CN114061998B - 一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台及实验方法，包括氯化盐循环系统、电加热系统、非均匀太阳光源模拟系统、氯化盐吹扫及排出系统、空气隔离系统以及数据采集和控制系统；在565～700℃范围内采用二元氯化盐开展研究不同光照、工况条件下吸热器的光热耦合机理和运行可靠性的实验，在保证耐高温、耐腐蚀和氯化盐不凝固堵塞管路的前提下更加贴近现实，可结合其他种类的熔盐、在多种温度条件下开展不同材质和结构形式的吸热器光热耦合机理的研究，进一步模拟实际塔式太阳能光热电站；运行稳定可靠，避免了气象和环境参数波动对于太阳能实验的影响，大大降低了时间、经济和人工成本，能够推动塔式太阳能光热电站技术的发展。

Description

一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台及实验方法

技术领域

本发明属于太阳能光热转化与利用技术领域，具体涉及一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台及实验方法。

背景技术

自工业革命以来，随着人类社会的高速发展，世界对能源的需求量与日俱增，但是当前绝大多数的能源消耗依旧来自于化石燃料，这种能源结构也相应带来了环境污染与全球变暖等问题。考虑到化石能源将会在可预见的时间内被消耗枯竭，世界各国对于环保和能源消耗问题日益重视，提高现有技术的能源转化效率和开发清洁的可再生能源成为了当今工业和学术界研究的重点课题之一，并进一步衍生出了新型电力系统的概念。在新型电力系统的内涵中，首先需要以确保能源电力安全为基本前提，其次要具有清洁低碳、安全可控等基本特征，最后也是最重要的一点是以新能源为供给主体。按照此发展趋势，风电和太阳能发电的装机容量将大幅提高，逐步成为新型电力系统的主力电源。

太阳能作为一种清洁、储量丰富的可再生能源，早就得到了重点关注，预计未来将会重点发展并应用。目前的太阳能利用技术主要有太阳能光伏和太阳能光热发电两种，由于光热发电技术具有可储能、可调峰、可连续发电、并网难度低、污染小等突出优点，成为了未来太阳能发展的主要方向。当前的太阳能热发电技术主要有塔式、槽式、线性菲涅尔式和碟式四种类型，相比于其他三种，塔式电站的聚光比和吸热器表面的能流密度较高，根据传热介质的不同，能提供的最高温度范围达到500～1000℃，相应地具有集热效率高、热电转化效率高、成本可降低空间大以及可大规模利用等优势，进而成为了太阳能光热产业未来几十年内大规模利用的主攻方向。

在当前已经商用的塔式太阳能光热电站中，吸热器的出口温度最高为565℃，与蒸汽朗肯循环结合，发电过程中的最高温度约480～550℃，相应的发电效率仅能达到约38～44％，较低的效率导致塔式电站的发电成本居高不下。为了进一步通过改善动力循环提升光电转化效率进而降低发电成本，世界各国的主要研究机构均建议将超临界二氧化碳布雷度循环与塔式太阳能系统结合，通过提升吸热器的出口温度提高动力循环的运行温度至700℃以上，与之相应的发电效率即可达到50％以上，最终可大幅降低塔式太阳能光热电站的发电成本。但是温度的提升也带来了诸多的问题，其中比较具有代表性的有：(1)更高的温度需要更高的能流密度，相应地会带来能流密度非均匀性增大，若制造吸热器的金属耐高温性能不足或吸热器结构不合理，则可能导致吸热管断裂和吸热器热损失增加等问题；(2)目前作为电站中传热流体的二元硝酸盐NaNO₃-KNO₃(mole:60-40％)使用温度最高仅为600℃，超过此温度后即会发生分解，考虑到氯化盐具有优良的热稳定性和价格低廉等优点，研究人员提出将其作为替代工质，但氯化盐对于与之直接接触的金属的腐蚀性较强，且由于熔点较高易凝固堵塞管道，在实际使用氯化盐的过程中，需要对电站中设备和仪器的选材和结构设计、调控策略以及防护措施等方面进行改进，以在保证耐高温、耐腐蚀和防凝固堵塞的前提下实现电站的安全运行。

经过调研发现，目前以高温氯化盐为循环工质的塔式电站为研究对象且模拟整个聚光集热循环过程的实验平台较少，仅有的一些系统也相对简单，均以电加热方式模拟吸热器表面非均匀的能流分布，且吸热器的出口温度难以突破现有的565℃，很少有针对下一代吸热器、出口温度达到565～700℃之间的太阳辐射聚光非均匀能流特性进行室内实验，且与不同运行工况下的光热耦合机理结合起来的研究，不能完全、准确地反映吸热器受热过程中的光热耦合机理，缺少对于下一代塔式太阳能光热电站技术发展的指导。

发明内容

为了验证氯化盐在塔式电站中实际应用的可能性，着重解决实际使用过程中氯化盐高温、腐蚀性强和易凝固堵塞管道的问题，以及更好地开展565～700℃下吸热器在太阳辐射所能提供的真实能流条件下的光热耦合机理的研究，本发明提供了一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台及实验方法，首先从选材、结构设计、实验系统优化和实验方法合理化等方面保证实验平台的正常运行，其次结合非均匀太阳光源模拟系统，以在实验室内开展非均匀热流条件下、出口温度为565～700℃高温氯化盐吸热器的光热耦合机理和运行可靠性验证等方面的研究。可长期稳定开展针对不同工况、模拟不同天气情况、不同能流分布、不同吸热器结构形式和材料等的光热耦合机理的实验研究过程，不受天气情况的影响，大幅降低时间成本，为下一代塔式电站研究提供指导。

一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，包括氯化盐循环系统、电加热系统和非均匀太阳光源模拟系统；氯化盐循环系统用于实现氯化盐的循环流动，所述电加热系统用于对二元氯化盐进行预热和保温，所述非均匀太阳光源模拟系统用于模拟太阳光以加热氯化盐循环系统中的吸热器；氯化盐循环系统包括通过管道相连的氯化盐输送泵、氯化盐储罐、氯化盐循环管道、氯化盐回流管道、吸热器、第一差压测量段和第二差压测量段；氯化盐输送泵与氯化盐储罐连通，氯化盐储罐的出口与氯化盐循环管道相连，氯化盐循环管道与第一差压测量段第一端以及吸热器的进口连接，第一差压测量段第二端与吸热器的出口以及孔板的入口相连，孔板的下端开口与第二差压测量段相连，孔板的出口连接至氯化盐储罐；吸热器的进口和出口管道上分别通过安装有第一K型热电偶和第二K型热电偶；电加热系统包括安装在氯化盐储罐内的电加热器，以及缠绕于氯化盐循环管道、氯化盐回流管道、第一差压测量段、第二差压测量段管道外的管道伴热带；非均匀太阳光源模拟系统包括Lambertian靶、太阳能模拟器、能流计和相机，所述Lambertian靶和太阳能模拟器均设置在吸热器正面，所述能流计安装在Lambertian靶上，所述相机用于拍摄能流计表面照片。

进一步的，还包括氯化盐吹扫及排出系统，所述氯化盐吹扫及排出系统包括通过管道相连的第二氩气瓶、第二氩气吹扫段、第一氩气吹扫段支路、第二氩气吹扫段支路、吸热器泄压段和氯化盐排出段；第二氩气瓶的出口与第二氩气吹扫段一端连接，第二氩气吹扫段另一端分两路进入第一氩气吹扫段支路和第二氩气吹扫段支路；第一氩气吹扫段支路与吸热器连接，第二氩气吹扫段支路与吸热器以及吸热器泄压段连接，吸热器泄压段通过管道与氯化盐储罐相通；吸热器下部与氯化盐排出段相连通。

进一步的，氯化盐储罐上安装有空气隔离系统，所述空气隔离系统包括第一氩气瓶、呼吸阀、氩气泄出阀、空气排出阀和第一氩气吹扫段；所述第一氩气瓶的出口分两路分别与第一氩气吹扫段第一端和氩气通入阀连接，氩气通入阀通过管道与氯化盐储罐连接，第一氩气吹扫段的第二端连接至氯化盐储罐，呼吸阀通过管道安装在氯化盐储罐上部，所述氩气泄出阀和空气排出阀通过并联形式与氯化盐储罐连接。

进一步的，第一差压测量段与吸热器的进口之间的管道上依次安装有第一高温隔膜法兰、第一降温翅片、第一中低温隔膜法兰、第一差压传感器、第二中低温隔膜法兰、第二降温翅片和第二高温隔膜法兰；第二差压测量段上依次安装有第三高温隔膜法兰、第三降温翅片、第三中低温隔膜法兰、第二差压传感器、第四中低温隔膜法兰、第四降温翅片和第四高温隔膜法兰。

进一步的，氯化盐储罐置于储罐垫板上，两者共同放置于氯化盐储槽中。

进一步的，氩气通入阀的两端分别安装有第一压力传感器和第二压力传感器。

进一步的，氯化盐储罐上通过管道安装有雷达料位计，所述雷达料位计和氯化盐储罐连接的管道上安装石英玻璃。

基于上述的实验平台的实验方法，包括以下步骤：

步骤1、首先使用氯化盐吹扫及排出系统和空气隔离系统排出管道中的空气后，其次将氯化盐温度升高至熔点426℃以上使其成为液体状态，最后将液态的氯化盐注入到氯化盐储罐中备用；

步骤2、打开太阳能模拟器及其控制箱的风机，将Lambertian靶以及其中心的能流计放置于太阳能模拟器的焦点位置；启动冷却塔和水泵使得冷却水在冷却水循环管道中形成内循环，为Lambertian靶和能流计降温；使用相机拍摄能流计表面，获得能流计表面的灰度值和能流值之间的函数关系；在Lambertian靶上绘制需测量点的坐标，使用相机拍摄测试点位置的照片，导入上位机的照相馆(即Photoshop)软件中处理得到各个测量点的光子分布及光强信息，即求得能流计表面的灰度值和能流值之间的函数中各个系数的值，进而将各个测量点的光强积累并通过衍生计算得到整体Lambertian靶表面的能流密度分布；而得到太阳能模拟器提供给吸热器的入射辐射能；依次关闭太阳能模拟器及其控制的风机、冷却塔和水泵；

步骤3、移走Lambertian靶，使太阳能模拟器能够直接照射吸热器；打开熔盐罐的总电源，启动氯化盐储罐中的电加热器为固态的氯化盐预热，使其达到熔化的液态；启动管道伴热带，将管道伴热带的温度预设值调整为与氯化盐的熔点温度一致；启动太阳能模拟器和红外摄像仪，待氯化盐温度、氯化盐循环管道温度以及吸热器管道壁面的温度达到预设值并保持15～30分钟的稳定后，启动氯化盐输送泵，使氯化盐在整体实验系统中循环；

步骤4、系统运行一段时间后，等第一K型热电偶、第二K型热电偶、红外摄像仪、K型热电偶丝、第一差压传感器以及孔板流量计的示数均稳定后，开始采集记录吸热器进、出口的氯化盐温度和氯化盐体积流量，通过实时监控吸热器进出口两端的压降和吸热器迎光面的温度是否呈现稳定状态判断实验是否稳定；

步骤5、待吸热器迎光面的温度、吸热器背光面的温度、吸热器进口和出口氯化盐的温度、吸热器两端压降和氯化盐的体积流量数据全部采集结束后，将进行下一步针对吸热器效率和热损失的计算和分析，在此之前，首先关闭氯化盐输送泵和电加热器的电源；调节第三三通球阀，使吸热器右端上部连接至吸热器泄压段，打开第五电动Y型截止阀，泄出氯化盐循环管道中的压力；关闭第五电动Y型截止阀，打开第二氩气瓶，调节第二三通球阀连接至第二氩气吹扫段支路，打开第二两通球阀，调节第三三通球阀连接至吸热器右端上部；打开第三电动Y型截止阀，关闭其余电动Y型电动截止阀，将吸热器右端和对应管道中的氯化盐吹回到氯化盐储罐中；打开第四电动Y型截止阀，关闭其余电动Y型截止阀，将吸热器下部残余的氯化盐吹回到氯化盐储罐中；调节第二三通球阀连接至第一氩气吹扫段支路，打开第一两通球阀连接至吸热器左端上部，打开第四电动Y型截止阀，关闭其余电动Y型截止阀，将吸热器下部残余的氯化盐吹回到氯化盐储罐中；关闭系统中所有的电动Y型截止阀，将吸热器左端、孔板和相应氯化盐循环管道中的残余氯化盐吹回到氯化盐储罐中；

步骤6、关闭管道伴热带的电源，关闭数据采集和控制系统以及上位机，对实验场地进行通风降温；

步骤7、通过记录的吸热器进、出口处的氯化盐温度和氯化盐体积流量，计算获得氯化盐在吸热器中流过时吸收的热量，结合步骤2中获得的吸热器表面的总能流值，计算得到吸热器的热损失和效率。

进一步的，步骤7中，计算吸热器热损失和热效率的整体过程，包括以下步骤：

S1、将Lambertian靶及其中心能流计和相机结合，获得能流计表面的灰度值与能流值之间的关系：

I_x＝I_b+k·G_x (1)，

式(1)中，I_x为辐射能流值；I_b为辐射能流常数；k为转换系数；G_x为能流计表面的灰度值；

S2、将多个测量点位置的能流值及光照强度，带入式(1)，得到辐射能流常数I_b和转化系数k之间的关系，进而将Lambertian靶上除能流计之外的多个点的能流值进行衍生计算，获得整个Lambertian靶表面测量点的能流值；

S3、根据Lambertian靶总能流值的计算公式计算入射辐射能：

Lambertian靶总能流值的计算公式为：

Q_t即为太阳能模拟器投射到吸热器表面的总能流值，也即入射辐射能；I_j为单个测量点的能流值；A_j为单个测量点所占的面积；

S4、根据吸热器进口的氯化盐温度T_in和吸热器出口的氯化盐温度T_out，计算该温度下氯化盐的定压比热容c_p,in和c_p,out，孔板流量计测量并记录氯化盐体积流量，经过换算得到氯化盐的质量流量q_m，进而求得氯化盐在吸热器中流过时吸收的热量Q_x，计算公式为：

Q_x＝q_m(c_p,out·T_out-c_p,in·T_in)；

S5、计算吸热器的热损失Q_loss：Q_loss＝Q_t-Q_x；计算吸热器的效率η：

进一步的，步骤3中，在氯化盐加热和管道伴热的时采用变功率、逐级递加的加热方式。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

1、本发明提供的基于二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台中，循环工质选用MgCl₂-KCl(mole:32-68％)二元氯化盐，氯化盐熔化温度、分解温度均较高，且相比当前塔式太阳能光热电站中常用的二元硝酸盐NaNO₃-KNO₃(mole:60-40％)具有更强的腐蚀性，故选用热稳定性更好、抗腐蚀性能更强的哈氏合金230作为氯化盐循环管道的材质。实验平台中采用电加热器对氯化盐进行预热，采用管道伴热带对管道中的氯化盐进行保温以防止凝固堵塞，结合氯化盐清扫和排出系统将氯化盐及时排出，采用空气隔离系统以减少氯化盐和空气的接触以最大程度降低腐蚀性；为满足测量仪器在高温条件下的正常使用，在氯化盐储罐和雷达料位计之间加装耐高温的石英玻璃，在压差传感器和孔板流量计与氯化盐之间设计双隔膜法兰以在降温的同时正常传导压力。在采用上述措施和运用合理的实验方法以保证正常运行的基础上，结合非均匀太阳光源模拟系统在565～700℃范围内开展研究吸热器光热耦合机理的实验，相比常规的采用电热模拟非均匀热流条件的实验更贴近现实。能够为下一代塔式电站的设计运行提供借鉴思路。

2、在本实验中采用的氯化盐和吸热器结构的基础上，本实验平台能够进一步开展熔盐类型不同、吸热器金属材质及结构形式不同等情况下的光热耦合机理的研究。本实验平台稳定可靠，实验方法合理，通过远程控制系统操作方便，能够在室内模拟光源进而避免了气象和环境参数波动对于太阳能实验的影响，实现了实验室级别的实验平台，大大降低了时间、经济和人工成本。

3、本发明提供的二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台包括数据采集和控制系统，与实验系统供电柜、实验系统控制柜、数据采集机箱和上位机共同配合使用。实验系统供电柜内包含有开关电器、互感器及保护电器等，为实验平台中的氯化盐输送泵、雷达料位计、电加热器、5个电动Y型截止阀、2个差压传感器、2个压力传感器、孔板流量计、太阳能模拟器、涡街流量计和水泵等仪器设备供电。实验系统控制柜内设置有电源开关模块、功率调节模块、变频调节模块和阀门开关控制模块等，实现氯化盐输送泵、太阳能模拟器、电加热器和管道伴热带的开关以及流量和加热功率的调节，同时实现实验平台中5个电动Y型截止阀的开闭，所有操作均能够在上位机上通过手动设置完成，十分便捷，同时为防止出现紧急情况时远程控制失效，实验系统控制柜还设置有手动模式。整体操作便捷，在保证安全、可靠的前提下连续运行。整个实验平台为一闭式系统，实验结束且经过吹扫排盐后，管路中的氯化盐会返回氯化盐储罐中，以开展下一次实验。

进一步的，空气隔离系统包括通过管道连接的第一氩气瓶、第一三通球阀、氩气通入阀、呼吸阀、氩气泄出阀、空气排出阀和第一氩气吹扫段；在氩气通入阀的进出口两端分别安装有第一压力传感器和第二压力传感器；第一压力传感器的作用为实时监测进气压力，预防第一氩气瓶的气压不足；第二压力传感器的作用为实时监测氯化盐储罐内部的压力，预防储罐内部压力超过设定值。

进一步的，所述氯化盐循环系统包括通过管道相连的氯化盐输送泵、氯化盐储罐、氯化盐循环管道、氯化盐回流通道、吸热器、第一差压测量段和第二差压测量段；在氯化盐储罐的上盖板、氯化盐输送泵的旁边安装有雷达料位计，以测量储罐内氯化盐的料位高低；氯化盐储罐不同高度处设置有一定数量的热电偶，所测量得到的温度数值为氯化盐输送泵提供反馈信号进行泵的开关控制；吸热器的进出口处分别通过第二三通接头和第三三通接头与第一差压传感器相连接，以测量吸热器两端的差压值，差压值为氯化盐输送泵和第二、三、四和五电动Y型截止阀提供反馈信号，以控制管道中氯化盐流动的通闭；同时吸热器的进出口处分别安装有第一K型热电偶和第二K型热电偶，以分别测量吸热器进出口处的氯化盐温度；吸热器出口和氯化盐储罐中间安装有孔板流量计，其中孔板的表面管道通过开孔与第二差压传感器相连，通过测量流量计内的差压值换算得到管道内部的流量值，流量值同时为氯化盐输送泵和第二、三、四和五电动Y型截止阀提供反馈信号，以控制管道中氯化盐流动的通闭；当第一压差传感器的读数异常增大或减小时，吸热器内部可能出现了堵塞或外壁出现了泄漏，此时在关闭氯化盐输送泵的同时应关闭第三电动Y型截止阀，同时打开第二、四和五电动Y型截止阀，使输送泵在关闭过程中输送出的氯化盐经过氯化盐回流管道返回氯化盐储罐中，同时尽快排出吸热器中残余的氯化盐；当孔板流量计的读数异常减小时，操作同上；当实验进行时，通过红外热像仪实时观察并记录吸热器迎光表面的温度。

进一步的，所述电加热系统包括直接安插于氯化盐储罐内部的电加热器和缠绕于氯化盐循环管道、氯化盐回流管道第一差压测量段、第二差压测量段、氯化盐排出段和吸热器泄压段等外壁面的管道伴热带；氯化盐储罐不同高度处设置有一定数量的热电偶，所测量得到的温度数值反馈给电加热器控制加热功率以实现精确控制；实验平台中所有流过氯化盐的管道的外壁面均需缠绕管道伴热带，通过在管道外壁面设置一定数量的温度测试点为伴热带提供反馈信号以精确控制伴热功率。

进一步的，所述非均匀太阳光源模拟系统包括太阳能模拟器、能流计和相机，以及通过管道相连的冷却水循环管道、涡街流量计、冷却塔、水泵和Lambertian靶；通过控制系统远程控制太阳能模拟器的开闭，并调节光照强度；通过采集涡街流量计的数值实时监控管道中冷却水的流动状态。

进一步的，以上各测量仪器的电压、电流信号经过接口通信传输至上位机，通过在LabVIEW软件上进行自编程进行监控、记录和分析；各控制仪器和设备的信号经过控制系统至上位机通过PLC系统软件平台进行控制和反馈。

本发明所述的实验方法，采用电加热器对氯化盐进行预热，采用管道伴热带对管道中的氯化盐进行保温以防止凝固堵塞。采用非均匀太阳光源模拟在不同光照强度或不同气象环境下，为吸热器迎光面提供聚集非均匀的热流，在565～700℃范围内开展研究不同光照、工况条件下吸热器的光热耦合机理的实验，相比常规的使用电热模拟非均匀热流条件的实验，在保证耐高温和耐腐蚀性的首要条件下更贴近现实。本实验系统和实验方法应用范围广泛，适应性好。

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明的非均匀太阳光源模拟系统示意图。

图3为氯化盐循环系统中吸热器结构和背光面K型热电偶丝示意图。

图4为氯化盐循环系统中差压测量段1的结构示意图。

图5为氯化盐循环系统中孔板的结构示意图。

图中：1—第一氩气瓶，2—第一三通球阀，3—第一压力传感器，4—氩气通入阀，5—第二压力传感器，6—雷达料位计，7—呼吸阀，8—氯化盐输送泵，9—氩气泄出阀，10—空气排出阀，11—第一氩气吹扫段，12—氯化盐储罐，13—电加热器，14—储罐垫板，15—氯化盐储槽，16—第一电动Y型截止阀，17—氯化盐循环管道，18—管道伴热带，19—第一三通接头，20—第二电动Y型截止阀，21—氯化盐回流管道，22—第三电动Y型截止阀，23—第二三通接头，24—第一K型热电偶，25—吸热器，26—K型热电偶丝，27—第二K型热电偶，28—第一差压测量段，29—第一高温隔膜法兰，30—第一降温翅片，31—第一中低温隔膜法兰，32—第一差压传感器，33—第二中低温隔膜法兰，34—第二降温翅片，35—第二高温隔膜法兰，36—第三三通接头，37—孔板，38—第二差压测量段，39—第三高温隔膜法兰，40—第三降温翅片，41—第三中低温隔膜法兰，42—第二差压传感器，43—第四中低温隔膜法兰，44—第四降温翅片，45—第四高温隔膜法兰，46—氯化盐排出段，47—第四电动Y型截止阀，48—第二氩气瓶，49—第二氩气吹扫段，50—第二三通球阀，51—第一氩气吹扫段支路，52—第一两通球阀，53—第二氩气吹扫段支路，54—第二两通球阀，55—第三三通球阀，56—吸热器泄压段，57—第五电动Y型截止阀，58—Lambertian靶，59—太阳能模拟器，60—红外摄像仪，61—实验系统供电柜，62—实验系统控制柜，63—数据采集机箱，64—上位机，65—能流计，66—冷却水循环管道，67—涡街流量计，68—冷却塔，69—水泵，70—相机。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，所使用的二元氯化盐为MgCl₂-KCl(mole:32-68％)，考虑到本实验平台的意义为探索塔式太阳能光热电站吸热器出口温度在565～700℃之间的运行可靠性和光热耦合机理，同时本实验平台所用的二元氯化盐具有较强的腐蚀性以及易凝固堵塞管路，故需要解决如下主要难点问题：

1、相比于已经在塔式电站中得到实际应用的二元硝酸盐NaNO₃-KNO₃(mole:60-40％)，本实验平台中使用的二元氯化盐MgCl₂-KCl(mole:32-68％)热稳定性更好，使用温度范围最高可达1450℃，若与超临界二氧化碳布雷顿循环结合应用到实际的塔式电站中可大幅提升发电效率。但是需要注意的是，这种二元氯化盐在550℃之前基本稳定，超过600℃后由于MgCl₂的挥发增强，腐蚀性也会大大增强，同时在使用的过程中须最大程度上与空气隔离，因为MgCl₂会与空气中的水发生反应生成MgO，进一步增强此二元氯化盐的腐蚀性。出于以上考虑，首先将实验平台中所有与氯化盐直接接触的部件的材质设置为哈氏合金230，具体如氯化盐循环管道、氯化盐回流管道以及氯化盐储罐等，主要是由于哈氏合金230中的镍铬含量较高，具有较好的高温稳定性和高温下的抗腐蚀性能，在下一代塔式电站中将其与氯化盐结合使用具有相当广阔的前景；在选用抗腐蚀性能更好的金属材料的基础上，本实验平台在氯化盐储罐的上部设计安装了一套空气隔离系统，即首先在将氯化盐充注到储罐之前通过空气排出阀将空气排出，后通过氩气通入阀、呼吸阀和氩气泄出阀等动态维持储罐内充满一定压力的氩气，避免外部环境中的空气进入，隔绝空气。通过上述两种办法最大程度上减小二元氯化盐腐蚀性对实验平台的不良影响，保障实验的安全进行。

2、如何防止管道中的二元氯化盐凝固、堵塞管路。在塔式太阳能光热电站中，由于作为传热工质的熔盐的熔点均远远高于环境温度，故在运行过程中极易出现失温、凝固进而堵塞管道的情况。考虑到本实验中所用的二元氯化盐熔点为426℃，甚至比商业电站中常用的二元硝酸盐220℃的熔点温度更高，凝固和堵塞的问题需更加重视。若发生氯化盐凝固导致的堵塞，则只能够将实验中止，进而将管道拆开才能清理内部冻堵的氯化盐，在影响进度的同时增大了实验的危险性。故本发明首先在氯化盐循环管道、氯化盐回流管道和两段差压测量段等直接接触氯化盐的管道的外表面缠绕一层伴热带，通过远程和反馈控制将伴热带的温度始终维持在426℃以上，保证正常情况下所有管道中的氯化盐处于熔化状态；其次为了防止管道堵塞，本实验平台中所有管道均设置有3～5°的倾角，在实验结束、氯化盐停止输送的情况下能够通过重力回流到氯化盐储罐中，进一步设计有氯化盐吹扫和排出系统，在重力回流的基础上通过氩气对管道中残余的氯化盐进行吹扫。

3、本实验中的温度最高达到700℃，超过了多数常规测量仪器的耐温范围。氯化盐储罐上端的雷达料位计的使用温度最高为200℃，但是储罐内氯化盐在被加热的过程中最高温度可能超过700℃，为了防止高温冲击导致雷达料位计损坏，需要在雷达料位计和氯化盐储罐连接的管道中间安装一能够耐1300℃高温的石英玻璃，同时此石英玻璃需要保持一定的透过率，在隔热的同时保证雷达料位计的测量精度；吸热器和孔板流量计配套使用的压差传感器的使用温度最高为150℃，但管道内的氯化盐温度远远高于150℃，故需要在保证压力传导的同时，对与差压传感器直接接触的工质进行降温，首先通过高温隔膜法兰将高温的氯化盐和高温导热油隔开，进而通过散热翅片进一步降低高温导热油的温度，接着通过中低温隔膜法兰隔开高温导热油和中低温导热油，此时中低温导热油的温度能够满足传感器的使用要求，最后由在毛细管中的中低温导热油将压力传导至传感器中进行数据的读取和采集。

4、塔式太阳能光热电站的运行温度普遍较高，且本实验平台中所使用的二元氯化盐具有腐蚀性，管道、接头较多，如何充分保证实验平台的安全性。在氯化盐储罐的底部安装有第一电动Y型截止阀和氯化盐储槽，若储罐发生泄漏则打开第一电动Y型截止阀，使氯化盐储槽能够容纳全部氯化盐；在氯化盐储罐外部安装一隔板，在正常运行和泄露情况下均开启排风，将隔板内部的热量排出到室外；控制系统中设置超温保护模块，若管道中出现可疑的温度升高、压力的异常升高或降低，可立即报警并停止实验的运行；实验室内部设置有一定监控设备，通过监控观察实验室内部情况。

5、如何实现测试数据的快速采集。由于实验平台的设计工况温度较高，在氯化盐加热和管道伴热的过程中需要采用变功率、逐级递加的加热方式，同时在运行过程中出现异常情况时需立即停机，为了降低数据采集和控制过程中操作的困难和出现危险的可能性，需尽可能实现数据采集测试和系统控制的自动化、远程化。

参见图1和2，一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，包括氯化盐循环系统、电加热系统、非均匀太阳光源模拟系统、氯化盐吹扫及排出系统、空气隔离系统以及数据采集和控制系统。

空气隔离系统的输出端通过氯化盐储罐和氯化盐循环系统连接，电加热系统的电加热器和氯化盐循环系统的输入端连接，管道伴热带布置于实验平台中所有与氯化盐直接接触的管道的外壁面，非均匀太阳光源模拟系统通过作用于吸热器和氯化盐循环系统相连，氯化盐吹扫及排出系统通过吸热器与氯化盐循环系统相连。

其中，空气隔离系统用于隔离实验平台中的氯化盐和空气，以降低氯化盐的腐蚀性，具体包括第一氩气瓶1、第一三通球阀2、氩气通入阀4、呼吸阀7、氩气泄出阀9、空气排出阀10和第一氩气吹扫段11。第一氩气瓶1的出口与第一三通球阀3相连，经第一三通球阀2的两个出口分两路进入第一氩气吹扫段11和氩气通入阀4，第一三通球阀2的另一输出端连接第一氩气吹扫段11的第一端，第一氩气吹扫段11的第二端连接至氯化盐储罐12，呼吸阀7直接通过管道与氯化盐储罐12的上部相连，所述呼吸阀对于压力的敏感度较高，为防止氩气通入阀或氩气泄出阀失效，通过设置一定压力值实现自动进气排气，保护氯化盐储罐内的安全。氩气泄出阀9和空气排出阀10通过并联形式与氯化盐储罐12的上部连接，氩气泄出阀与氩气通入阀共同动态维持氯化盐储罐内的压力，空气排出阀10与第一氩气吹扫段配合使用，在正式实验开始前排出氯化盐储罐内的空气；在正式实验前，首先需打开第一氩气瓶1，通过空气排出阀10和第一氩气吹扫段11将氯化盐储罐12内部的空气排出，再通过氩气通入阀4、呼吸阀7和氩气泄出阀9动态维持氯化盐储罐12内部的压力，使其充满氩气并隔绝空气；在氩气通入阀4的进出口两端分别安装有第一压力传感器3和第二压力传感器5，第一压力传感器3的作用为实时监测第一氩气瓶1的进气压力，预防第一氩气瓶1中的气压不足，第二压力传感器5的作用为实时监测氯化盐储罐12内部的压力，预防储罐内部压力超过设定值。

氯化盐循环系统用于实验平台中的运行和氯化盐的循环流动，包括通过管道相连的氯化盐输送泵8、氯化盐储罐12、氯化盐循环管道17、氯化盐回流管道21、吸热器25、第一差压测量段28和第二差压测量段38。氯化盐储罐置于储罐垫板上，两者共同放置于氯化盐储槽中；氯化盐储罐的下部安装有电加热器和第一电动Y型截止阀；氯化盐输送泵8安装于氯化盐储罐12的中心上部，且与氯化盐储罐12连通，以实现运行过程中氯化盐的流动，为整个实验系统的氯化盐循环提供动力；氯化盐储罐12的出口处与氯化盐循环管道17相连，通过第一三通接头19将氯化盐循环管道17和氯化盐回流管道21相连。第一三通接头的两个出口处分别安装有第二和第三电动Y型截止阀，以分别控制氯化盐循环管道和氯化盐回流管道的通闭。正常运行情况下，安装于氯化盐回流管道21上的第二Y型截止阀20处于关闭状态，安装于氯化盐循环管道17上的第三Y型截止阀22处于打开状态，但是当氯化盐循环管道17出现堵塞或者泄露时，可在紧急关闭氯化盐输送泵8电源的同时关闭第三Y型截止阀22，同时开启第二Y型截止阀20，使管道中还未停止流动的氯化盐通过氯化盐回流管道21流回到氯化盐储罐中12中；第三Y型截止阀22的出口连接第二三通接头23的进口，第二三通接头23的出口一端连接第一差压测量段28第一端，另一端连接吸热器25的进口，第一差压测量段28第二端通过管道与第三三通接头36的出口连接。结合图3可以看出，第一差压测量段28与第三三通接头36之间的管道上依次安装有第一高温隔膜法兰29、第一降温翅片30、第一中低温隔膜法兰31、第一差压传感器32、第二中低温隔膜法兰33、第二降温翅片34和第二高温隔膜法兰35，通过隔膜法兰和翅片将第一差压测量段28中的氯化盐依次降温、传导压力，进而通过第一压差传感器32测量吸热器25进出口两端的压降；同时吸热器25的进口和出口管道上分别通过焊接安装有第一K型热电偶24和第二K型热电偶27，通过测量吸热器25进出口处的氯化盐温度计算热损失和效率；吸热器25的出口处连接第三三通接头36，第三三通接头36的出口一端连接第一差压测量段28，另一端与孔板37的入口相连，结合图4可以看出，通过将孔板37的下端开口与第二差压测量段38相连，第二差压测量段38上也通过管道依次连接有第三高温隔膜法兰39、第三降温翅片40、第三中低温隔膜法兰41、第二差压传感器42、第四中低温隔膜法兰43、第四降温翅片44和第四高温隔膜法兰45，通过测量孔板37内部的差压值，经过换算得到氯化盐体积流量值；孔板37的出口最后通过管道与氯化盐储罐12的入口相连，形成氯化盐的闭式循环。

电加热系统用于实验中二元氯化盐的预热和保温，包括直接安插于氯化盐储罐12内下部的电加热器13，以及缠绕于氯化盐循环管道17、氯化盐回流管道21、第一差压测量段28、第二差压测量段38、氯化盐排出段46和吸热器泄压段56等管道外壁面的管道伴热带18。电加热器13通过法兰直接固定于氯化盐储罐12的内部，在正式实验开始前，需先通过实验系统控制柜62和上位机64控制开启电加热器13并缓慢调节加热功率至氯化盐储罐12中固态的氯化盐全部熔化；同样在正式实验开始前，通过实验系统控制柜62和上位机64控制开启管道伴热带18并缓慢调节加热功率至管道温度达到426℃以上，避免管道中流过的氯化盐降温、凝固并堵塞。同时在氯化盐储罐12和管道伴热带18的外部需包裹一层硅酸铝毯保温层，在加热的同时保温。

非均匀太阳光源模拟系统用于模拟太阳光以加热吸热器，包括Lambertian靶58、太阳能模拟器59、能流计65和相机70，以及通过管道相连的冷却水循环管道66、涡街流量计67、冷却塔68和水泵69。太阳能模拟器设置在吸热器正面，通过模拟太阳光照作用于吸热器。在正式实验开始前，吸热器前端会先布置Lambertian靶，Lambertian靶的中心装有能流计65；需先启动太阳能模拟器59并调节其照射角度使光线聚焦于能流计65的中心，通过Lambertian靶58、能流计65、相机70和上位机64确定太阳能模拟器59提供的光照强度和总能流值；在上述过程中同时启动冷却水循环管道66中的冷却水对Lambertian靶58和能流计65降温，以防损坏；冷却水循环管道66上安装有涡街流量计67，Lambertian靶58的出口连接冷却水循环管道66，进而与涡街流量计67的入口相连，涡街流量计67的出口通过冷却水循环管道与冷却塔68的进口相连，冷却水在冷却塔68内部降温，冷却塔68的出口与水泵69的进口相连，水泵69为冷却水循环提供动力，水泵69的出口与Lambertian靶58的进口相连，由此形成冷却水内部循环。在完成此步骤的基础上，撤走Lambertian靶58，使太阳能模拟器59直接照射吸热器25，进而将非均匀太阳光源模拟系统与氯化盐循环系统联系起来。在实验过程中，可以通过实验系统控制柜61中的功率模块调节太阳能模拟器59的加热功率，以充分模拟不同天气状况、不同光照强度、不同能流密度下吸热器25的光热转化性能过程，根据设计太阳能模拟器能够实现0～28kW范围内的非均匀能流供给。

氯化盐吹扫及排出系统用于实验之后排出管道中残余的氯化盐，包括通过管道相连的第二氩气瓶48、第二氩气吹扫段49、第二三通球阀50、第一氩气吹扫段支路51、第一两通球阀52、第二氩气吹扫段支路53、第二两通球阀54、第三三通球阀55、吸热器泄压段56和吸热器下部的氯化盐排出段46。第二氩气瓶48的出口通过第二氩气吹扫段49与第二三通球阀50的入口端相连接，经第二三通球阀50的两个出口分两路进入第一氩气吹扫段支路51和第二氩气吹扫段支路53；第一氩气吹扫段支路51与第一两通球阀52的入口端相连，第二氩气吹扫段支路53与第二两通球阀54的入口端相连；第一两通球阀52的出口端通过管道与吸热器25的左半部分上端相连，以通入氩气进行吹扫；第二两通球阀54的出口端连接至第三三通球阀55，第三三通球阀55的两个出口分两路，一路通过管道与吸热器25的右半部分上部连接，另一路进入吸热器泄压段56，进而与第五电动Y型截止阀57的入口端连接，最后通过管道与氯化盐储罐12相通；吸热器25下部与氯化盐排出段46相连通，进而连接至第四电动Y型截止阀47的入口端，第四Y型截止阀47的出口端连接至氯化盐储罐12；实验平台中所有通氯化盐的管道均设置有3～5°的倾角，在实验停止状态下使氯化盐能够流回到氯化盐储罐12中，再配合氯化盐吹扫和排出系统保证吹扫和排盐效果。在氯化盐吹扫和排出系统中与氯化盐直接接触的氯化盐排出段46和吸热器泄压段56外部也需安装管道伴热带18并包裹硅酸铝毯进行保温。

数据采集与控制系统用于实验过程中数据的采集和关键设备的控制，包括第一压力传感器3、第二压力传感器5、雷达料位计6、第一Y型截止阀16、第二Y型截止阀20、第三Y型截止阀22、第一K型热电偶24、K型热电偶丝26、第二K型热电偶27、第一差压传感器32、孔板流量计、第二差压传感器42、第四Y型截止阀47、第五Y型截止阀57、红外热像仪60、实验系统控制柜62、数据采集机箱63、上位机64，上位机64与数据采集机箱63连接，数据采集机箱63与第一压力传感器3、第二压力传感器5、雷达料位计6、第一K型热电偶24、第二K型热电偶27、第一差压传感器32、孔板流量计以及红外热像仪60连接，其中上位机64通过数据采集机箱63实时采集并监控实验运行过程中的吸热器进出口氯化盐的温度、吸热器进出口两端的压降、吸热器迎光面的温度、吸热器背光面的温度以及氯化盐体积流量；雷达料位计6安装于氯化盐储罐12的顶部，氯化盐输送泵旁边，在氯化盐呈固态或液态时实时监控储罐12内的料位高度，可通过料位高度判断管道中是否出现泄露或堵塞；第一压力传感器3和第二压力传感器5分别安装于在氩气通入阀4的进出口两端，第一压力传感器3的作用为实时监测进气压力，预防第一氩气瓶1中的气压不足，第二压力传感器5的作用为实时监测氯化盐储罐12内部的压力；第一K型热电偶24和第二K型热电偶27分别安装于吸热器25的进出口两端，分别实时监控和测量相应位置的温度；K型热电偶丝26通过焊接固定在吸热器25的背光面，实时监控和测量相应位置的温度分布；第一差压传感器32同样安装于吸热器25的进出口两端，实时记录吸热器25进出口两端的压降；孔板流量计安装在氯化盐循环管道17内部，用于实时监控和测量管道中的流量值；其中的孔板表面设置开口与第二差压测量段相连，孔板37的下端开口安装有第二差压传感器42，通过测量相应两位置的压降换算得到流量值；Lambertian靶58、能流计65和相机70配合使用，得到太阳能模拟器59所能提供的总能流值；红外热像仪60固定安装在吸热器25前端，在正式实验过程中实时记录吸热器25受光面的温度分布；涡街流量计67安装于冷却水循环管道66中，实时测量和监控管道中冷却水的流量以保证冷却塔的冷却效果以及判断水泵是否正常运行。实验系统控制柜62通过电源开关和功率调节模块分别实现远程控制氯化盐输送泵8的开关和输送流量，通过电源开关模块实现5个电动Y型截止阀的通闭，通过电源开关和功率调节模块实现太阳能模拟器59的开关和功率调节，以及电加热系统的开关和功率调节。

测量仪器的电压、电流信号经过接口通信传输至上位机64，通过LabVIEW软件进行自编程进行监控、记录和分析；各控制仪器和设备的信号经过控制系统传输至上位机64，通过PLC系统软件平台将流量、压降和温度数据反馈给泵和电加热器等，进行泵和电加热器的启停，以及流量和加热温度的控制。

本实验采用太阳能模拟器模拟非均匀的能流分布，为二元氯化盐MgCl₂-KCl(mole:32-68％)在吸热器中的吸热过程提供能量，通过调节实验工况最大程度上提高吸热器出口处氯化盐的温度，同时降低吸热器热损失并提高吸热器效率。

下面给出利用上述实验平台进行实验的方法，具体步骤如下：

步骤1、进入实验室之前穿戴好工作服、安全帽等防护用具；进入实验室之后需首先打开门窗，启动排气扇，保证室内的通风良好；将实验平台周围的易燃易爆品清理干净，准备好灭火器并检查其性能；

步骤2、打开第一三通球阀2，使其指向第一氩气吹扫段11，打开空气排出阀10，关闭第一电动Y型截止阀16、第二电动Y型截止阀20和第三电动Y型截止阀22，使氯化盐储罐12形成一独立封闭环境；打开第一氩气瓶1进行氯化盐储罐12内空气的吹扫，空气经过空气排出阀10排放到外部环境中；上述操作重复2～3次后，认为氯化盐储罐12中的空气基本排除干净，将要使用的二元氯化盐充入到氯化盐储罐12中备用，在存储过程中需将第一三通阀2的出口指向氩气通入阀4，保持第一氩气瓶1、氩气通入阀4、呼吸阀7和氩气泄出阀9保持打开状态，关闭空气排出阀10，维持氯化盐储罐12内充满氩气的状态，隔绝空气；

步骤3、打开太阳能模拟器59及其控制箱的风机，将Lambertian靶58以及其中心的能流计65移动至太阳能模拟器59的焦点位置；启动冷却塔68和水泵69使得冷却水在冷却水循环管道中形成内循环，为Lambertian靶58和能流计65降温；使用相机70拍摄能流计65表面，获得能流计65表面的灰度值与能流值之间的函数关系；在Lambertian靶58上绘制需测量点的位置坐标，使用相机70拍摄所有测量点位置的照片，导入上位机64的照相馆(即Photoshop)软件中处理得到各个测量点的光子分布及光强信息，即求得函数中各个系数的值，然后将各个测量点位置的照片的光强积累并通过衍生计算得到整体Lambertian靶58表面的能流密度分布，进而得到太阳能模拟器59能够提供给吸热器25的入射辐射能；依次关闭太阳能能模拟器59及其控制的风机、冷却塔68和水泵69。

步骤4、移走Lambertian靶58，使太阳能模拟器59直接照射吸热器25，在此过程中保持太阳能模拟器59的高度和位置不变；检查实验平台中有关阀门的状态，保持第一Y型截止阀16、第二Y型截止阀20、第四Y型截止阀47、第二氩气瓶48、第一两通球阀52和第二两通球阀54处于关闭的状态，保持氯化盐循环管道17上的第一Y型截止阀16和吸热器泄压段56上的第五Y型截止阀57处于打开状态；打开实验系统供电柜61为整个实验平台供电，通过实验系统控制柜62的电源控制模块启动氯化盐储罐12中的电加热器13为氯化盐预热，预热过程中通过电源功率控制模块和氯化盐储罐12内安插的热电偶调节加热速率和目标温度，使氯化盐熔化并达到目标温度；同样通过实验系统控制柜62中的电源功率控制模块调节所有管道伴热带18的加热功率并将最终温度设定为426℃，与氯化盐的熔化温度一致；通过实验系统控制柜62中的电源控制模块启动太阳能模拟器59并照射吸热器25表面，进一步手动打开红外摄像仪60，通过红外摄像仪60观察吸热器25表面的温度，避免太阳能模拟器的光照强度过大以至于烧坏吸热器，起到监控作用；待氯化盐储罐12中的氯化盐温度、氯化盐循环管道17的温度以及吸热器25受热面的温度均达到预设值并保持15～30分钟的稳定后，通过实验系统控制柜62中的电源控制模块启动氯化盐输送泵8，并通过频率调节模块改变氯化盐的流速，使氯化盐在整体实验管道中循环。

步骤5、考虑到氯化盐储罐12中的氯化盐本身是静止的，会存在一定的温度分层现象，故首先应通过实验平台的运行使氯化盐的温度混合均匀，进而启动氯化盐输送泵8之后，前30～60分钟之内的运行数据不使用；实验平台运行一段时间后，观察第一K型热电偶24、K型热电偶丝26、第二K型热电偶27、第一差压传感器32、孔板流量计以及红外摄像仪60的示数稳定后，即可判断整个实验平台达到了热平衡状态，此时开始记录吸热器迎光面的温度、吸热器背光面的温度、吸热器进口和出口氯化盐的温度、吸热器两端压降以及氯化盐的体积流量，每隔2秒记录一次，整个记录过程的时间控制在60分钟之内；实验过程中特别关注吸热器25两端的第一差压传感器32以及孔板流量计的示数，若示数出现异常的增大或减小，则代表管道中可能出现了堵塞或泄露的情况，此时应立刻通过实验系统控制柜62和上位机64关闭氯化盐输送泵8，关闭第三Y型截止阀22以切断氯化盐循环管道17，同时打开第二Y型截止阀20使氯化盐回流管道21流通；进一步氯化盐吹扫及排出系统中将参与的氯化盐排回到氯化盐储罐12中。

步骤6、待吸热器迎光面的温度、吸热器背光面的温度、吸热器进口和出口氯化盐的温度，吸热器两端压降以及氯化盐的体积流量数据全部采集完成后，将进行下一步针对吸热器效率和热损失的计算和分析；在此之前，需首先关闭氯化盐输送泵8和电加热器13的电源；调节第三三通球阀55，使吸热器25右端上部连接至吸热器泄压段56，打开第五电动Y型截止阀57，泄出氯化盐循环管道中的压力；关闭第五电动Y型截止阀57，打开第二氩气瓶48，调节第二三通球阀50连接至第二氩气吹扫段支路53，打开第二两通球阀54，调节第三三通球阀50连接至吸热器右端上部；打开第三电动Y型截止阀22，关闭其余电动Y型电动截止阀，将吸热器25右端和对应管道中的氯化盐吹回到氯化盐储罐12中；打开第四电动Y型截止阀47，关闭其余电动Y型截止阀，将吸热器25下部残余的氯化盐吹回到氯化盐储罐中；调节第二三通球阀50连接至第一氩气吹扫段支路51，打开第一两通球阀52连接至吸热器25左端上部，打开第四电动Y型截止阀46，关闭其余电动Y型截止阀，将吸热器25下部残余的氯化盐吹回到氯化盐储罐12中；关闭系统中所有的电动Y型截止阀，将吸热器25左端、孔板37和相应氯化盐循环管道中的残余氯化盐吹回到氯化盐储罐12中。

步骤7、通过实验系统控制柜62关闭电加热器13和管道伴热带18的电源，关闭数据采集和控制系统以及上位机64，对实验场地进行通风降温。

步骤8、通过记录的吸热器进、出口处的氯化盐温度和氯化盐体积流量，计算获得氯化盐在吸热器中流过时吸收的热量，步骤3中获得的吸热器表面的总能流值结合，进一步计算得到吸热器的热损失和效率。

进一步的，计算吸热器热损失和热效率的整体过程，包括以下步骤：

S1、通过步骤3中将Lambertian靶及其中心能流计和相机结合，首先获得能流计表面的灰度值与能流值之间的关系，基本关系式为：I_x＝I_b+k·G_x

上式中，I_x为辐射能流值，单位为kW/m²，通过能流计测量获得；I_b为辐射能流常数，单位为kW/m²；k为转换系数，单位为kW/m²；G_x为能流计表面的灰度值；

S2、将多个测量点位置的能流值及光照强度，带入S1中的光照强度与能流值的基本关系式，即获得辐射能流常数I_b和转化系数k之间的关系，进而将Lambertian靶上除能流计之外的多个点的能流值进行衍生计算，获得整个Lambertian靶表面的能流分布情况；

S3、根据Lambertian靶总能流值的计算公式计算入射辐射能：

Lambertian靶总能流值的计算公式为：

Q_t即为太阳能模拟器投射到吸热器表面的总能流值，也即入射辐射能；I_j为单个测量点的能流值；A_j为单个测量点所占的面积；

S4、吸热器进出口处的第一K型热电偶和第二K型热电偶分别测量并记录吸热器进、出口的氯化盐温度T_in和T_out；计算得到该温度下氯化盐的定压比热容c_p,in和c_p,out，孔板流量计测量并记录氯化盐体积流量，经过换算得到相应的质量流量q_m，进而求得氯化盐在吸热器中流过时吸收的热量Q_x，计算公式为：Q_x＝q_m(c_p,out·T_out-c_p,in·T_in)；

S5、计算得到吸热器的热损失Q_loss为：Q_loss＝Q_t-Q_x；

S6、计算得到吸热器的效率η为：

图3列举了氯化盐循环系统中吸热器25结构和背光面若干K型热电偶丝26的示意图，为迂回形盘管，本设计考虑到实验室中仅能通过太阳能模拟器59进行单面加热，在节省空间的同时增加了受热面积、增长了受热长度。

图4列举了氯化盐循环系统中第一差压测量段28的结构示意图，第一差压传感器和第二差压传感器34的使用温度最高为150℃，但管道内的氯化盐温度远远高于150℃，故需要在保证压力传导的同时，对与第一差压传感器32和第二差压传感器42直接接触的工质进行降温，首先通过第一高温隔膜法兰29和第二高温隔膜法兰35将高温的氯化盐和高温导热油隔开，进而通过第一散热翅片30和第二散热翅片34进一步降低高温导热油的温度，接着通过第一中低温隔膜法兰31和第二中低温隔膜法兰33隔开高温导热油和中低温导热油，此时中低温导热油的温度能够满足传感器的使用要求；高温导热油位于第一高温隔膜法兰29和第一中低温隔膜法兰31之间，同样也位于第二高温隔膜法兰35和第二中低温隔膜法兰33之间；中低温导热位于第一中低温隔膜法兰31和第一差压传感器32之间，同样也位于第二中低温隔膜法兰33和第一差压传感器32之间最后由中低温导热油将压力传导至第一差压传感器32中进行数据的采集。

图5列举了氯化盐循环系统中孔板37的结构示意图，考虑到本实验中温度较高，且氯化盐具有腐蚀性，故选择差压式的流量计，进而综合考量高温下的形变量选择了孔板流量计；在其中孔板37的下方开两个孔安装第二差压测量段38，具体结构和部件均与第一差压测量段28中相同，在此不再赘述，通过差压值计算得到流量值。

本发明的特征在于：(1)鉴于本实验运行过程中温度高达565～700℃，且氯化盐具有腐蚀性，选用热稳定更好、抗腐蚀性能更强的哈氏合金230作为氯化盐循环管道的材质，结合空气隔离系统减少氯化盐和空气的接触以最大程度降低腐蚀性；(2)采用管道伴热带和氯化盐吹扫及排出系统防止管道中的氯化盐凝固堵塞；(3)通过在雷达料位计和氯化盐储罐之间加装耐高温的石英玻璃、压差传感器和孔板流量计之间设计双隔膜法兰以降温并传导压力，满足常规测量仪器在高温下的使用。通过与自行设计的远程控制系统和实验方法结合，在实现耐高温、耐腐蚀和避免管道堵塞的前提下，本实验平台能够研究塔式太阳能光热电站与氯化盐结合以实现高温高效的运行可靠性，进而为下一代塔式太阳能光热电站的发展做出指导。同时，本实验平台的一大优势在于采用非均匀太阳光源模拟系统对吸热器进行加热，在最大程度模拟真实太阳光的基础上消除了室外环境、天气波动等对于实验平台的影响，能够在实验室内研究不同光照强度、运行工况以及不同循环工质、不同吸热器材质等关键因素对于非均匀乃至极端热流密度条件下吸热器的光热耦合机理。

使用本实验平台能够开展非均匀热流条件下高温光热循环模拟实验，首先通过空气隔离系统隔绝氯化盐储罐中的空气，最大程度上降低氯化盐的腐蚀性；氯化盐储罐中的二元氯化盐经电加热器预热、管道伴热带保温后，通过氯化盐输送泵进入氯化盐循环系统；达到热平衡后通过数据采集和控制系统采集实验数据，由采集得到的数据计算吸热器的热损失和效率等关键参数，同时能够反馈控制实验平台中的泵、电加热器和管道伴热带等关键设备；实验数据采集完成后，先关闭氯化盐输送泵，再由氯化盐吹扫和排出系统排净管道中残余的氯化盐。与现存的太阳能循环模拟实验平台相比，本发明的特点在于：(1)以提升效率、降低塔式太阳能光热电站的发电成本为目标，在实验室条件下选用二元氯化盐为传热工质，使吸热器出口温度达到565～700℃，在选用哈氏合金230作为材料、设计安装空气隔绝系统的基础上使实验平台达到耐高温和耐腐蚀的要求；(2)为满足本实验中的高温测量需求，在雷达料位计和氯化盐储罐之间加装耐高温的石英玻璃，在压差传感器和孔板流量计之间设计双隔膜法兰以降温并传导压力；(3)安装管道伴热带、设计管道坡度，结合氯化盐吹扫及排出系统和操作流程尽最大可能避免氯化盐的失温、凝固和堵塞；(4)设计采集和控制系统，实现远程化、自动化，充分保证实验效果和运行安全；(5)采用非均匀太阳光源模拟系统替换已有实验台采用的电加热系统，在不同光照强度或不同气象环境下，为吸热器迎光面提供聚集非均匀的能流，进而研究不同光照、工况条件下吸热器的光热耦合性能。本实验消除了气象和环境因素对于太阳能的影响，实现了实验室级别的实验平台，能够在平稳开展提供不同的非均匀热流条件、模拟不同的工况条件的基础上，进一步开展熔盐类型不同、吸热器金属材质及结构形式不同等情况下的光热耦合机理的研究。同时本实验平台稳定可靠，通过远程控制系统实现自动化，避免了人为操作不当对于太阳能实验的影响。

以上给出的实施方法是实现本发明的基本思路，本发明实施细节不限于上述过程。本领域的技术人员根据本发明的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，其特征在于，包括氯化盐循环系统、电加热系统、非均匀太阳光源模拟系统和氯化盐吹扫及排出系统；

所述氯化盐循环系统用于实现氯化盐的循环流动，所述电加热系统用于对二元氯化盐进行预热和保温，所述非均匀太阳光源模拟系统用于模拟太阳光以加热氯化盐循环系统中的吸热器；

所述氯化盐循环系统包括通过管道相连的氯化盐输送泵（8）、氯化盐储罐（12）、氯化盐循环管道（17）、氯化盐回流管道（21）、吸热器（25）、第一差压测量段（28）和第二差压测量段（38）；

氯化盐输送泵（8）与氯化盐储罐（12）连通，氯化盐储罐（12）的出口与氯化盐循环管道（17）相连，氯化盐循环管道（17）与第一差压测量段（28）第一端以及吸热器（25）的进口连接，第一差压测量段（28）第二端与吸热器（25）的出口以及孔板（37）的入口相连，孔板（37）的下端开口与第二差压测量段（38）相连，孔板（37）的出口连接至氯化盐储罐（12）；吸热器（25）的进口和出口管道上分别通过安装有第一K型热电偶（24）和第二K型热电偶（27）；

电加热系统包括安装在氯化盐储罐（12）内的电加热器（13），以及缠绕于氯化盐循环管道（17）、氯化盐回流管道（21）、第一差压测量段（28）、第二差压测量段（38）管道外的管道伴热带（18）；

所述非均匀太阳光源模拟系统包括Lambertian靶（58）、太阳能模拟器（59）、能流计（65）和相机（70），所述Lambertian靶（58）和太阳能模拟器（59）均设置在吸热器（25）正面，所述能流计（65）安装在Lambertian靶（58）上，所述相机用于拍摄能流计表面照片；

所述氯化盐吹扫及排出系统包括通过管道相连的第二氩气瓶（48）、第二氩气吹扫段（49）、第一氩气吹扫段支路（51）、第二氩气吹扫段支路（53）、吸热器泄压段（56）和氯化盐排出段（46）；

所述第二氩气瓶（48）的出口与第二氩气吹扫段（49）一端连接，第二氩气吹扫段（49）另一端分两路进入第一氩气吹扫段支路（51）和第二氩气吹扫段支路（53）；第一氩气吹扫段支路（51）与吸热器（25）连接，第二氩气吹扫段支路（53）与吸热器（25）以及吸热器泄压段（56）连接，吸热器泄压段（56）通过管道与氯化盐储罐（12）相通；吸热器（25）下部与氯化盐排出段（46）相连通。

2.根据权利要求1所述的一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，其特征在于，所述氯化盐储罐（12）上安装有空气隔离系统，所述空气隔离系统包括第一氩气瓶（1）、呼吸阀（7）、氩气泄出阀（9）、空气排出阀（10）和第一氩气吹扫段（11）；所述第一氩气瓶（1）的出口分两路分别与第一氩气吹扫段（11）第一端和氩气通入阀（4）连接，氩气通入阀（4）通过管道与氯化盐储罐（12）连接，第一氩气吹扫段（11）的第二端连接至氯化盐储罐（12），呼吸阀（7）通过管道安装在氯化盐储罐（12）上部，所述氩气泄出阀（9）和空气排出阀（10）通过并联形式与氯化盐储罐（12）连接。

3.根据权利要求1所述的一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，其特征在于，所述第一差压测量段（28）与吸热器（25）的进口之间的管道上依次安装有第一高温隔膜法兰（29）、第一降温翅片（30）、第一中低温隔膜法兰（31）、第一差压传感器（32）、第二中低温隔膜法兰（33）、第二降温翅片（34）和第二高温隔膜法兰（35）；

所述第二差压测量段（38）上依次安装有第三高温隔膜法兰（39）、第三降温翅片（40）、第三中低温隔膜法兰（41）、第二差压传感器（42）、第四中低温隔膜法兰（43）、第四降温翅片（44）和第四高温隔膜法兰（45）。

4.根据权利要求1所述的一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，其特征在于，所述氯化盐储罐置于储罐垫板上，两者共同放置于氯化盐储槽中。

5.根据权利要求2所述的一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，其特征在于，所述氩气通入阀（4）的两端分别安装有第一压力传感器和第二压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台，其特征在于，所述氯化盐储罐（12）上通过管道安装有雷达料位计（6），所述雷达料位计（6）和氯化盐储罐（12）连接的管道上安装石英玻璃。

7.基于权利要求1所述的一种二元氯化盐的高温光热循环模拟实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、排出实验平台中的空气后，将氯化盐注入到氯化盐储罐（12）中；

步骤2、打开太阳能模拟器（59），将Lambertian靶（58）以及其中心的能流计（65）放置于太阳能模拟器（59）的焦点位置；使用相机（70）拍摄能流计表面照片，获得能流计表面的灰度值和能流值之间的函数关系；在Lambertian靶（58）上绘制需测试点的坐标，使用相机拍摄测试点位置的照片，导入上位机的Photoshop处理得到各个测试点的光子分布及光强信息，即求得能流计表面的灰度值和能流值之间的函数中各个系数的值，进而将各个测试点的光强积累并通过衍生计算得到整体Lambertian靶表面的能流密度分布；根据Lambertian靶表面的能流密度分布得到太阳能模拟器（59）提供给吸热器（25）的入射辐射能；关闭太阳能模拟器（59）；

步骤3、移走Lambertian靶（58），使太阳能模拟器（59）直接照射吸热器（25）；启动氯化盐储罐中的电加热器为氯化盐预热，使其达到熔化的液态；启动管道伴热带（18），并将管道伴热带（18）的温度预设值调整为氯化盐熔点温度；启动太阳能模拟器（59），待氯化盐温度、氯化盐循环管道温度以及吸热器管道壁面的温度达到预设值并保持15~30分钟的稳定后，启动氯化盐输送泵（8），使氯化盐在整体实验系统中循环；

步骤4、待第一K型热电偶、第二K型热电偶、K型热电偶丝、第一差压传感器以及孔板流量计的示数均稳定后，采集吸热器（25）进、出口的氯化盐温度和氯化盐体积流量，通过实时监控吸热器进出口两端的压降和吸热器迎光面的温度是否呈现稳定状态判断实验是否稳定；

步骤5、关闭氯化盐输送泵（8）和电加热器（13）；使吸热器（25）右端上部连接至吸热器泄压段（56），泄出氯化盐循环管道中的压力；将吸热器（25）右端和对应管道中的氯化盐吹回到氯化盐储罐中；将吸热器下部残余的氯化盐吹回到氯化盐储罐中；将吸热器左端、孔板和相应氯化盐循环管道中的残余氯化盐吹回到氯化盐储罐中；关闭管道伴热带的电源；

步骤6、根据步骤4得到的吸热器进、出口处的氯化盐温度和氯化盐体积流量，计算获得氯化盐在吸热器中流过时吸收的热量，计算吸热器的热损失和效率。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，所述步骤6中，计算吸热器热损失和热效率的整体过程，包括以下步骤：

S1、将Lambertian靶及其中心能流计和相机结合，获得能流计表面的灰度值与能流值之间的关系：

I _x = I _b +k·G _x （1）

式（1）中，I _x 为辐射能流值；I _b 为辐射能流常数；k为转换系数；G _x 为能流计表面的灰度值；

S2、将多个测量点位置的能流值及光照强度，带入式（1），得到辐射能流常数I _b 和转化系数k之间的关系，进而将Lambertian靶上除能流计之外的多个点的能流值进行衍生计算，获得整个Lambertian靶表面测量点的能流值；

S3、根据Lambertian靶总能流值的计算公式计算入射辐射能：

Lambertian靶总能流值的计算公式为：

，Q _t 即为太阳能模拟器投射到吸热器表面的总能流值，也即入射辐射能；I _j 为单个测量点的能流值；A _j 为单个测量点所占的面积；

S4、根据吸热器（25）进口的氯化盐温度T _in 计算该温度下氯化盐的定压比热容c _p,in ，根 据吸热器（25）出口的氯化盐温度T _out 计算该温度下氯化盐的定压比热容c _p,out ，孔板流量计 测量并记录氯化盐体积流量，经过换算得到氯化盐的质量流量q _m ，进而求得氯化盐在吸热 器中流过时吸收的热量Q _x ，计算公式为：

；

S5、计算吸热器的热损失Q _loss ：Q _loss= Q _t -Q _x ；计算吸热器的效率η：

。

9.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，所述步骤3中，在氯化盐加热和管道伴热的时采用变功率、逐级递加的加热方式。

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