳能集热管安装在支架上,槽式太阳能集热管内放置扰流杆,槽式太阳能集热管的两端分别与第一均温装置和第二均温装置连接,连接完成后进行检验进液管路和出液管路,确保各连接处、液体流量计、第一流体驱动泵、供液箱、储液箱不存在泄漏;
2)依次打开流体驱动泵、流量计和测温系统,调节第一流体驱动泵为某一设定值,待第一测温传感器温度值在10分钟内变化不超过0.5℃时,开启太阳模拟光源,设定太阳模拟光源功率为某一固定值;
3)待第一温度传感器和第二温度传观器温度在15分钟内变化均不超过0.5℃时,测试视为温度稳定;
4)维持稳态测试状态,测量系统的数据采集时间不少于10分钟,保存记录所有数据;
5)测试完成后,先关闭太阳模拟光源,在至少5分钟后再关闭流体驱动泵。排放槽式太阳能集热管内流体,并更换一根槽式太阳能集热管标准样管,继续采用相同工况进行测试,重复步骤1)至步骤4)。
6)由步骤1)至步骤5)得到待测槽式太阳能集热管的实际得热量和槽式太阳能集热管标准样管的实际得热量,两者的比例关系视为待测槽式太阳能集热管相对于槽式太阳能集热管标准样管的光学效率比值,由于槽式太阳能集热管标准样管的光学效率值为已知值,进而计算出待测槽式太阳能集热管的实际光学效率值。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
1、本发明槽式太阳能集热管光学效率测量装置利用非完整椭圆形聚光器,将位于椭圆一个焦线的太阳模拟光源的光线反射到位于椭圆另一焦线的待测槽式太阳能集热管上,槽式太阳能集热管圆周方向上面向椭圆聚光器的部分具有聚光,另外一面没有聚光。相对于现有技术,其优点在该种装置产生的聚光效果与实际槽式太阳能热发电系统中槽式太阳能集热管聚光效果较为接近,保证了测量的准确性和与是实际工况的一致性,有利于获得准确的槽式太阳能集热管光学效率。
2、本发明槽式太阳能集热管光学效率测量装置为非封闭的椭圆形聚光器,槽式太阳能集热管安装方便,椭圆形聚光器加工制作方便,大大减少了槽式太阳能集热管安装时对椭圆形聚光器内表面的磨损或损伤的风险。同时由于采用非封闭结构,其可减少通风装置及其对测试温度的影响。
3、本发明槽式太阳能集热管光学效率测量装置,在槽式太阳能集热管两端放置有均温装置,通过多孔挡板扰流,显著提高了进出口温度的均匀性和稳定性,提高了测试精度;同时在槽式太阳能集热管内放置扰流管,也同样使集热管内流体更加均匀,由于槽式太阳能集热管内流体的当量直径减小了,显著增加流速,强化了传热,减少集热管因温度不均匀而破裂的风险。
4、本发明槽式太阳能集热管的光学效率测量方法,能够对槽式太阳能集热管光学效率进行精确测试,其不受天气影响,具有测试稳定、功率可控、介质流量可控、测温准确、易操作的优点。
附图说明
图1是本发明槽式太阳能集热管光学效率测量装置的结构示意图;
图2是本发明立式槽式太阳能集热管光学效率测量装置的横截面结构示意图;
图3是本发明卧式槽式太阳能集热管光学效率测量装置的横截面结构示意图;
图4是本发明均温装置实施例的结构示意图;
图5是本发明待测槽式太阳能集热管内放置扰流杆实施例的结构示意图。
图中:1椭圆形聚光器,2椭圆形聚光器支架,3太阳模拟光源,4槽式太阳能集热管支架,5第一均温装置,6第二均温装置,7流量计,8第一流体驱动泵,9供液箱,10储液箱,11测量系统,12端盖,13待测槽式太阳能集热管,14第一测温传感器,15第二测温传感器,16环境测温传感器,17数据采集仪器,18第二流体驱动泵,19扰流杆,20多孔挡板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1和图2所示,本发明立式槽式太阳能集热管光学效率测量装置,包括椭圆形聚光器1、椭圆形聚光器支架2、太阳模拟光源3、槽式太阳能集热管支架4、第一均温装置5、第二均温装置6、流量计7、第一流体驱动泵8、供液箱9、储液箱10及测量系统11。太阳模拟光源3和待测槽式太阳能集热管13分别位于椭圆形聚光器1的两条焦线上,椭圆形聚光器1的两端为具有反射镜面的端盖12,椭圆形聚光器1的内壁具有反射镜面。本实施例中椭圆形聚光器内壁和两端端盖的反射镜面采用了玻璃镜,可将太阳模拟光源3发出的光线高效的反射聚焦到待测槽式太阳能集热管13上,该太阳模拟光源3采用了光谱与实际太阳光谱非常接近的金属卤素灯。为了放置待测槽式太阳能集热管13,方便及保证槽式太阳能集热管13周向聚光效果与实际槽式太阳能热发电系统的聚光效果接近,椭圆形聚光器1为立式,其横截面呈非完整椭圆的腔室,即缺少椭圆下面部分的反射面。槽式太阳能集热管13位于椭圆形聚光器1的内部。槽式太阳能集热管13内放置有螺旋形的扰流杆19,如图5所示。槽式太阳能集热管13的两端分别与第一均温装置5和第二均温装置6密封连接。第一均温装置5与流量计7、第一流体驱动泵8和供液箱9通过管道相连接,形成供液管路。其中,供液箱9外面有50mm的保温层,保证了流体入口温度的稳定性。第二均温装置6与储液箱10通过管道相连接,形成出液管路。储液箱10还通过管道连接有第二流体驱动泵18,可将储液箱10里的液体再次打入到供液箱9内,形成循环回路。
测量系统11包括第一测温传感器14、第二测温传感器15、环境测温传感器16和数据采集仪器17。第一测温传感器的测温端头插入第一均温装置5内,且位于第一均温装置5的出口侧,用于测量槽式太阳能集热管13的流体入口温度,第一均温装置5的入口侧装有多孔挡板20,如图4所示,可以增加流体的稳定性和温度均匀性,提高测温精度。第二测温传感器的测温端头插入第二均温装置6内,且位于第二均温装置6的出口侧,用于测量流体出口温度,第二均温装置6的入口侧同样装有多孔挡板20。数据采集仪器17连接流量计7、第一测温传感器14、第二测温传感器15和环境测温传感器16,采集相应流量和温度数据,测试时可以根据流量计7的流量数据调节第一流体驱动泵8的出口流量。
利用本发明装置测试槽式太阳能集热管光学效率的步骤如下:
1)将待测槽式太阳能集热管13安装在支架4上,槽式太阳能集热管13内放置扰流杆19,该扰流杆19具有螺旋形翅片,增加了管内流体的流速,增强了换热。将槽式太阳能集热管13的两端分别与第一均温装置5和第二均温装置6连接,连接完成后检验进液管路和出液管路,确保各连接处、流量计7、第一流体驱动泵8、供液箱9、储液箱10不存在泄漏现象;
2)依次打开流量计和测温系统,调节流体驱动泵为某一设定值,待第一测温传感器14温度值在10分钟内变化不超过0.5℃时,开启太阳模拟光源3,设定太阳模拟光源3功率为某一固定值;
3)待第一温度传感器14和第二温度传感器15温度在15分钟内变化均不超过0.5℃时,测试视为温度稳定;
4)维持稳态测试状态,测量系统11的数据采集时间不少于10分钟,保存记录所有数据;
5)测试完成后,先关闭太阳模拟光源3,在至少5分钟后再关闭流体驱动泵8。排放槽式太阳能集热管内液体,并更换一根槽式太阳能集热管标准样管,继续采用相同工况进行测试,重复步骤1)至步骤4);
6)由步骤1)至步骤5)得到待测槽式太阳能集热管的实际得热量和槽式太阳能集热管标准样管的实际得热量,两者的比例关系视为待测槽式太阳能集热管相对于槽式太阳能集热管标准样管的光学效率比值,由于槽式太阳能集热管标准样管的光学效率值为已知值,进而计算出待测槽式太阳能集热管的实际光学效率值。
图3是本发明卧式槽式太阳能集热管光学效率测量装置的横截面结构,其与上述实施例类似,不同的是,图3所示椭圆形聚光器1为卧式放置,即椭圆形聚光器1的两个焦线是在同一水平面上,同时,待测槽式太阳能集热管13位于椭圆形聚光器1的外部,这样放置槽式太阳能集热管安装和测试更加方便,保证了测试的准确性,另外,椭圆形聚光器1内壁和两端端盖的反射镜面采用了反光铝板,其制作更加方便。太阳模拟光源3采用氙气灯,其光谱与实际太阳光谱也较为接近,成本更低。

Claims (1)

1.一种槽式太阳能集热管的光学效率测量装置,包括椭圆形聚光器(1)、椭圆形聚光器支架(2)、太阳模拟光源(3)、槽式太阳能集热管支架(4)、流量计(7)、第一流体驱动泵(8)、供液箱(9)、储液箱(10)及测量系统(11);所述椭圆形聚光器(1)的两端为具有反射镜面的端盖(12),所述椭圆形聚光器的内壁有反射镜面;所述太阳模拟光源(3)和待测槽式太阳能集热管(13)分别位于所述椭圆形聚光器(1)的两条焦线上;所述的测量装置还包括第一均温装置(5)和第二均温装置(6);所述待测槽式太阳能集热管(13)的一端依次与第一均温装置(5)、流量计(7)、第一流体驱动泵(8)和供液箱(9)通过管道相连接;所述槽式太阳能集热管(13)的另一端依次与第二均温装置(6)、储液箱(10)通过管道相连接;所述的测量系统(11)包括第一测温传感器(14)、第二测温传感器(15)、环境测温传感器(16)和数据采集仪器(17);所述椭圆形聚光器(1)为横截面呈非完整椭圆的腔室,其横截面为半椭圆或多半个椭圆;所述椭圆形聚光器为卧式放置,且椭圆形聚光器(1)的两个焦线是在同一水平面上,其特征在于,所述待测槽式太阳能集热管(13)的管内放置具有螺旋状翅片的扰流杆(19);所述的槽式太阳能集热管的光学效率测量装置的测试步骤如下:
1)将待测槽式太阳能集热管(13)安装在槽式太阳能集热管支架(4)上,槽式太阳能集热管(13)内放置扰流杆(19);槽式太阳能集热管(13)两端分别与第一均温装置(5)和第二均温装置(6)连接,连接完成后进行检验,确保各连接处、流量计(7)、第一流体驱动泵(8)、供液箱(9)、储液箱(10)没有泄漏;
2)依次打开第一流体驱动泵(8)、流量计(7)和测量系统(11),调节第一流体驱动泵(8)为某一设定值,待第一测温传感器温度值在10分钟内变化不超过0.5℃时,开启太阳模拟光源(3),并设定太阳模拟光源(3)功率为某一固定值;
3)待第一温度传感器(14)和第二温度传观器(15)温度在15分钟内变化均不超过0.5℃时,测试视为温度稳定;
4)维持稳态测试状态,测量系统(11)的数据采集时间不少于10分钟,保存记录所有数据;
5)测试完成后,先关闭太阳模拟光源(3),在至少5分钟后再关闭第一流体驱动泵(8);排放槽式太阳能集热管(13)内液体,并更换一根槽式太阳能集热管标准样管,继续采用相同工况测试,重复步骤1)至步骤4);
6)由步骤1)至步骤5)得到待测槽式太阳能集热管的实际得热量和槽式太阳能集热管标准样管的实际得热量,两者的比例关系视为待测槽式太阳能集热管相对于槽式太阳能集热管标准样管的光学效率比值,由于槽式太阳能集热管标准样管的光学效率值为已知值,进而计算出待测槽式太阳能集热管的实际光学效率值。
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