CN212321370U - 用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其大功率调频冲击电源为高温固体陶粒砂电加热实验装置供电。高温固体陶粒砂电加热实验装置中，第一槽钢固定支架上方固定有变频电机，下方固定陶粒储备器。第一刀闸开关固定在陶粒储备器上，第一刀闸开关的另一端与正电极连接。变频电机的轴与搅拌器连接。9根加热管平行布置于与大功率调频冲击电源输出端连接的一对电极之间；加热管上有热电偶。加热管和电极通过高压压接工艺连接。正电极极板的另一面与第一刀闸开关连接；负电极极板的另一面与第二刀闸开关连接。陶粒砂回收器位于加热管的下方，上部与第二刀闸开关焊接，下部与第三刀闸开关焊接。

Description

用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种高温固体陶粒砂电加热装置。

背景技术

超临界二氧化碳发电以超临界状态的二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为机械能发电。高效的超临界CO₂循环要求热气体透平膨胀机运行在较高的温度和压力之上，在较高的负载条件下，维持高效运行，并能够应对太阳能热量输入的快速波动，同时能够快速启动。超临界CO₂循环在太阳能热发电、废热发电、核电和化石燃料发电领域上有一定的应用。超临界CO₂布雷顿循环发电系统是一种先进的热功转换装置，其采用超临界状态的CO₂作为工作介质、在封闭的布雷顿热力循环中做功，当热源温度高于500℃时循环热效率高于蒸汽朗肯循环和氦气布雷顿循环。超临界CO₂布雷顿循环对热源温度适用范围广，可利用400-700℃热源，循环效率高达40％-50％，结构紧凑，能够进行10-20MWe的模块化设计。上世纪60-70年代开始了大量的系统集成与优化研究，主要用于高温核反应堆发电。但在当时的技术条件下，存在较多的难题不能解决，后续发展缓慢。本世纪初以高温为特征的第四代核反应堆受到广泛重视，超临界CO₂发电又逐渐成为热点。超临界CO₂发电技术与塔式太阳能集热技术结合形成的塔式太阳能超临界CO₂发电系统具有大幅提高能效、降低发电成本的潜力，促进了超临界CO₂发电技术的发展，开始逐渐进入技术研发和实用阶段。

太阳能超临界CO₂发电技术受到广泛关注，美国能源部2012-2015年投入约5000万美元，2017年追加6200万美元。超临界CO₂布雷顿循环系统除了可应用于核能发电和太阳能热发电外，还可应用于化石燃料发电、高温地热发电、燃料电池余热发电等，也非常适合在舰船上应用，在提高发电效率，节省能源，减小发电系统体积与重量等诸多方面均有优势。太阳能超临界CO₂发电在简单回热型超临界CO2布雷顿循环的基础上，开展了深入的系统集成研究，根据超临界流体是否存在分流，分为未分流和分流的超临界CO2布雷顿循环两类，包括：通过压缩间冷减小压缩过程耗功、降低循环放热温度，通过再热提高循环吸热温度，通过中间回热或再压缩降低回热过程不可逆损失，通过分级膨胀、预压缩、并联透平方法提高系统比功。

美国、英国、德国、以色列、意大利等发达国家均开展了大量的技术研发工作，其中美国、日本和韩国建设了试验样机，研究重点包括：近临界点压缩、轴承和密封、高效回热、系统控制技术等。2008年开始美国SNL实验室开展了发电功率为250kW的超临界CO2发电实验平台建设，该实验平台分为三个建设阶段。

第一阶段：2008年，Sandia Lab和Barber-Nichols Incorporated(BNI)合作，建设了近临界点CO2压缩实验台，主要目的是验证近临界点压缩机性能和系统控制，获得数据、验证模型。该实验台用电动机驱动离心压缩机，电动机功率为50kW，最高转速75000rpm，压比1.8，质量流量3.5kg/s。通过实验，压缩机转速达到了65000rpm，最大流量4.1kg/s，压比>1.65，压缩机入口工质达到水密度的70％。基于该实验台，测试了以下关键技术，包括：轴承、止推负荷、轴承冷却、密封技术、转子风阻损失等。实验表明：当超临点附近的CO2工质放热量为50kW时，工质温度仅降低0.7℃@3.5kg/s，反映临界点附近流体具有非常强的非理想性，发现临界点附近CO2工质放热过程的控制要求非常苛刻，难度大。

第二阶段：Sandia Lab和Knolls Atomic Power Lab(KAPL)合作，对第一阶段实验台进行升级改造，将原来的超临界CO2压缩实验台升级为无回热布雷顿循环实验台。主要增加了超临界CO2加热装置和透平，还增加了泄露CO2回收和压缩装置，将泄露的CO2工质加压后送回实验系统。压缩机、发电机、透平同轴，组成紧凑的发电机形式，成为SAT，这一阶段主要验证了SAT结构的工程可行性。

第三阶段：在第二阶段实验台基础上进行了升级改造，增加了再压缩压缩SAT装置、两个回热器。该试验台的加热功率780kW，发电功率250kW，实验台尺寸约7m*4m*2.8m，最高压力17.9MPa，最高温度536℃。第三阶段的实验验证了印刷电路回热器的技术可行性，打通了再压缩循环流程，为后续10MW级超临界CO2循环发电研发奠定了基础。

国内清华大学、西安交通大学、中国科学院电工研究所、中国科学院工程热物理研究所、中国科技大学、华北电力大学、西安热工研究院有限公司等单位都开展了较为深入的研究与技术开发工作。我国首座大型超临界CO2压缩机实验平台由中国科学院工程热物理研究所衡水分所建成。CO2压缩机靠电动机驱动，电动机的功率为500kW，目前正在进行近临界点CO2压缩实验。西安热工研究院有限公司设计了发电功率为5MW级超临界CO2布雷顿循环发电实验，目前实验平台正在建设中。

未来超临界CO₂布雷顿循环发电主要向大型化发展，技术不断成熟，商业化价值越来越大。高温固体陶粒砂是CO₂发电的重要介质，高温固体颗粒砂通过太阳能吸热器和换热器与CO₂进行换热，把CO₂加热到500℃的高温。本实验装置工作温度是1000℃，美国专利US4777934公布了采用带有粒子以压缩空气为传热流体的实验装置，其工作温度是700℃，该实验装置无法加热到更高的温度，且加热过程中热量损失比较大，其结构复杂，效率不高。中国专利CN102135334A公布了基于石英管的固体粒子空气吸热器，由于采用石英管结构，石英管束间流量分配不均匀等问题难以解决。中国专利CN102818379A公布了太阳能热发电站的固体粒子空气吸热装置，其体积较大、加热速度慢、效率不高，温度相应速度慢不能快速响应太阳辐照的变化。美国专利US9732986B2公布了一种用多空介质延缓固体颗粒下落速度并强化换热方法，但由于多孔介质材料的孔隙较小，流动的固体颗粒极易在内部拥堵造成流动性差。欧洲专利2630219A2公布一种利用固体颗粒在不透明金属管里流动能够有效的控制颗粒流动和吸热，但该专利是利用间接吸热与换热，同传统的熔融盐吸热器原理一样，同样存在金属管内受热不均匀后的热应力破坏和局部烧蚀的缺点，同时由于管内固体颗粒无序流动极易造成金属管内壁的损坏，影响金属管的使用寿命。中国专利CN102679578A公布了一种在石英管内自由下落颗粒吸热器，受颗粒在旋风分离器中将热量传递给空气，但是缺点在于颗粒的流速过快，下落温升小，颗粒运输和旋风分离要消耗极大的机械功。中国专利CN105135716A公布了一种带内插件的管式固体颗粒实验装置，由于颗粒停留时间太长，有加热的温度过低的不足。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置。本实用新型可在不采用太阳能吸热器和换热器的工况下进行固体高温颗粒性能实验。

本实用新型由大功率调频冲击电源和高温固体陶粒砂电加热实验装置两部分组成，大功率调频冲击电源为高温固体陶粒砂电加热实验装置供电。

大功率调频冲击电源通过铜排与高温固体陶粒电加热实验装置连接，为高温固体陶粒砂电加热实验装置供电。大功率调频冲击电源的输出端子和铜排用镀银铜螺钉固定连接，以减小接触电阻，避免输出端子与铜排的连接处氧化。大功率调频冲击电源的功率为6000KW。

所述的高温固体陶粒砂电加热实验装置包括第一槽钢固定支架、第二槽钢固定支架、变频电机、陶粒储备器、3个刀闸开关、一对电极、搅拌器、加热管、陶粒收集器，以及热电偶。

第二槽钢固定支架通过焊接固定在第一槽钢固定支架的下方，大功率调频冲击电源固定在第二槽钢固定支架上。

第一槽钢固定支架位于吸热塔塔顶，第一槽钢固定支架上方固定有变频电机，陶粒储备器固定在第一槽钢固定支架下方。第一刀闸开关用不锈钢螺钉固定在陶粒储备器上，第一刀闸开关的另一端与正电极通过高压压接连接。第一刀闸开关的材质为高温钢材，可耐受上千度高温。变频电机的轴通过联轴节与搅拌器连接。9根加热管平行布置于与大功率调频冲击电源输出端连接的一对电极之间。加热管由内管和外管组成，内管的材料是氧化铜、外管的材料是ITO导电石英玻璃，加热管的内管和外管之间为真空。加热管上装有热电偶。加热管和电极通过高压压接工艺连接在一起，正电极极板的一面与加热管连接，正电极极板的另一面与第一刀闸开关通过高压压接连接。负电极极板的一面与加热管连接，负电极极板的另一面与第二刀闸开关通过高压压接连接。陶粒砂回收器位于加热管的下方，陶粒砂回收器的上部与第二刀闸开关焊接在一起，陶粒砂回收器的下部与第三刀闸开关焊接在一起，第三刀闸开关的另一面与高温提升机的入口连接，高温提升机的出口与陶粒储备器的进口连接。

大功率调频冲击电源的电压和电流波形是脉冲状的，用于模拟太阳能热发电时不断变化的辐照。大功率调频冲击电源主要由主电路、驱动电路、脉冲电路组成。主电路的输入端连接AC380V，主电路的输出端通过电极连接负载，负载为加热管。驱动电路的输入端与脉冲电路的输出端连接，驱动电路的输出端与主电路的整流电路和逆变电路连接，控制主电路的输出。

主电路主要由整流电路、大功率IGBT、滤波电路、高频变压器组成。整流电路由六个可控硅组成，整流电路的输入端连接AC 380V，滤波电路由2个电阻和2个电容组成，2个电阻串联、2个电容串联，串联后的电阻和电容再并联。滤波电路并联在整流电路的输出端，滤波电路的输出端与4个大功率的IGBT组成的逆变电路的输入端连接，逆变电路的输出端与高频变压器的输入端连接，高频变压器的输出端与负载连接。

驱动电路由单片机CPU8501、数据锁存器LS573、模拟开关SGM3005、运算放大器OP07和电阻网络组成。数据锁存器LS573的控制端接单片机CPU8501，数据锁存器LS573的输出端接模拟开关SGM3005的输入端，模拟开关SGM3005的输出端通过多个电阻并联组成的电阻网络连接大功率三极管的集电极，运算放大器OP07输入端连接脉冲电路的输出端，运算放大器OP07的输出端接大功率三极管的基极，大功率三极管的发射极连接到主电路的整流电路。驱动电路中，所述的单片机CPU8501完成初始化、输出脉宽和频率的控制，并处理采样温度数据，以形成对温度的闭环控制。

脉冲电路主要由单片机STC89CC和脉冲产生芯片UCC280PWUCC组成。单片机STC89CC的输出端连接脉冲产生芯片UCC280PWUCC的输入端，脉冲产生芯片UCC280PWUCC的输出端接驱动电路的运算放大器OP07的输入端，通过单片机STC89CC控制脉冲产生芯片UCC280PWUCC产生脉冲信号。

大功率调频冲击电源的主电路采用交-直-交电压型结构实现变压变频控制，负载的输入端连接高频变压器的输出端，三相交流电经三相桥式可控电路整流，后采用电容电阻滤波，逆变电路采用大功率的IGBT作为主要电力电子开关，逆变电路是主电路的核心和关键，为了保护4个电力电子开关IGBT，在每个IGBT两端并联RCD阻容吸收电路，RCD阻容吸收电路主要由电阻、电容、二极管组成，电阻与电容串联，再与二极管并联。考虑到变频电源负载的多样性，在每个IGBT两端并联一个电力二极管续流。

主电路的工作原理：将50HZ三相380V经整流及滤波得到680伏的直流电压,供给逆变电路。逆变电路的4个电力电子开关IGBT轮流通断，从而将直流电变换成高频矩形波、锯齿波、三角波的交流电。最后经过高频变压器降压后输出额定输出电压为2V-40V可调，低压大电流输出到负载。

高频变压器在大功率调频冲击电源设计中非常重要，由于本实用新型电源输出功率高达6000Kw，为了提高电源的可靠性，高频变压器的高压线圈和低压线圈采用石英成型F级绝缘定型线圈，并对高压线圈和低压线圈实行空间绝缘隔离。

为降低铁芯损耗，铁芯材料采用新型优质矽钢片和先进加工浇注成型工艺。为降低附加损耗，机芯结构件采用大型铸钢结构件。为降低铜损，所有铜材的焊接均采用先进超高频焊接工艺。当电源输入电压为额定值时，波形畸变不大于2％，在额定负载下，绕组最高温升＜65℃。负载电加热器额定功率为6000kw、额定电压2V-40V、额定输出电流3000000A-150000A，线路有功功率损耗：△P_w1＝3I² _caR_w1×10^-3＝9463×(9÷5)，新型大功率调频冲击电源系统的有功功率损耗＝△P_G1+17033.4R_w1。

主电路的高频变压器采用真空封装，高频变压器的新型线圈之间的缝隙都充满绝缘材料，绝缘材料为添加了稀释剂的环氧树脂，起到了很好的绝缘作用。使得高压线圈和低压线圈均表现出了很强的抗系统短路冲击能力，它的抗短路电流可达3000000A。大功率调频冲击电源额定功率6000KW，可输出方形波、三角波、锯齿波等不同的波形，频率0-2000Hz可调、负载的额定电流输出最大电流可达3000000A。单片机控制使得控制系统数字化，高频变压器降低大功率电源系统损耗，大功率调频冲击电源与现行各类电源相比较，各项技术经济指标均有较大幅度的提升，它大大简化了大功率电源系统结构、降低了系统运行电流和系统损耗，提高了大功率电源系统的操控性能，实现了电源系统的零维护。驱动电路由脉冲产生电路控制，是大功率调频冲击电源的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。性能良好的驱动电路可使大功率调频冲击电源工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有很重要的意义。大功率调频冲击电源驱动电路是利用数据锁存器LS573和模拟开关SGM3005及运算放大器OP07和电阻网络组成的自动控制驱动电路。数据锁存器LS573的作用是存储单片机发出的信号、解决单片机的驱动问题、扩展了I/O接口，数据锁存器的控制信号输入到模拟开关SGM3005。模拟开关SGM3005和电阻网络R1～R8组成了8个通道，通过模拟开关控制8个通道的切换与组合，可以得到256个不同的放大和减小的增益值，这种方法控制的点多范围大。运算放大器和模拟开关控制电阻网络组成的自动控制增益放大器，运放采用的是高灵敏度的OP07，它把电流信号进行了放大来驱动大功率三极管。这种自动控制驱动电路主要特点是通过选用高精密的测量电阻和高性能的模拟开关组成的程控增益放大电路，其主要优点是零点漂移小、输入阻抗高。新型大功率调频冲击电源驱动器件是采用的超大功率复合型大功率三极管，它的特点是放大倍数高、功率大、开关速度快、散热好、温升小、驱动和超载能力强，长时间工作不会损坏。

大功率调频冲击电源脉冲产生电路选择单片机STC89C作为主控芯片，选择脉冲调制芯片UCC280PWUCC提供驱动电路的驱动信号，UCC280PWUCC是电流方式PWM控制器，通过主控芯片STC8952产生控制信号，控制UCC280PWUCC产生最终系统输出方形波、三角波、锯齿波等多种形式的高压脉冲。UCC280PWUCC中设置了欠压锁定和限流关断电路。为了在欠压状态下有效地使输出保持在关断状态，电路中设置了欠电压封锁电路，当欠电压时封锁PWM的脉冲信号。

高温固体陶粒砂的工作温度高于1200℃。高温固体陶粒砂颗粒放置在陶粒储备器里，陶粒储备器是由高密度硅酸铝绝缘板制成。工作时，第一刀闸开关打开，高温固体陶粒砂从陶粒储备器流出，缓慢流过加热管。固体陶粒砂在加热管内下降的速度和流量是由搅拌器的叶片来控制的，伺服电机通过联轴节与搅拌器的不锈钢轴连接，搅拌器的叶片焊接在不锈钢轴上，伺服电机通过速度的调节和正反转的变化来控制陶粒砂下落速度和流量。在固体陶粒砂下落的同时，大功率调频冲击电源开始工作。为了模拟太阳能热发电站的吸热器受到太阳能聚光后能流密度的不均匀性和不稳定性的影响，吸热器的材料受热应力的破坏，电源输出方形波、三角波、锯齿波等不同的波形，输出0-6000kw的可调功率、2-40V的可调电压和150000A-3000000A可调电流。9根加热管的中央部位布置9个TC 101-TC 108热电偶，来测量固体陶粒砂的温度，从而控制电源的输出波形、功率、电压、电流，还有伺服电机的转速。当固体陶粒砂下落到加热管的底部时，第二刀闸开关打开，加热后的固体陶粒砂流入陶粒收集器，陶粒收集器由高密度硅酸铝绝缘板制成。当50％的固体陶粒砂流入陶粒收集器时，第三刀闸开关打开，同时高温提升机把固体陶粒砂运送到陶粒储备器，这样往返数次，固体陶粒砂被加热到高于1200℃。

本实用新型结构简单，可靠性高，很好的模拟了高温固体陶粒砂在吸热器里的运行，可以高效加热固体陶粒砂获得压力1MPA 500℃-1300℃的高温。

附图说明

图1二氧化碳发电用高温固体陶粒砂电加热实验装置结构示意图；

图2大功率调频冲击电源主电路原理图；

图3大功率调频冲击电源脉冲电路原理图；

图4大功率调频冲击电源驱动电路原理图。

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实用新型。

本实用新型由大功率调频冲击电源和高温固体陶粒砂电加热实验装置两部分组成，大功率调频冲击电源为高温固体陶粒砂电加热实验装置供电。

所述的高温固体陶粒砂电加热实验装置包括第一槽钢固定支架1、第二槽钢固定支架2，第二槽钢固定支架2通过焊接固定在第一槽钢固定支架1的下方，变频电机、陶粒储备器、3个刀闸开关、一对电极、搅拌器、加热管、陶粒收集器，以及热电偶。大功率调频冲击电源通过螺栓固定在第二槽钢固定支架上，为高温固体陶粒砂电加热实验装置供电。大功率调频冲击电源的两个输出端通过铜排与高温固体陶粒电加热实验装置连接，大功率调频冲击电源的输出端子和铜排用镀银铜螺钉固定。大功率调频冲击电源的功率为6000KW。

图1为本发明加热实验装置结构示意图。如图1所示，第一槽钢固定支架1焊接在吸热塔塔顶的方钢上，9个变频电机用不锈钢螺钉固定在第一槽钢固定支架1上方，陶粒储备器用不锈钢螺钉固定在第一槽钢固定支架1下方。第一刀闸开关3用不锈钢螺钉固定在陶粒储备器上。电极的材料是紫铜，第一刀闸开关3的材料是45号钢。第一刀闸开关3的另一端与正电极通过高压压接连接。变频电机的轴通过联轴节与搅拌器连接。9根加热管平行布置于与大功率调频冲击电源输出端连接的一对电极之间。加热管由内管和外管组成，内管的材料是氧化铜、外管的材料是ITO导电石英玻璃，加热管的内管和外管之间为真空。加热管上装有热电偶。加热管和电极通过高压压接工艺连接在一起，正电极极板的一面与加热管连接，正电极极板的另一面与第一刀闸开关3通过高压压接连接。负电极极板的一面与加热管连接，负电极极板的另一面与第二刀闸开关4通过高压压接连接。陶粒砂回收器位于加热管的下方，上部与第二刀闸开关4焊接在一起，陶粒砂回收器的下部与第三刀闸开关5焊接在一起，第三刀闸开关5的另一面与高温提升机的入口连接，高温提升机的出口与陶粒储备器的进口连接。

高温固体陶粒砂的工作温度高于1200℃，高温固体陶粒砂颗粒放置在陶粒储备器里，陶粒储备器由高密度硅酸铝绝缘板制成。打开第一刀闸开关3，高温固体陶粒砂缓慢地流过加热管。固体陶粒砂在加热管内下降的速度和流量由搅拌器的叶片来控制，变频电机通过速度的调节和正反转的变化来控制陶粒砂下落速度和流量。每根加热管的中央部位均布置有热电偶，测量固体陶粒砂的温度，用于控制电源的输出波形、功率、电压、电流，以及伺服电机的转速。当固体陶粒砂下落到加热管的底部时，打开第二刀闸开关4，加热后的固体陶粒砂流入陶粒收集器。陶粒收集器是由高密度硅酸铝绝缘板制成。当50％的固体陶粒砂流入陶粒收集器时，打开第三刀闸开关5，同时开启高温提升机，把固体陶粒砂运送到陶粒储备器，这样往返数次固体陶粒砂被加热到高于1200℃。

大功率调频冲击电源的电压和电流波形是脉冲状的，用于模拟太阳能热发电时不断变化的辐照。大功率调频冲击电源主要由主电路、驱动电路、脉冲电路组成。主电路的输入端连接AC380V，主电路的输出端通过电极连接负载，负载为加热管。驱动电路的输入端与脉冲电路的输出端连接，驱动电路的输出端与主电路的整流电路和逆变电路连接，控制主电路的输出。

如图2所示，主电路主要由整流电路、大功率IGBT、滤波电路、高频变压器组成。整流电路由六个可控硅组成，整流电路的输入端连接AC 380V，滤波电路由2个电阻和2个电容组成，2个电阻串联、2个电容之串联，串联后的电阻和电容再并联。滤波电路并联在整流电路的输出端，滤波电路的输出端与4个大功率的IGBT组成的逆变电路的输入端连接，逆变电路的输出端与高频变压器的输入端连接，高频变压器的输出端与负载连接。

如图4所示，驱动电路由单片机CPU8501、数据锁存器LS573、模拟开关SGM3005、运算放大器OP07和电阻网络组成。数据锁存器LS573的控制端接单片机CPU8501，数据锁存器LS573的输出端接模拟开关SGM3005的输入端，模拟开关SGM3005的输出端通过多个电阻并联组成的电阻网络连接大功率三极管的集电极，运算放大器OP07输入端连接脉冲电路的输出端，运算放大器OP07的输出端接大功率三极管的基极，大功率三极管的发射极连接到主电路的整流电路。驱动电路中，所述的单片机CPU8501完成初始化、输出脉宽和频率的控制，并处理采样温度数据，以形成对温度的闭环控制。

如图3所示，脉冲电路主要由单片机STC89CC和脉冲产生芯片UCC280PWUCC组成。单片机STC89CC的输出端连接脉冲产生芯片UCC280PWUCC的输入端，脉冲产生芯片UCC280PWUCC的输出端接驱动电路的运算放大器OP07的输入端，通过单片机STC89CC控制脉冲产生芯片UCC280PWUCC产生脉冲信号。

加热管的温度是由大功率调频冲击电源的输出电压的高低来决定的，电压的高低是由驱动电路的单片机CPU8501来控制的，加热管的温度通过热电偶来测量，热电偶的温度信号输入到CPU8501，实际温度值与CPU8501设定好的给定值来比较。当加热管开始加热之后，并不能立即测量到加热管温度的明显上升；同样的，当关闭加热之后，加热管的温度仍然有一定程度的上升。另外，传感器对温度的检测也存在一定的滞后效应，这给温度的控制带来了困难。因此，如果在温度检测值到达设定值时才关断输出，可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值，需要较长时间才能回到设定值；如果在温度检测值未到设定值时即关断输出，则可能因关断较早而导致温度难以达到设定值。为了合理地处理系统响应速度，即加热速度与系统稳定性之间地矛盾，本申请把温度控制分为两个阶段。第一阶段是PID调节前阶段，在这个阶段，因为温区的温度距离设定值还很远，为了加快加热速度，电源处于满负荷输出状态，只有当温度上升到与设定温度值相差不大的时，再利用PID进行调节，在这个阶段，占空比K＝100％,电源全功率输出PID调节器不起作用。第二阶段是PID调节阶段，在这个阶段温度的实际值接近于设定值，根据偏差值计算占空比：0－100％可调，当偏差趋近于零电源的输出也随之趋近于零，PID调节是由CPU8501控制完成的。驱动电路的输出端接入主电路的可控硅和IGBT的控制端口来控制和驱动主电路的输出。

Claims (8)

1.一种用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：所述的装置由大功率调频冲击电源和高温固体陶粒砂电加热实验装置两部分组成，大功率调频冲击电源为高温固体陶粒砂电加热实验装置供电；

所述的高温固体陶粒砂电加热实验装置包括第一槽钢固定支架(1)、第二槽钢固定支架(2)、变频电机、陶粒储备器、3个刀闸开关、一对电极、搅拌器、加热管、陶粒收集器，以及热电偶；

第一槽钢固定支架(1)位于吸热塔塔顶，第一槽钢固定支架(1)上方固定有变频电机，陶粒储备器固定在第一槽钢固定支架(1)下方；第一刀闸开关(3)用不锈钢螺钉固定在陶粒储备器上，第一刀闸开关(3)的另一端与正电极通过高压压接连接；变频电机的轴通过联轴节与搅拌器连接；9根加热管平行布置于与大功率调频冲击电源输出端连接的一对电极之间；加热管由内管和外管组成，加热管的内管和外管之间为真空；加热管和电极通过高压压接工艺连接在一起，正电极极板的一面与加热管连接，正电极极板的另一面与第一刀闸开关(3)通过高压压接连接；负电极极板的一面与加热管连接，负电极极板的另一面与第二刀闸开关(4)通过高压压接连接；加热管上装有热电偶；陶粒砂回收器位于加热管的下方，陶粒砂回收器的上部与第二刀闸开关(4)焊接在一起，陶粒砂回收器的下部与第三刀闸开关(5)焊接在一起，第三刀闸开关(5)的另一面与高温提升机的入口连接，高温提升机的出口与陶粒储备器的进口连接；大功率调频冲击电源固定在第二槽钢固定支架(2)上，通过铜排与高温固体陶粒电加热实验装置连接，为高温固体陶粒砂电加热实验装置供电。

2.如权利要求1所述的用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：所述大功率调频冲击电源的电压和电流波形是脉冲状的，用于模拟太阳能热发电时不断变化的辐照；大功率调频冲击电源主要由主电路、驱动电路、脉冲电路组成；主电路的输入端连接AC 380V，主电路的输出端通过电极连接负载，负载为加热管；驱动电路的输入端与脉冲电路的输出端连接，驱动电路的输出端与主电路的整流电路和逆变电路连接，控制主电路的输出。

3.如权利要求2所述的用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：所述的主电路主要由整流电路、大功率IGBT、滤波电路、高频变压器组成；整流电路由六个可控硅组成，整流电路的输入端连接AC 380V；滤波电路由2个电阻和2个电容组成，2个电阻串联、2个电容串联，串联后的电阻和电容再并联；滤波电路并联在整流电路的输出端，滤波电路的输出端与4个大功率的IGBT组成的逆变电路的输入端连接，逆变电路的输出端与高频变压器的输入端连接，高频变压器的输出端与负载连接。

4.如权利要求2所述的用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：所述的驱动电路由单片机CPU8501、数据锁存器LS573、模拟开关SGM3005、运算放大器OP07和电阻网络组成；数据锁存器LS573的控制端接单片机CPU8501，数据锁存器LS573的输出端接模拟开关SGM3005的输入端，模拟开关SGM3005的输出端通过多个电阻并联组成的电阻网络连接大功率三极管的集电极，运算放大器OP07输入端连接脉冲电路的输出端，运算放大器OP07的输出端接大功率三极管的基极，大功率三极管的发射极连接到主电路的整流电路；驱动电路中，所述的单片机CPU8501完成初始化、输出脉宽和频率的控制，并处理采样温度数据，以形成对温度的闭环控制。

5.如权利要求2所述的用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：脉冲电路由单片机STC89CC和脉冲产生芯片UCC280PWUCC组成；单片机STC89CC的输出端连接脉冲产生芯片UCC280PWUCC的输入端，脉冲产生芯片UCC280PWUCC的输出端接驱动电路的运算放大器OP07的输入端，通过单片机STC89CC控制脉冲产生芯片UCC280PWUCC产生脉冲信号。

6.如权利要求2所述的用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：所述的大功率调频冲击电源的主电路采用交-直-交电压型结构实现变压变频控制，负载的输入端连接高频变压器的输出端，三相交流电经三相桥式可控电路整流后采用电容电阻滤波，逆变电路采用大功率的IGBT作为主要电力电子开关，逆变电路是主电路的核心和关键，每个IGBT的两端并联RCD阻容吸收电路，RCD阻容吸收电路主要由电阻、电容、二极管组成，电阻与电容串联，再与二极管并联；每个IGBT两端并联一个电力二极管续流。

7.如权利要求1所述的用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：所述的大功率调频冲击电源的输出端子和铜排用镀银铜螺钉固定连接。

8.如权利要求1所述的用于超临界二氧化碳发电的高温固体陶粒砂电加热实验装置，其特征在于：所述的加热管的内管的材料是氧化铜，外管的材料是ITO导电石英玻璃。

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