CN110108326B - 梯形集热光斑能量与热流密度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种梯形集热光斑能量与热流密度测量系统及方法，属于太阳能热利用技术领域。在此领域中，如何进一步提高太阳能发电系统的聚光效率已经成为一个世界性问题。作为镜场调节的依据，光斑的热流密度分布数据具有重要意义。目前腔式吸热器虽能够测量整个光斑的能量与热流密度，但无法同时测量光斑各划分区域的热流密度，本申请提供的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统及方法，反光板的迎光面为锥面，反光板和金属吸热板的迎光面的纵切面为梯形，通过金属吸热板‑热管‑联集管的连接方式，计算每个联集管吸收的光斑能量，进而得出光斑各区域的热流密度，可指导镜场调整以提高太阳能发电系统的聚光效率，实用性强，便于产业上推广应用。

Description

梯形集热光斑能量与热流密度测量系统及方法

技术领域

本申请涉及太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种梯形集热光斑能量与热流密度测量系统及方法。

背景技术

太阳能利用技术领域，聚热发电是一项重要课题。太阳能聚热发电是利用大规模阵列式梯形反光镜、梯形反射镜或碟形太阳光反射镜，把太阳热能反射到既定的小区域，从而收集太阳热能，通过热交换系统提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。一般来说，太阳能聚热发电形式有槽式，碟式和塔式三种。

碟式和塔式发电系统中，镜场和集热器是非常关键的配置。镜场用于反射聚集太阳光形成光斑，而集热器用于吸收光斑的热能。为了提高发电系统的聚光效率，给镜场调整和集热器选用提供依据，需要对光斑的能量与热流密度进行测量。目前典型采用腔式吸热器进行光斑能量的测量，这种桶形结构的腔式吸热器将吸收的光斑能量传递给外壁上缠绕的换热管道，根据换热管道内通入的工质的升温和体积计算光斑的能量。

然而，这种测量方式存在诸多局限，无法测量光斑局部区域的能量与热流密度，此外，当光斑面积较大时，需要具备更大采光口的腔式吸热器，增加了工程制造的难度。如何更便捷地既测量整个光斑、又测量光斑局部区域的能量与热流密度，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种既能测量光斑局部区域、又可同时测量整个光斑的能量与热流密度的系统和方法，以解决目前无法测量光斑局部区域的热流密度分布以提高太阳能发电系统聚光效率的问题。

本申请的一方面，提供一种梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，包括：

反光板、金属吸热板、热管、联集管、测温元件、流量测量单元和储热工质；

所述反光板的迎光面为锥面，所述反光板和所述金属吸热板的迎光面的纵切面为梯形，每个所述反光板与每个所述金属吸热板的边缘连接，所述反光板与所述金属吸热板的竖向中心轴线的夹角为0到45度，所述反光板的开口边缘与相邻所述反光板的开口边缘接触；

所述金属吸热板的迎光面设置有选择性吸收涂层，每个所述金属吸热板与每个所述热管相连，所述热管为内部有工作液的封闭式真空管，所述热管分为蒸发段和冷凝段，所述工作液储存在蒸发段，所述热管的蒸发段端面与所述金属吸热板的背光面紧密接触，所述热管的冷凝段嵌入所述联集管中；

所述联集管的数量至少为两个，每个所述联集管与每个所述热管相连；

所述测温元件分别设置于联集管的工质入口一端和工质出口一端；

所述流量测量单元设置在与联集管相通的管路上；

所述储热工质由所述联集管的入口通入，再由所述联集管的出口流出。

可选的，所述反光板的迎光面为镜面反射，所述迎光面的反射率≥0.9，所述反光板的背光面一侧设有冷却管道。

可选的，所述热管外部侧壁上包裹有导热用的保护套，所述保护套的一端与所述金属吸热板紧密接触，在所述保护套外侧和所述联集管外侧包裹隔热材料。

可选的，还包括水泵和球阀，所述水泵设置在所述联集管的入口一端，在所述水泵的顺水流方向上设置所述球阀。

可选的，所述流量测量单元为流量计，所述流量计设置在与所述联集管相连通的管道上。

可选的，还包括信号处理设备和信号输出设备，所述信号处理设备与所述测温元件以及所述流量计相连，所述信号处理设备与所述信号输出设备相连。

本申请的另一方面，提供一种梯形集热光斑能量与热流密度测量方法，基于本申请所提供的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，包括以下步骤：

调整梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，在保证工作液处于金属吸热板一端的条件下，使金属吸热板对准光斑；

将储热工质通入联集管的入口，储热工质由联集管的出口流出，待所有测量值都稳定(预热预定时间)，测温元件开始检测联集管两端的储热工质温度，记录同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值，流量测量单元开始检测单位时间内储热工质的流量，记录单位时间内储热工质的流量值；

根据记录的同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，计算各联集管对应的光斑区域在单位时间内的能量值，并得出整个光斑的能量值；

根据各联集管对应的光斑区域的面积计算各光斑区域的热流密度以及整个光斑的热流密度。

可选的，在所述调整梯形集热光斑能量与热流密度测量系统的步骤之前，将冷却工质通入冷却管道。

可选的，在所述根据记录的同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，计算各联集管对应的光斑区域在单位时间内的能量值，并得出整个光斑的能量值的步骤中，还包括：

信号处理设备提取记录的同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，并计算各光斑区域的能量值以及整个光斑的能量值，并根据各光斑区域的面积计算热流密度，并将所述信号处理设备计算的结果在信号输出设备上显示。

可选的，所述方法还包括：通过调节水泵和球阀的大小，在储热工质的不同流速下，对光斑能量与热流密度进行多次测量。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供的一种梯形集热光斑能量与热流密度测量系统及方法，通过设置至少两个联集管和至少两个热管，既可以测量整个光斑的能量与热流密度，也可以同时测量出光斑各划分区域的能量与热流密度，这样就能够指导镜场作进一步调整以提高太阳能发电系统聚光效率；反光板的迎光面为锥面，反光板和金属吸热板的迎光面的纵切面为梯形，每个反光板与每个金属吸热板的边缘连接，反光板与金属吸热板的竖向中心轴线的夹角为0到45度，这样就使每个光斑区域形成一套独立的能量接收子系统，能量吸收更加充分，且相邻光斑区域之间的干扰更小，使计算结果更趋精确；通过保证工作液的位置，有利于能量传导；将储热工质通入联集管预设时间，各部件预热，达到一定的稳定状态，使测量结果更准确；冷却管道的设置能充分保护反光板不被光斑高温损坏；使用信号处理设备和信号输出设备使测量过程更智能化和自动化，提高测量效率；通过在储热工质的不同流速下对光斑能量多次测量，可进一步保证测量结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统一个实施例的结构示意图；

图2为本申请的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统另一个实施例的结构示意图；

图3为本申请的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统另一个实施例的结构示意图；

图4为本申请中联集管测量系统示意图；

图5为本申请的梯形集热光斑能量与热流密度测量方法的流程图。

附图标记说明：1-金属吸热板、2-反光板、3-热管、4-联集管、5-测温元件、6-流量测量单元、7-保护套、8-冷却管道、9-水泵、10-球阀。

具体实施方式

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参考附图1、附图2以及附图3，以便于理解本申请第一方面所提供的一种梯形集热光斑能量与热流密度测量系统的实施例。本实施例的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，包括：反光板、金属吸热板、热管、联集管、测温元件、流量测量单元和储热工质；其中，

反光板的迎光面为锥面，反光板和金属吸热板的迎光面的纵切面为梯形，每个反光板与每个金属吸热板的边缘连接，反光板与金属吸热板的竖向中心轴线的夹角为0到45度，反光板的开口边缘与相邻反光板的开口边缘接触；

金属吸热板的迎光面设置有选择性吸收涂层，每个金属吸热板与每个热管相连，热管为内部有工作液的封闭式真空管，热管分为蒸发段和冷凝段，工作液储存在蒸发段，热管的蒸发段端面与金属吸热板的背光面紧密接触，热管的冷凝段嵌入联集管中；

联集管的数量至少为两个，每个联集管与每个热管相连；

测温元件分别设置于联集管的工质入口一端和工质出口一端；

流量测量单元设置在与联集管相通的管路上；

储热工质由联集管的入口通入，再由联集管的出口流出。

附图中测温元件所标识的T1、T2、T3均为测温元件，由于测温部位不同，为了以示区别，不同测温部位T后面的数字有所不同，并无严格意义上的顺序限制；另外，附图1和附图2中下方的六个箭头指示线为光斑光线。

该系统中，由于光斑区域内的局部的能量分布不均匀，故需要将光斑区域完全分割成多个小区域，每个小区域内的能量均被测量。如此分割和测量，既能测量各个小区域内的能量密度，又能测量整个光斑能量，即把各个区域内的能量相加就是整个光斑的能量。上述金属吸热板主要用于吸收光斑能量，将光斑能量转化为热能，并传递给与金属吸热板紧密接触的热管的蒸发段，热管中的工作液吸热蒸发，由于热管为封闭式真空管，热管中除了工作液外存在真空部位，气化状态的工作液上升至真空部位，在冷凝段冷凝将热量传递给联集管的储热工质中；联集管与部分区域的光斑对应，通过热管将部分区域的光斑的能量传递给联集管；整个光斑划分为两个或两个以上的部分区域，测量这些部分区域的光斑能量并累计求和，即可得知整个光斑以及各部分区域光斑的能量和热流密度。

本实施例中，通过对光斑区域进行划分，可单独测量各光斑区域的能量以及热流密度，另外，通过反光板-金属吸热板-热管-联集管这种一对一的连接方式，完成精确测量单独光斑区域能量和热流密度的目标，通过在光斑处布满这样的测量组件，就可以测量出整个光斑的能量及热流密度，达到本申请的目的。

可选的，反光板的迎光面为镜面反射，迎光面的反射率≥0.9，反光板的背光面一侧设有冷却管道。

反光板的迎光面为镜面反射且反光板的迎光面的反射率≥0.9，能将入射的光斑光线绝大部分反射至金属吸热板上，有利于提高测量结果的精度；另外，反光板的背光侧布置有冷却水管道，可以保护反光板不被光斑损坏。

可选的，热管外部侧壁上包裹有导热用的保护套，保护套的一端与金属吸热板紧密接触，在保护套外侧和联集管外侧包裹隔热材料。

保护套的作用主要有两个：一是导热，二是保护。保护套能增加换热面积，从端部吸收金属吸热板的热量，并将热量传递给热管中的工作液；另外，保护套包裹热管，能在一定程度上保护热管不受到外力破坏。在保护套外侧和联集管外侧包裹隔热材料，能使热量不易散发，保障测量的准确性。

可选的，还包括水泵和球阀，水泵设置在所述联集管的入口一端，在水泵的顺水流方向上设置球阀。

水泵的设置有利于给联集管中的储热工质加压，球阀用于调节储热工质的流速，达到控制单位时间内流量大小的目的。

可选的，流量测量单元为流量计，流量计设置在与联集管相连通的管道上。

可选的，还包括信号处理设备和信号输出设备，信号处理设备与测温元件以及流量测量单元相连，信号处理设备与信号输出设备相连。

使用信号处理设备可以使测量过程更加智能、高效，同时测量结果更精确，信号输出设备可以是带显示屏的各种终端设备，通过信号输出设备使结果更加直观。

结合附图5，理解本申请的另一方面，提供一种梯形集热光斑能量与热流密度测量方法，基于本申请所提供的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，包括以下步骤：

S101,调整梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，在保证工作液处于金属吸热板一端的条件下，使金属吸热板对准光斑；

S102,将储热工质通入联集管的入口，储热工质由联集管的出口流出，待所有测量值都稳定(预热预定时间)；

储热工质可以是水，也可以是其他液体，起到吸收工作液蒸发后冷凝带来的热量的作用；上述所有测量值都稳定是指储热工质通过联集管一段时间后，测量装置的各部分受热达到一种温度近乎恒定的状态。采用先预热再测量的方式，可以减小由于装置各部分吸热造成的测量误差。

S103，测温元件开始检测联集管两端的储热工质温度，记录同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值，流量测量单元开始检测单位时间内储热工质的流量，记录单位时间内储热工质的流量值；

S104，根据记录的同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，计算各联集管对应的光斑区域在单位时间内的能量值，并得出整个光斑的能量值；

S105，根据各联集管采集光斑能量的光斑区域的面积计算各光斑区域的热流密度以及整个光斑的热流密度。

可选的，在调整梯形集热光斑能量与热流密度测量系统的步骤之前，将冷却工质通入冷却管道。

此步骤中的冷工质是指温度小于或等于常温的工质，工质可以是水，也可以是其他液体，起到吸收光斑能量的作用。

可选的，在根据记录的同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，计算各联集管对应的光斑区域在单位时间内的能量值，并得出整个光斑的能量值的步骤中，信号处理设备提取记录的同一时刻流经各联集管的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，并计算各光斑区域的能量值以及整个光斑的能量值，并根据各光斑区域的面积计算热流密度，并将信号处理设备计算的结果在信号输出设备上显示。

使用信号处理设备和信号输出设备使测量过程更智能化和自动化，提高测量效率。

可选的，所述方法还包括：通过调节水泵和球阀的大小，在储热工质的不同流速下，对光斑能量与热流密度进行多次测量。

通过调节水泵和球阀的大小，在储热工质不同的流速及流量下，对同一光斑进行多次测量，求取平均值，使得测量结果更加准确。

参考附图4，图中示出了联集管测量系统示意图。本申请中直接测量的是各联集管两端的工质的温度和流量，因此将联集管和与测量有关的部分作为联集管测量系统单独作图，有利于加深对本申请的理解。需要理解的是，图中标识的联集管的数量并非是唯一固定的，只是示意性的。实际上，联集管的数量可以是两个或两个以上的任意值。另外，本联集管测量系统示意图只是所有选择中的一种，不应机械地理解为是唯一选择或者限定。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，其特征在于，包括：

反光板(2)、金属吸热板(1)、热管(3)、联集管(4)、测温元件(5)、流量测量单元(6)和储热工质；

所述反光板(2)的迎光面为锥面，所述反光板(2)和所述金属吸热板(1)的迎光面的纵切面为梯形，每个所述反光板(2)与每个所述金属吸热板(1)的边缘连接，所述反光板(2)与所述金属吸热板(1)的竖向中心轴线的夹角为0到45度，所述反光板(2)的开口边缘与相邻所述反光板(2)的开口边缘接触；

所述金属吸热板(1)的迎光面设置有选择性吸收涂层，每个所述金属吸热板(1)与每个所述热管(3)相连，所述热管(3)为内部有工作液的封闭式真空管，所述热管(3)分为蒸发段和冷凝段，所述工作液储存在蒸发段，所述热管(3)的蒸发段端面与所述金属吸热板(1)的背光面紧密接触，所述热管(3)的冷凝段嵌入所述联集管(4)中；

所述联集管(4)的数量至少为两个，每个所述联集管(4)与每个所述热管(3)相连；

所述测温元件(5)分别设置于联集管(4)的工质入口一端和工质出口一端；

所述流量测量单元(6)设置在与联集管(4)相通的管路上；

所述储热工质由所述联集管(4)的入口通入，再由所述联集管(4)的出口流出。

2.根据权利要求1所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，其特征在于，所述反光板(2)的迎光面为镜面反射，所述迎光面的反射率≥0.9，所述反光板(2)的背光面一侧设有冷却管道(8)。

3.根据权利要求1所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，其特征在于，所述热管(3)外部侧壁上包裹有导热用的保护套(7)，所述保护套(7)的一端与所述金属吸热板(1)紧密接触，在所述保护套(7)外侧和所述联集管(4)外侧包裹隔热材料。

4.根据权利要求1所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，其特征在于，还包括水泵(9)和球阀(10)，所述水泵(9)设置在所述联集管(4)的入口一端，在所述水泵(9)的顺水流方向上设置所述球阀(10)。

5.根据权利要求1所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，其特征在于，所述流量测量单元(6)为流量计，所述流量计设置在与所述联集管(4)相连通的管道上。

6.根据权利要求5所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，其特征在于，还包括信号处理设备和信号输出设备，所述信号处理设备与所述测温元件(5)以及所述流量计相连，所述信号处理设备与所述信号输出设备相连。

7.一种梯形集热光斑能量与热流密度测量方法，其特征在于，基于权利要求1-6任意一项所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，包括以下步骤：

调整梯形集热光斑能量与热流密度测量系统，在保证工作液处于金属吸热板(1)一端的条件下，使金属吸热板(1)对准光斑；

将储热工质通入联集管(4)的入口，储热工质由联集管(4)的出口流出，待所有测量值都稳定(预热预定时间)，测温元件(5)开始检测联集管(4)两端的储热工质温度，记录同一时刻流经各联集管(4)的储热工质的入口温度值和出口温度值，流量测量单元(6)开始检测单位时间内储热工质的流量，记录单位时间内储热工质的流量值；

根据记录的同一时刻流经各联集管(4)的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，计算各联集管(4)对应的光斑区域在单位时间内的能量值，并得出整个光斑的能量值；

根据各联集管(4)对应的光斑区域的面积计算各光斑区域的热流密度以及整个光斑的热流密度。

8.根据权利要求7所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量方法，其特征在于，在所述调整梯形集热光斑能量与热流密度测量系统的步骤之前，将冷却工质通入冷却管道(8)。

9.根据权利要求7所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量方法，其特征在于，在所述根据记录的同一时刻流经各联集管(4)的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，计算各联集管(4)对应的光斑区域在单位时间内的能量值，并得出整个光斑的能量值的步骤中，还包括：

信号处理设备提取记录的同一时刻流经各联集管(4)的储热工质的入口温度值和出口温度值以及单位时间内储热工质的流量值，并计算各光斑区域的能量值以及整个光斑的能量值，并根据各光斑区域的面积计算热流密度，并将所述信号处理设备计算的结果在信号输出设备上显示。

10.根据权利要求7所述的梯形集热光斑能量与热流密度测量方法，其特征在于，所述方法还包括：通过调节水泵(9)和球阀(10)的大小，在储热工质的不同流速下，对光斑能量与热流密度进行多次测量。