CN201897335U - 太阳能空气吸热器测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种太阳能空气吸热器测控系统，系统包括调频电机、热电偶、压力传感器、太阳直接辐射与风速测量仪、空气温度传感器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、远程接口模块、远程通讯接口模块、工控机、报警器。效率是测量太阳的投入辐射和有效吸收量，后采用有效吸收热量除以投入辐射总能量得到；阻力通过压力传感器检测；容积对流换热系数是测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用计算传热学方法迭代计算容积换热系数。非稳态温度场采用时间渐进的计算传热学方法。吸热器的保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值方法。

Description

太阳能空气吸热器测控系统

技术领域

本实用新型是针对一种太阳能塔式热发电用的高温空气吸热器，该吸热器通过多孔介质吸收镜场投射的辐射能并加热空气至高温，采用吸热器的工作原理的太阳能空气吸热器测控系统及性能测试、温度动态预测及保护方法，本实用新型属于太阳能利用、热能动力以及自动控制领域。

背景技术

有效利用太阳能资源，对于缓解我国的能源问题、减少CO₂的排放量、保护生态环境、确保经济发展过程中的能源持续稳定供应等都将具有重大而深远的意义。而太阳能发电目前主要有光伏发电和光热发电量两大类。

而在太阳能热发电技术中，基于高温空气布雷顿循环具有热力循环温度高和发电效率高的优点，使得高温空气吸热器的研究一直是高聚光比的太阳能热发电系统的热点问题。空气吸热器是布雷顿循环系统中最重要的部分，主要由吸热体、空气流道、保温层和支撑结构等部件组成。由于太阳能聚光能流密度的不均匀性和不稳定性造成的吸热体局部热斑造成材料热应力破坏、空气流动稳定性差、系统复杂、大容量情况下系统可靠性和耐久性不高等是目前制约布雷顿循环太阳能热发电技术商业化进程的主要问题。

碳化硅陶瓷材料是一种强度高、导热率高、热膨胀系数低、抗热冲击能力强、抗高温氧化性能优异的高性能结构陶瓷，将其制成具有三维网络状结构特征的泡沫材料，有利于在其体内实现高效热量交换。将高性能泡沫碳化硅陶瓷用于空气吸热器的研制，有望解决现有吸热器技术面临的技术难题，推动太阳能热空气发电技术的商用化进程。

专利号为200710099039.3的专利“一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器”公开了利用碳化硅泡沫陶瓷研制塔式太阳能热发电高温空气吸热器的设计方法，可以为布兰顿循环提供高温的空气。但是该实用新型没有提供该吸热器性能测试方法、热工参数测试的平台以及吸热器的保护方法。而这正是本专利的实用新型内容。

实用新型内容

技术问题：针对太阳能塔式高温陶瓷空气吸热器性能没有衡量的标准，并且利用碳化硅材料制作的太阳能塔式高温空气吸热器由于太阳能聚光能流密度不稳定造成的吸热体材料的热应力破坏、空气流动稳定性差，从而在大容量下系统的可靠性和耐久性差问题。实用新型吸热器性能测试方法、吸热器温度动态预测方法和吸热器的保护控制技术及系统。

技术方案：本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

本实用新型太阳能空气吸热器测控系统，包括：调频电机、六个热电偶①～⑥、三个压力传感器⑦～⑨、太阳直接辐射与风速测量仪

两个空气温度传感器

两个模拟量输入模块模拟量输出模块

远程接口模块

远程通讯接口模块工控机报警器

和压力传感器

其中热电偶①和②，用于吸热器表面固体骨架温度的检测，均匀布置在吸热器表面的下层；热电偶③和④，用于吸热表面反面固体骨架温度的检测，均匀布置在吸热表面的反面；热电偶⑤和⑥，用于检测空气经吸热器后的温度；压力传感器⑦和⑧，用于检测空气流量孔板前后的压力，用于流量的计算；压力传感器⑨，用于吸风机前负压的测量；太阳直接辐射与风速测量仪

用于太阳直接辐射强度以及自然风速的测量；空气温度传感器

和

用于自然空气温度的测量；模拟量输入模块

接收压力传感器⑦～⑨输出的压力信号、调频电机输出的调频输入信号⑩、太阳直接辐射与风速测量仪

输出的辐射强度与风速信号、空气温度传感器

和

输出的温度信号；模拟量输入模块接收热电偶①～⑥和压力传感器

输出的温度和压力信号；模拟量输出模块

输出调频输出信号

至调频电机；远程接口模块

将模拟量输入模块

输出的测量信号通过远程通讯接口模块

传递到地面的工控机并将工控机

通过远程通讯接口模块

发送的控制信号发送至模拟量输出模块

工控机

用于集中检测信号、运算、分析以及发出控制信号；报警器用于吸热器超温或者温度变化率超限时报警；压力传感器用于吸热器后压力的测量。

有益效果：

本实用新型公布的是一种太阳能空气吸热器测控系统及性能测试、温度动态预测及保护方法，效率是通过测量太阳的投入辐射和有效吸收量，后采用有效吸收热量除以投入辐射总能量得到；阻力通过吸热器后压力传感器检测值与大气压力值作差得到；容积对流换热系数是测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用计算传热学方法迭代计算容积换热系数。非稳态温度场采用时间渐进的计算传热学方法。吸热器的保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值方法。系统包括调频电机、热电偶、压力传感器、太阳直接辐射与风速测量仪、空气温度传感器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、远程接口模块、远程通讯接口模块、工控机、报警器等。本实用新型的一种塔式热发电多孔介质吸热器在线测试系统，可以实现在线测量吸热器的效率测量，可以在线预测吸热器内部的温度场以及温度的变化率，可以吸热器进行在线的保护。总之该实用新型是实现吸热器性能、温度场的实时预测以及保护的系统及方法，并保证了吸热器的可靠运行。

附图说明

图1-塔式太阳能多孔陶瓷空气吸热器原理；

图2-塔式太阳能多孔陶瓷空气吸热器的检测与控制系统。

具体实施方式

塔式太阳能高温空气碳化硅陶瓷吸热器工作过程如图1所示，碳化硅陶瓷吸热器的吸热表面接受太阳的辐射能量后，通过导热形式在固体骨架中向内部传递，而空气穿过多孔介质时，与多孔介质发生强制对流换热，空气被加热，温度上升，同时降低多孔介质固体骨架温度，保护了吸热器的安全性。吸热器的阻力通过设置在吸热器前后的压力传感器检测；吸热器的效率是在准稳态条件下，测量太阳直接辐射强度、定日镜的效率以及空气耗散系数计算出投入吸热器的投入辐射总能量。采用测量通过吸热器的流量和空气经过吸热器后的温度以及测量自然空气的温度，计算吸热器的有效吸收热量，采用吸热器的有效吸收热量除以吸热器的投入辐射总能量得到吸热器在不同投入吸热器辐射能和空气流速下的效率。在准稳态条件下，改变通过吸热器空气的流速，测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用计算传热学方法迭代计算容积换热系数，计算的容积对流换热系数为吸热器温度场的预测用。对于吸热器的非稳态温度场采用时间渐进的计算传热学方法计算，得到动态温度场和温度变化率的最大值，也可以计算得到热应力的最大值，用于对吸热器的保护。吸热器的保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值，如果任一量超过限值则报警，同时通过调频电机控制通过吸热器的空气流量，使吸热器表面温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率在限值以内。

多孔陶瓷高温空气吸热器的温度场和流场可以简化为一沿着空气流动方向的一维简化模型，假设：①空气和固体骨架物性参数均为常数；②孔隙率各向同性、均匀；③空气在多孔介质内为不可压缩流动。这样沿流动方向的质量方程为：

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_f\right)}{\∂\mathrm{\τ}}+\frac{\∂\left(u{\mathrm{\ρ}}_f\right)}{\∂x}=0---\left(1\right)$

ρ_f为流体密度，τ为时间。

对于多孔介质内部的泡沫陶瓷的传热，采用基于非局部热平衡的双方程模型，即分别建立气相和固相的能量方程：

气相能量方程为

$\mathrm{\ϵ}\frac{\∂\left(c_f{\mathrm{\ρ}}_f{T}_f\right)}{\∂\mathrm{\τ}}+\frac{\∂\left(c_f{\mathrm{\ρ}}_f{u}_f{T}_f\right)}{\∂x}={\mathrm{\λ}}_{f,\mathrm{eff}}\left(\frac{{\∂}^2{T}_f}{{\∂x}^2}\right)+h_v(T_s-T_f)---\left(2\right)$

固相能量方程为

$(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\ρ}}_s{c}_s\frac{{\∂T}_s}{\∂\mathrm{\τ}}={\mathrm{\λ}}_{s,\mathrm{eff}}\left(\frac{{\∂}^2{T}_s}{{\∂x}^2}\right)-h_v(T_s-T_f)---\left(3\right)$

其中：λ_f，eff为流体的有效导热系数，λ_f，eff＝ελ_f，λ_f为流体的导热系数；λ_s，eff为固体的有效导热系数，λ_s，eff＝(1-ε)λ_s，λ_s为固体骨架的导热系数；h_v为流体与多孔介质骨架间的体积对流换热系数，由下列关系式确定：

h_v＝h_sfα_sf                   (4)

h_sf为多孔介质内流体和固体骨架的表面换热系数，w/(m².k)，α_sf为多孔介质的比面，1/m。

h_sf和α_sf模型的选择对传热过程计算精度非常重要，采用基于孔隙密度等参数的容积换热系数模型：

$\mathrm{Nu}=\frac{h_{\mathrm{sf}}{d}_h}{{\mathrm{\λ}}_f}---\left(5\right)$

$\mathrm{Nu}=c_1{n_{\mathrm{PPI}}}^{-1.1}{\mathrm{Re}}^{c_2}---\left(6\right)$

$\mathrm{Re}=\frac{u_0{d}_h}{\mathrm{\μ\ϵ}}---\left(7\right)$

$d_h=\sqrt{(1-\mathrm{\ϵ})\frac{{4s}^2}{3\mathrm{\π}}}---\left(8\right)$

$s=\frac{0.0254}{1.5n_{\mathrm{PPI}}}---\left(9\right)$

α_sf＝35.7n_PPI ^1.1461                  (10)

n_PPI为多孔介质的孔隙密度，通常用1英寸长度的孔隙数表示；s为孔隙直径；d_h为水力直径。

能量方程的边界条件和初始条件为：

$x=0:q_w=-{\mathrm{\λ}}_{s,\mathrm{eff}}\frac{{\∂T}_s}{\∂x}-{\mathrm{\λ}}_{f,\mathrm{eff}}\frac{{\∂T}_f}{\∂x}$

$x=L:\frac{{\∂T}_f}{\∂x}=0,\frac{{\∂T}_s}{\∂x}=0$

τ＝0，T_f＝T_s＝f(τ，x)

q_w为表面热流密度，通过投入的辐射强度和吸热器在该工况下的效率计算得到，T_f、T_s为每次迭代的初始温度。

本实用新型所述检测系统如图2所示，测量系统的包括：热电偶①和②、热电偶③和④、热电偶⑤和⑥、压力传感器⑦和⑧、压力传感器⑨、调频输入信号⑩、调频输出信号

太阳直接辐射与风速测量仪

空气温度传感器和

模拟量输入模块

模拟量输入模块

模拟量输出模块远程接口模块(子站)远程通讯接口模块RS485

工控机

报警器

和压力传感器

其中热电偶①和②，用于吸热表面固体骨架温度的检测，类似的热电偶共15支，均匀布置在吸热表面的下层；热电偶③和④，用于吸热表面反面固体骨架温度的检测，类似的热电偶共15支，均匀布置在吸热表面反面；热电偶⑤和⑥，是空气经吸热器后的温度；压力传感器⑦和⑧，检测空气流量孔板前后的压力，用于流量的计算；压力传感器⑨，用于吸风机前负压的测量；调频输入信号⑩，调频电机调频信号的输入；调频输出信号

调频电机调频信号的输出，用于控制负压和经过吸热器的流量；太阳直接辐射与风速测量仪

是用于太阳直接辐射强度以及自然风速的测量，是两个量测量的一体化装置；空气温度传感器

和

是用于自然空气温度的测量；模拟量输入模块

用于模拟量输入的接口模块；模拟量输入模块

用于模拟量输入的接口模块；模拟量输出模块

用于模拟量输出的接口模块；远程接口模块(子站)

通过该模块，可以把测量信号从塔顶通过通讯的方式传递到地面的集控室；远程通讯接口模块RS485

检测的信号与工控机的接口模块；工控机用于集中检测信号、运算、分析以及发出控制信号；报警器

特征是用于吸热器超温或者温度变化率超限时报警；压力传感器

于吸热器后压力的测量。

吸热器效率测量：在准稳态条件下，根据太阳直接辐射与风速测量仪

测量的太阳直接辐射强度、定日镜的效率以及空气耗散系数计算出投入吸热器的投入辐射总能量。采用孔板流量计测量通过吸热器的流量，采用热电偶⑤和⑥测量空气经过吸热器后的温度，采用空气温度传感器和测量自然空气的温度，计算吸热器的有效吸收热量。采用吸热器的有效吸收热量除以吸热器的投入辐射总能量得到吸热器在不同投入吸热器辐射能和空气流速下的效率，后采用最小二乘法得到吸热器效率关于投入吸热器辐射能和空气流速的函数关系式。

准确容积对流换热系数检测与计算：在准稳态条件下，通过变频调节引风机的功率从而调节空气通过吸热器的流速，测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度。采用计算传热学的控制容积法对模型(1)、(2)、(3)的稳态模型进行离散，沿流体流动方向划分的网格数为50，采用高斯赛德尔方法对不同的容积对流换热系数进行迭代求解，得到的吸热器表面温度与反面温度与测量的温度误差在0.5％以内时为收敛。对不同工况下的容积对流换热系数采用最小二乘方法对模型(6)中的c₁和c₂进行拟合，得出系数c₁和c₂，即得到准确的容积对流换热系数模型。

吸热器动态温度场预测与测量：对于吸热器的非稳态温度场计算，对模型(1)、(2)和(3)采用时间渐进方法计算，计算时间间隔Δτ＝0.05s，每次温度递推时，初始温度场中吸热表面温度和吸热表面的反面采用温度传感器检测的数据，而其它点的初始温度采用前一个时间点温度场的预测值。这样可以得到温度变化率的最大值，从而可以得到热应力的最大值，用于对吸热器的保护。

吸热器阻力的测量：采用吸热器后布置的压力传感器测量得到的值与大气压力的差即为吸热器的阻力。

吸热器保护：采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值，如果任一量超过限值则报警，同时通过调频电机控制通过吸热器的空气流量，使吸热器表面温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率在限值以内。

本实用新型太阳能塔式高温陶瓷空气吸热器性能没有衡量的标准，利用碳化硅材料制作的太阳能塔式高温空气吸热器的可靠性和耐久性差。实用新型了通过对吸热器热工参数的检测与控制的方法来对吸热器进行检测和保护。实用新型了吸热器的阻力测量方法；实用新型了塔式高温空气吸热器的效率测量方法；实用新型了塔式高温空气吸热器的容积对流换热系数的测试与计算方法；实用新型了基于塔式高温空气吸热器动态温度场的计算方法，得到动态温度场和温度变化率的最大值，从而得到热应力的最大值，用于对吸热器的保护；吸热器的保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值的方法来实现，并通过调频电机控制通过吸热器的空气流量来控制吸热器的温度以及温度变化率。

Claims (1)

1.一种太阳能空气吸热器测控系统，其特征在于包括：调频电机、六个热电偶①～⑥、三个压力传感器⑦～⑨、太阳直接辐射与风速测量仪两个空气温度传感器

两个模拟量输入模块

模拟量输出模块

远程接口模块

远程通讯接口模块

工控机

报警器

和压力传感器其中热电偶①和②，用于吸热器表面固体骨架温度的检测，均匀布置在吸热器表面的下层；热电偶③和④，用于吸热表面反面固体骨架温度的检测，均匀布置在吸热表面的反面；热电偶⑤和⑥，用于检测空气经吸热器后的温度；压力传感器⑦和⑧，用于检测空气流量孔板前后的压力，用于流量的计算；压力传感器⑨，用于吸风机前负压的测量；太阳直接辐射与风速测量仪用于太阳直接辐射强度以及自然风速的测量；空气温度传感器

和

用于自然空气温度的测量；模拟量输入模块

接收压力传感器⑦～⑨输出的压力信号、调频电机输出的调频输入信号⑩、太阳直接辐射与风速测量仪输出的辐射强度与风速信号、空气温度传感器和

输出的温度信号；模拟量输入模块

接收热电偶①～⑥和压力传感器

输出的温度和压力信号；模拟量输出模块输出调频输出信号

至调频电机；远程接口模块

将模拟量输入模块

输出的测量信号通过远程通讯接口模块传递到地面的工控机并将工控机

通过远程通讯接口模块

发送的控制信号发送至模拟量输出模块

工控机

用于集中检测信号、运算、分析以及发出控制信号；报警器

用于吸热器超温或者温度变化率超限时报警；压力传感器

用于吸热器后压力的测量。

Images