一种太阳能集热器热性能测定系统和方法

发明领域

本发明涉及太阳能集热器热性能测定系统和测定方法，属于太阳能热发电与 太阳能高温热利用技术检测领域。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，化石能源的大量应用造成了严重的环境污染问 题，同时化石能源的有限储量使得其将在未来的数年内消费殆尽。因此，近年来 可再生能源越来越受到人们的重视。其中的太阳能发电技术将低品位的太阳辐射 转化成高品位的电能。太阳能发电分为太阳能光伏发电和太阳能热发电两种类 型。其中太阳能热发电是先将太阳光通过聚光器聚焦成高热流密度的太阳能，然 后用安装在其焦点上的太阳能集热器将该高热流密度的太阳能吸收变成高温蒸 汽，继而推动汽轮机运转、发电。由于集热器内的吸热管具有较高的工作温度及 吸热管表面选择性涂层具有一定的发射率，太阳能集热器在吸收高热流密度太阳 辐射能的同时也向环境中传递一定的热能，形成集热器的热损失。该热损失和选 择性涂层发射率的大小决定了集热器性能的优劣。

现有太阳能集热器热性能测定系统中，美国SANDIA国家实验室的测定系 统文献所述，采用高温导热油加热集热器进行工作，集热器进出口的焓差为集热 器的热损失，可以满足集热器热性能的测定要求，但是存在以下缺陷：

1.系统实现成本高，复杂，外形庞大、笨重；

2.系统必须安装在室外，很难实现稳定的环境风速；

3.导热油作为传热工质，具有毒性，接触空气易于燃烧，高温下易于分解、 结焦，工作温度低于400℃；

4.热流体工作压力高，管路系统复杂，测定过程操作复杂，需要多个专门人 员配合共同完成。

美国国家可再生能源实验室(NREL)和德国宇航中心(DLR)的测定系统采 用内插多个电加热管作为加热源对集热器进行加热，吸热管内部的多个电加热器 消耗的电功率之和为集热器的热损失，可以满足集热器热性能的测定要求，但也 存在以下缺陷：

1.多个加热器分别需要一套温度控制系统，系统比较复杂；

2.多个温度控制系统需要将其所控制管段的温度均稳定在同一温度值，实现 的难度比较大，完成一个工况点测量需要的时间比较长；

3.尽管所采用的温度传感器实现进行了标定，但由于电加热管加热功率不均 匀造成的吸热管各段温度在轴向和圆周方向上分布不均，温度传感器布置 位置、与吸热管壁接触紧密程度的不同，造成系统测定结果误差较大；

发明内容：

本发明的目的是提供一种测定速度快、工作温度高、结构简单的用于太阳能 集热器的热性能测定系统和方法。具体技术方案如下：

一种太阳能集热器热性能测定系统包括太阳能集热器1、调压电源4、电流 变送器5、电压变送器6、数据采集单元7、热电偶8、铂电阻9以及微型计算机 11，太阳能集热器1由吸热管2、玻璃套管3和波纹管10构成，调压电源4的 输出端通过电缆线分别连接在吸热管2的两端，电流变送器5串接在调压电源6 和吸热管2之间，其输出信号线连接在数据采集单元7上，电压变送器6的两个 输入端通过信号线分别连接在吸热管2两端与波纹管10的焊接处，其输出信号 线连接在数据采集单元7上，热电偶8焊接在吸热管2的内壁上，其输出信号线 连接在数据采集单元7上，铂电阻9置于环境中，固定在距离玻璃套管3之外1 米处的环境中，其输出信号线连接在数据采集单元7上，数据采集单元7通过信 号线与微型计算机11连接；调压电源4为吸热管2两端提供稳定电压，利用具 有均匀电阻的吸热管的焦耳加热效应对太阳能集热器1进行加热，在吸热管2 壁面圆周方向和轴向上产生均匀的温度场；电流变送器5测量流过吸热管2的电 流并传送到数据采集单元7，电压变送器6测量两波纹管10与吸热管2焊接处 之间的电压并传送到数据采集单元7，热电偶8测量吸热管2的内壁面温度并传 送到数据采集单元7，铂电阻9测量环境温度并传送到数据采集单元7，数据采 集单元7将采集到的温度、电流、电压信号传送给微型计算机11，微型计算机 记录、保存温度、电流、电压数据。所述的太阳能集热器1为槽式太阳能热发电 用的直通式太阳能集热器。

一种太阳能集热器热性能测定方法，基于由太阳能集热器，调压电源、电流 变送器、电压变送器、热电偶、铂电阻、数据采集单元以及微型计算机组成的硬 件平台，包括以下步骤：

(1)组装太阳能集热器热性能测定系统，对太阳能集热器两端部进行保温 包裹；

(2)开启调压电源，将其输出电压设定为A伏特，对太阳能集热器两端部 加载电压，利用具有均匀电阻的吸热管的焦耳加热效应对太阳能集热器进行加 热，在吸热管壁面圆周方向和轴向上产生均匀的温度场；

(3)在连续30分钟内，当电压变送器测量的两波纹管与吸热管焊接处之间 的电压波动小于±0.05伏特，电流变送器测量流过吸热管的电流波动小于± 0.25安培、热电偶测量吸热管的内壁面温度波动小于±0.2℃、铂电阻距离玻璃 套管之外1米处测得的环境温度波动小于±0.25℃时，视为对应于调压电源输出 A伏特的情况下，系统达到稳定状态，此时数据采集单元开始采集上述的电压、 电流、吸热管的内壁面温度以及环境温度数据不少于45分钟，并将其传送给微 型计算机；

(4)改变调压电源的输出电压，按照步骤(2)和(3)的顺序，对同一支 太阳能集热器进行测定，数据采集单元分别采集对应于调压电源的不同输出电压 工况下的电流、电压、吸热管内壁面温度以及环境温度数据，并存储在微型计算 机中；

(5)分别计算调压电源不同输出电压工况下的太阳能集热器单位长度热损 失、吸热管内壁面温度与环境温度之差值，利用多项式拟合的方法最终得到该支 太阳能集热器的吸热管内壁面温度和环境温度之差，与单位长度热损失之间的关 联式；所述的太阳能集热器的单位长度热损失等于太阳能集热器消耗的电功率除 以太阳能集热器长度；所述的太阳能集热器消耗的电功率等于两波纹管与吸热管 焊接处之间的电压与流过吸热管的电流的乘积；所述的太阳能集热器的长度等于 两波纹管与吸热管焊接处之间的长度；所述吸热管内壁面与环境温差等于吸热管 内壁面温度减去环境温度。

有益效果：

本发明太阳能集热器热性能测定系统和方法结构简单、测定速度快、制造成 本低、组装、移动方便。

附图说明：

图1为本发明太阳能集热器热性能测定系统的系统框图；

图2为本发明太阳能集热器热性能测定系统测得的2支不同太阳能集热器的 热损失随温差变化。

图3为本发明方法流程图

具体实施方式：

结合附图说明实施例如下：

图1为本发明太阳能集热器热性能测定系统的系统框图，其中1为槽式太阳 能集热器，2为吸热管，3为玻璃套管，4为0-10V直流调压电源，5为0-500A 电流变送器，6为0-10V电压变送器，7为34970A数据采集单元，8为热电偶， 9为铂电阻，10为波纹管、11为微型计算机。本系统所用仪器、仪表、电缆等 均可在市场上购买。

槽式太阳能集热器1由吸热管2、玻璃套管3和波纹管10构成，吸热管2 为材质为壁厚均匀的304不锈钢圆管；直流调压电源4输出的电源通过电缆线与 吸热管2两端分别连接在一起，组成加热回路；串接在电缆线上的电流变送器5 测量通过吸热管2的电流值，并将输出信号传送给数据采集单元34970A的01 端口；电压变送器6通过两根信号线分别连接两端波纹管10与吸热管2焊接处， 并将输出电压信号传送给数据采集单元34970A的02端口；热电偶8紧贴在吸 热管2的内壁上，用于测量吸热管2的内壁面温度，并将输出信号传送给数据采 集单元34970A的03端口；铂电阻9置于远离槽式太阳能集热器1约1米处的 环境中，用于测量环境温度，并将输出信号传送给数据采集单元34970A的04 端口；数据采集单元7通过信号线与微型计算机11连接，并将采集到的温度、 电流、电压信号传送给微型计算机11，微型计算机记录、保存温度、电流、电 压数据。

系统工作前，先对集热器两端部进行保温，保温层厚度不小于10cm厚。然 后开启系统电源，将电源4输出电压调至3.0伏特。在吸热管2进行加热的过程 中，要保证试验环境温度稳定在±0.25℃以内，同时观察数据采集单元7的检测 到的电压、电流、吸热管内壁温度、环境温度，直到30分钟内电压波动小于± 0.05伏特、电流波动小于±0.25安培、吸热管内壁温度波动小于±0.2℃、环境 温度波动小于±0.25℃，视为系统达到稳定，数据采集单元7开始采集数据，采 集时间不少于45分钟，并将数据传送给微型计算机11。将调压电源的输出电压 分别设为3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0伏特，对应于不同的输出电压，当系 统稳定后，数据采集单元7开始采集电压、电流、吸热管内壁温度、环境温度数 据，采集时间不少于45分钟。

将上述得到的试验数据按照以下方法进行处理：假设采集到两波纹管与吸热 管焊接处之间的电压为U、电流变送器测量流过吸热管的电流为I、热电偶测量 吸热管的内壁面温度为T₀₁、铂电阻距离玻璃套管之外1米处测得的环境温度为 T₀₂，太阳能集热器长度为L，则单位长度太阳能集热器的热损失Q由下式计算：

$Q=\frac{\mathrm{UI}}{L},W/m$

吸热管内壁与环境温差ΔT由下式计算：

ΔT＝T₀₁-T₀₂，℃

通过以上两个公式分别计算得到每支集热器的一组Q和ΔT的值，利用多项 式拟合方法对Q和ΔT进行拟合即可得到每支太阳能集热器热损失Q随温差ΔT 变化的函数关联式。两支不同太阳能集热器单位长度热损失Q随温差ΔT的变化 关系曲线如图2所示，通过比较相同温差下两支集热器的热损失大小即可评价太 阳能集热器热性能的相对优劣：相同温差条件下，热损失越大说明太阳能集热器 的热性能越差。从图2中的热损失随温差变化曲线可以看到，在相同温差下，集 热器1的热损失明显大于集热器2的热损失，这说明集热器2的热性能优于集热 器1。

为避免无关人员对快速测定系统的误操作，在调压电源4上设置控制其开关 机的密码开关。