專利名稱：太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法，屬于太陽能熱利用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的太陽能集熱器的測試標準是以穩(wěn)態(tài)測試方法為基礎(chǔ)，測定內(nèi)容包括集熱器的穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)瞬時效率及集熱器熱損系數(shù)。穩(wěn)態(tài)測試方法對氣象參數(shù)的要求很高。例如足夠高和穩(wěn)定的輻射和嚴格穩(wěn)定的環(huán)境溫度等(GB/T 4271-2000要求在測試周期內(nèi)天氣晴朗，太陽輻照度在800W/m2以上，實驗周期內(nèi)太陽輻照度的偏離值不超過平均值的±50W，集熱器周圍環(huán)境溫度的變化在測試期間不能超過平均值±1K。在集熱器的工作溫度范圍內(nèi)至少取四個間隔均勻的工質(zhì)進口溫度。其中一個應(yīng)在環(huán)境空氣溫度的±3℃內(nèi))。由于室外測試氣象條件無法人為控制，測試的時間需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件來定，在有的地區(qū)，由于氣候條件的限制，在某些季節(jié)測試根本無法進行。因而，采用該方法進行測試，有時周期會很長。
在實際中，集熱器大都是工作在動態(tài)的大氣環(huán)境中，與標準所規(guī)定的測試條件不符，用在穩(wěn)態(tài)條件下得到的結(jié)果來預(yù)測動態(tài)工況的熱輸出會產(chǎn)生一定的誤差。為了能更快更準確的預(yù)測集熱器的熱性能和指導(dǎo)集熱器的設(shè)計，亟需研究一種太陽能集熱器熱性能的快速測試裝置及測試方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種太陽能集熱器熱性能快速測量裝置，利用戶外工作著的太陽能集熱器對輸入變量太陽輻照強度、環(huán)境溫度、集熱器入口溫度瞬時變化的響應(yīng)確定相關(guān)的參數(shù)，之后利用已得到的參數(shù)與相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法相結(jié)合實現(xiàn)對集熱器輸出的預(yù)測。
本發(fā)明另一目的是提供一種集熱器熱性能快速測量方法，它考慮了集熱器本身的熱容及集熱器內(nèi)水的熱容所引起的熱延遲現(xiàn)象，使用傳遞函數(shù)法將集熱器的輸入和輸出連接起來，使方法更可行，更有效。
太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法是其測試臺的水箱(1)內(nèi)有一擋板(30)，頂部連接補水管和一閘閥(3)，側(cè)面裝有溢流管(4)和熱交換器(5)，水箱(1)底部裝有泄水管和一閘閥(6)和一管路，依次連接閘閥(7)和水泵(8)，閘閥(9)，水箱(1)左側(cè)連接閘閥(10)和循環(huán)水泵(11)，同時又連接并列的旁通閥(12)，然后連接過濾器(13)、流量計(2)和針閥(14)，通過一觀察孔(15)連接于集熱器(16)的進口(17)，其出口(18)連接一放氣閥(19)和閘閥(20和21)后又接于水箱(1)。在進口(17)和出口(18)處安裝有測溫傳感器(27)(28)在集熱器平面一側(cè)的中間位置安裝一總?cè)丈浔?24)，在同一平面內(nèi)安裝一日冕(26)。在測試臺的附近安裝一風(fēng)機(22)和風(fēng)速儀(25)。在據(jù)測試臺15m內(nèi)，據(jù)地面大于1m的范圍內(nèi)安裝白色百葉箱(23)，內(nèi)裝測環(huán)境溫度的溫度計(29)。集熱器的進口(17)和出口(18)都要做保溫。
打開數(shù)據(jù)采集儀；起動水箱(1)的水泵(8)以保證循環(huán)水泵(11)吸入口的壓力，使流量穩(wěn)定，啟動循環(huán)水泵(11)調(diào)整調(diào)整旁通閥(12)和針閥(13)的開度，以使流量到設(shè)定值。
測量方法的理論模型按θ0(n)=Σm=0Nθi(n-m)h1(m)+Σm=0NG^(n-m)h2(m)+Σm=0Nθa(n-m)h3(m)]]>其中G^=G-G‾,θ^b=Tb-T‾b,θ^a=Ta-T‾a,θ‾i=Ti-T‾i,θ‾o=To-T‾o]]>G太陽輻照度，W/m2；Tb太陽能真空內(nèi)玻璃管壁面的溫度，℃；Ti集熱器流體入口溫度，℃；Ta環(huán)境溫度，℃；To集熱器流體出口溫度，℃；G，Tb，Ti，Ta，To平衡狀態(tài)下G，Tb，Ti，Ta，To的值；n，m-n，m指變量在n，m-n，m時刻的值。
h1，h2，h3傳遞函數(shù)；太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法的優(yōu)點是該裝置的溫度控制及測量單元利用鉑電阻溫度計測量流經(jīng)集熱器的傳熱工質(zhì)進、出口溫度，環(huán)境溫度。流量測量及控制單元是利用電磁流量計測量流經(jīng)集熱器的傳熱工質(zhì)的流量，利用針閥，旁通閥調(diào)節(jié)流量大小并使其保持穩(wěn)定。太陽輻照度測量單元和跟蹤單元用于測定太陽直射輻射和散射輻射，調(diào)整集熱器的入射角度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集并整理各項測量數(shù)據(jù)。由此來確定集熱器的熱性能。另外該測量方法考慮到了集熱器本身的熱容及集熱器內(nèi)水的熱容所引起的熱延遲現(xiàn)象，且測試過程中太陽輻照，環(huán)境溫度及集熱器進口溫度均可變，因而測試更接近集熱器真實的工況。因而由此得到的結(jié)果更有效。


圖1太陽能集熱器熱性能快速測量裝置示意圖由圖1測試裝置的測試臺由傳熱工質(zhì)強制循環(huán)單元，溫度控制單元，流量控制單元，溫度測量單元，流量測量單元，太陽輻射控制、測量單元，太陽位置跟蹤控制單元等7部分組成。
水箱(1)是型號140升，其內(nèi)有一擋板(30)，頂部連接補水管和一閘閥(3)，水箱(1)側(cè)面裝有溢流管(4)和熱交換器(5)，水箱(1)底部裝有泄水管(帶一閘閥)(6)和管路其依次連接閘閥(7)水泵(8)和閘閥(9)，水箱(1)左側(cè)又連接一調(diào)節(jié)閥(10)再連接循環(huán)水泵(11)，又并列連接一旁通閥(12)，然后連接過濾器(13)、一流量控制閥(即針閥)(14)、和流量計(2)，經(jīng)過觀察孔(15)連接于集熱器(16)的進口(17)，其出口(18)連接一放氣閥(19)和閘閥(20)，同時又并連另一閘閥(21)而連接于水箱(1)。
在進口(17)和出口(18)處安裝有測溫傳感器(27)(28)在集熱器平面一側(cè)的中間位置安裝一總?cè)丈浔?24)，在同一平面內(nèi)安裝一日冕(26)。在測試臺的附近安裝一風(fēng)機(22)和風(fēng)速儀(25)。在據(jù)測試臺15m內(nèi)，據(jù)地面大于1m的范圍內(nèi)安裝白色百葉箱(23)，內(nèi)裝測環(huán)境溫度的溫度計(29)。集熱器的進口(17)和出口(18)都要做保溫。
溫度控制單元包括水箱(1)、補水管(3)及換熱器(5)。溫度測量單元包括鉑電阻溫度計(Pt100型)它用于測量集熱器(16)進口(17)，出口(18)的溫度，另一個用于測量環(huán)境溫度；流量測量單元包括電磁流量計(型號COPA-XE DE43F型)用于測量集熱器(16)的流量；流量控制單元包括針閥(14)用于調(diào)節(jié)流量，循環(huán)水泵(11)(型號Wilo-Star-RS 25/6)以及水泵(8)。太陽輻射控制及測量單元包括遮陽板(圖未表示)、總?cè)丈浔?型號TBQ-2-B)用于測量落在集熱器(16)上的總的太陽輻射。太陽位置跟蹤控制單元包括日冕(26)旋轉(zhuǎn)臺架和量角規(guī)(圖未表示)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用HP34970A型惠普采集儀。
理論建模是本發(fā)明最重要的部分，導(dǎo)出的新模型如下θ0(n)=Σm=0Nθi(n-m)h1(m)+Σm=0NG^(n-m)h2(m)+Σm=0Nθa(n-m)h3(m)]]>其中G^=G-G‾,θ^b=Tb-T‾b,θ^a=Ta-T‾a,θ‾i=Ti-T‾i,θ‾o=To-T‾o]]>G太陽輻照度，W/m2；Tb太陽能真空內(nèi)玻璃管壁面的溫度，℃；Ti集熱器流體入口溫度，℃；Ta環(huán)境溫度，℃；To集熱器流體出口溫度，℃；G，Tb，Ti，Ta，To平衡狀態(tài)下G，Tb，Ti，Ta，To的值；n，m-n，m指變量在n，m-n，m時刻的值。
h1，h2，h3傳遞函數(shù)；本模型放寬了集熱器熱性能測試的室外條件，使得一年中適合測試的天數(shù)大大增加；降低了在集熱器熱性能測試中對輸入變量的控制要求，依據(jù)本模型在測試過程中除流經(jīng)集熱器的流量需保持恒定外，其于輸入變量如太陽輻照度，集熱器流體入口溫度及環(huán)境溫度等均可任意變化。利用本模型可預(yù)測在不同的地區(qū)及不同氣象條件下集熱器產(chǎn)熱的效果。
具體實施例方式
開啟水箱(1)的水泵(8)使與水箱出口連接的一側(cè)水與擋板(30)頂平齊。保證系統(tǒng)循環(huán)水泵(11)吸入口壓力不變，有利于流量穩(wěn)定，打開放氣閥(19)開啟循環(huán)水泵(11)，等到放氣閥(19)排出的水不帶氣時，就關(guān)閉放氣閥(19)。初調(diào)系統(tǒng)的流量到設(shè)定值(如果設(shè)定的流量比較小，可以調(diào)整旁通閥的開度)在進一步調(diào)節(jié)針閥(14)的開度來達到設(shè)定的流量，然后啟動數(shù)據(jù)采集儀(圖中未畫出)檢查各個傳感器的工作是否正常，過20分鐘檢查該系統(tǒng)的流量在這段時間內(nèi)是否穩(wěn)定在設(shè)定的流量范圍內(nèi)，如果流量合適就可以開始實驗，否則應(yīng)該重新調(diào)整流量。(這時也可用計算機控制自動調(diào)整流量到設(shè)定值)由于實驗要求包含盡可能的系統(tǒng)信息，在測試過程中要使落在集熱器(16)上太陽輻照強度，集熱器入口溫度的變化要盡可能大，所以在測試過程中每隔5～20分鐘要掀開(蓋上)遮光板(圖中未畫出)，而且要不停的打開(關(guān)上)換熱器(5)以調(diào)節(jié)集熱器入口溫度使它在不停的工作范圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求
1.一種太陽能集熱器熱性能快速測試裝置，其特征是，其測試臺的水箱(1)內(nèi)有一擋板(30)，頂部連接補水管和一閘閥(3)，側(cè)面裝有溢流管(4)和熱交換器(5)，水箱(1)底部裝有泄水管和一閘閥(6)，依次連接閘閥(7)和水泵(8)，閘閥(9)，水箱(1)左側(cè)連接閘閥(10)和循環(huán)水泵(11)，同時又連接并列的旁通閥(12)，然后連接過濾器(13)、流量計(2)和針閥(14)，通過一觀察孔(15)連接于集熱器(16)的進口(17)，其出口(18)連接一放氣閥(19)和閘閥(20和21)后又接于水箱(1)，在進口(17)和出口(18)處安裝有測溫傳感器(27)(28)在集熱器平面一側(cè)的中間位置安裝一總?cè)丈浔?24)，在同一平面內(nèi)安裝一日冕(26)，在測試臺的附近安裝一風(fēng)機(22)和風(fēng)速儀(25)，在據(jù)測試臺15m內(nèi)，據(jù)地面高不小于1m的范圍內(nèi)安裝白色百葉箱(23)，內(nèi)裝測量環(huán)境溫度的溫度計(29)，集熱器的進口(17)和出口(18)都要做保溫。
2.按權(quán)利要求1的測量裝置的測量方法，其特征是打開數(shù)據(jù)采集儀；起動水箱(1)的水泵(8)以保證循環(huán)水泵(11)吸入口的壓力，使流量穩(wěn)定，啟動循環(huán)水泵(11)調(diào)整調(diào)整旁通閥(12)和針閥(13)的開度，以使流量到設(shè)定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量方法，其特征是理論模型為θ0(n)=Σm=0Nθi(n-m)h1(m)+Σm=0NG^(n-m)h2(m)+Σm=0Nθa(n-m)h3(m)]]>其中G^=G-G‾,θ^b=Tb-T‾b,θ^a=Ta-T‾a,θ^i=Ti-T‾i,θ^o=To-T‾o]]>G太陽輻照度，W/m2；Tb太陽能真空內(nèi)玻璃管壁面的溫度，℃；Ti集熱器流體入口溫度，℃；Ta環(huán)境溫度，℃；To集熱器流體出口溫度，℃；G，Tb，Ti，Ta，To平衡狀態(tài)下G，Tb，Ti，Ta，To的值；n，m-n，m指變量在n，m-n，m時刻的值。h1，h2，h3傳遞函數(shù)；
全文摘要
一種太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法。該裝置的測試臺，其水箱底部連接泄水管和水泵，水箱側(cè)面裝有溢流管和熱交換器，水箱左側(cè)通過閘閥連接循環(huán)水泵和并列的旁通閥，然后接到過濾器、流量計和針閥，再連接到集熱器，集熱器的出口又連接一個放氣閥和兩個閘閥，其中一路再接于水箱。在集熱器附近安置風(fēng)機，風(fēng)速儀，白色百葉箱。在集熱器平面上安裝總?cè)丈浔砗腿彰?。利用上述系統(tǒng)可調(diào)整控制流量保持恒定。由數(shù)據(jù)采集儀采集有關(guān)流量、總輻射強度、集熱器進、出口溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速。用日冕調(diào)整集熱器，使得太陽直射輻射與集熱器法線的夾角＜5°。測量方法主要考慮了真空集熱管的玻璃及集熱器內(nèi)的金屬和水有較大的熱延遲。
文檔編號G01M99/00GK1808094SQ20051000221
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者王志峰, 侯宏娟 申請人:黃鳴