專(zhuān)利名稱(chēng)：一種太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)和測(cè)定方法，屬于太陽(yáng)能熱發(fā)電與太陽(yáng)能高溫?zé)崂眉夹g(shù)檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，化石能源的大量應(yīng)用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)化石能源的有限儲(chǔ)量使得其將在未來(lái)的數(shù)年內(nèi)消費(fèi)殆盡。因此，近年來(lái)可再生能源越來(lái)越受到人們的重視。其中的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)將低品位的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化成高品位的電能。太陽(yáng)能發(fā)電分為太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電兩種類(lèi)型。其中太陽(yáng)能熱發(fā)電是先將太陽(yáng)光通過(guò)聚光器聚焦成高熱流密度的太陽(yáng)能，然后用安裝在其焦點(diǎn)上的太陽(yáng)能集熱器將該高熱流密度的太陽(yáng)能吸收變成高溫蒸汽，繼而推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、發(fā)電。由于集熱器內(nèi)的吸熱管具有較高的工作溫度及吸熱管表面選擇性涂層具有一定的發(fā)射率，太陽(yáng)能集熱器在吸收高熱流密度太陽(yáng)福射能的同時(shí)也向環(huán)境中傳遞一定的熱能，形成集熱器的熱損失。該熱損失和選擇性涂層發(fā)射率的大小決定了集熱器性能的優(yōu)劣?，F(xiàn)有太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)中，美國(guó)SANDIA國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定系統(tǒng)文獻(xiàn)所述，采用高溫導(dǎo)熱油加熱集熱器進(jìn)行工作，集熱器進(jìn)出口的焓差為集熱器的熱損失，可以滿(mǎn)足集熱器熱性能的測(cè)定要求，但是存在以下缺陷I.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本高，復(fù)雜，外形龐大、笨重；2.系統(tǒng)必須安裝在室外，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)境風(fēng)速；3.導(dǎo)熱油作為傳熱工質(zhì)，具有毒性，接觸空氣易于燃燒，高溫下易于分解、結(jié)焦，工作溫度低于400°C ；4.熱流體工作壓力高，管路系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)定過(guò)程操作復(fù)雜，需要多個(gè)專(zhuān)門(mén)人員配合共同完成。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)和德國(guó)宇航中心(DLR)的測(cè)定系統(tǒng)采用內(nèi)插多個(gè)電加熱管作為加熱源對(duì)集熱器進(jìn)行加熱，吸熱管內(nèi)部的多個(gè)電加熱器消耗的電功率之和為集熱器的熱損失，可以滿(mǎn)足集熱器熱性能的測(cè)定要求，但也存在以下缺陷I.多個(gè)加熱器分別需要一套溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)比較復(fù)雜；2.多個(gè)溫度控制系統(tǒng)需要將其所控制管段的溫度均穩(wěn)定在同一溫度值，實(shí)現(xiàn)的難度比較大，完成一個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量需要的時(shí)間比較長(zhǎng)；3.盡管所采用的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了標(biāo)定，但由于電加熱管加熱功率不均勻造成的吸熱管各段溫度在軸向和圓周方向上分布不均，溫度傳感器布置位置、與吸熱管壁接觸緊密程度的不同，造成系統(tǒng)測(cè)定結(jié)果誤差較大；

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)定速度快、工作溫度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的用于太陽(yáng)能集熱器的熱性能測(cè)定系統(tǒng)和方法。具體技術(shù)方案如下
一種太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱器I、調(diào)壓電源4、電流變送器
5、電壓變送器6、數(shù)據(jù)采集單元7、熱電偶8、鉬電阻9以及微型計(jì)算機(jī)11，太陽(yáng)能集熱器I 由吸熱管2、玻璃套管3和波紋管10構(gòu)成，調(diào)壓電源4的輸出端通過(guò)電纜線(xiàn)分別連接在吸熱管2的兩端，電流變送器5串接在調(diào)壓電源6和吸熱管2之間，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，電壓變送器6的兩個(gè)輸入端通過(guò)信號(hào)線(xiàn)分別連接在吸熱管2兩端與波紋管10 的焊接處，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，熱電偶8焊接在吸熱管2的內(nèi)壁上，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，鉬電阻9置于環(huán)境中，固定在距離玻璃套管3之外I 米處的環(huán)境中，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，數(shù)據(jù)采集單元7通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與微型計(jì)算機(jī)11連接；調(diào)壓電源4為吸熱管2兩端提供穩(wěn)定電壓，利用具有均勻電阻的吸熱管的焦耳加熱效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能集熱器I進(jìn)行加熱，在吸熱管2壁面圓周方向和軸向上產(chǎn)生均勻的溫度場(chǎng)；電流變送器5測(cè)量流過(guò)吸熱管2的電流并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，電壓變送器6測(cè)量?jī)刹y管10與吸熱管2焊接處之間的電壓并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，熱電偶8測(cè)量吸熱管2的內(nèi)壁面溫度并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，鉬電阻9測(cè)量環(huán)境溫度并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，數(shù)據(jù)采集單元7將采集到的溫度、電流、電壓信號(hào)傳送給微型計(jì)算機(jī)11，微型計(jì)算機(jī)記錄、保存溫度、電流、電壓數(shù)據(jù)。所述的太陽(yáng)能集熱器I為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電用的直通式太陽(yáng)能集熱器。一種太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定方法，基于由太陽(yáng)能集熱器，調(diào)壓電源、電流變送器、電壓變送器、熱電偶、鉬電阻、數(shù)據(jù)采集單元以及微型計(jì)算機(jī)組成的硬件平臺(tái)，包括以下步驟(I)組裝太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能集熱器兩端部進(jìn)行保溫包裹；(2)開(kāi)啟調(diào)壓電源，將其輸出電壓設(shè)定為A伏特，對(duì)太陽(yáng)能集熱器兩端部加載電壓，利用具有均勻電阻的吸熱管的焦耳加熱效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行加熱，在吸熱管壁面圓周方向和軸向上產(chǎn)生均勻的溫度場(chǎng)；(3)在連續(xù)30分鐘內(nèi)，當(dāng)電壓變送器測(cè)量的兩波紋管與吸熱管焊接處之間的電壓波動(dòng)小于±0. 05伏特，電流變送器測(cè)量流過(guò)吸熱管的電流波動(dòng)小于±0. 25安培、熱電偶測(cè)量吸熱管的內(nèi)壁面溫度波動(dòng)小于±0. 2°C、鉬電阻距離玻璃套管之外I米處測(cè)得的環(huán)境溫度波動(dòng)小于±0. 25°C時(shí)，視為對(duì)應(yīng)于調(diào)壓電源輸出A伏特的情況下，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)采集單元開(kāi)始采集上述的電壓、電流、吸熱管的內(nèi)壁面溫度以及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)不少于45分鐘，并將其傳送給微型計(jì)算機(jī)；(4)改變調(diào)壓電源的輸出電壓，按照步驟(2)和(3)的順序，對(duì)同一支太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)采集單元分別采集對(duì)應(yīng)于調(diào)壓電源的不同輸出電壓工況下的電流、電壓、 吸熱管內(nèi)壁面溫度以及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在微型計(jì)算機(jī)中；(5)分別計(jì)算調(diào)壓電源不同輸出電壓工況下的太陽(yáng)能集熱器單位長(zhǎng)度熱損失、吸熱管內(nèi)壁面溫度與環(huán)境溫度之差值，利用多項(xiàng)式擬合的方法最終得到該支太陽(yáng)能集熱器的吸熱管內(nèi)壁面溫度和環(huán)境溫度之差，與單位長(zhǎng)度熱損失之間的關(guān)聯(lián)式；所述的太陽(yáng)能集熱器的單位長(zhǎng)度熱損失等于太陽(yáng)能集熱器消耗的電功率除以太陽(yáng)能集熱器長(zhǎng)度；所述的太陽(yáng)能集熱器消耗的電功率等于兩波紋管與吸熱管焊接處之間的電壓與流過(guò)吸熱管的電流的乘積；所述的太陽(yáng)能集熱器的長(zhǎng)度等于兩波紋管與吸熱管焊接處之間的長(zhǎng)度；所述吸熱管內(nèi)壁面與環(huán)境溫差等于吸熱管內(nèi)壁面溫度減去環(huán)境溫度。
有益效果本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)和方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)定速度快、制造成本低、 組裝、移動(dòng)方便。


圖I為本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)測(cè)得的2支不同太陽(yáng)能集熱器的熱損
失隨溫差變化。圖3為本發(fā)明方法流程圖
具體實(shí)施例方式結(jié)合

實(shí)施例如下圖I為本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，其中I為槽式太陽(yáng)能集熱器，2為吸熱管，3為玻璃套管，4為0-10V直流調(diào)壓電源，5為0-500A電流變送器，6為 0-10V電壓變送器，7為34970A數(shù)據(jù)采集單元，8為熱電偶，9為鉬電阻，10為波紋管、11為微型計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)所用儀器、儀表、電纜等均可在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)。槽式太陽(yáng)能集熱器I由吸熱管2、玻璃套管3和波紋管10構(gòu)成，吸熱管2為材質(zhì)為壁厚均勻的304不銹鋼圓管；直流調(diào)壓電源4輸出的電源通過(guò)電纜線(xiàn)與吸熱管2兩端分別連接在一起，組成加熱回路；串接在電纜線(xiàn)上的電流變送器5測(cè)量通過(guò)吸熱管2的電流值， 并將輸出信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集單元34970A的01端口 ；電壓變送器6通過(guò)兩根信號(hào)線(xiàn)分別連接兩端波紋管10與吸熱管2焊接處，并將輸出電壓信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集單元34970A的 02端口 ；熱電偶8緊貼在吸熱管2的內(nèi)壁上，用于測(cè)量吸熱管2的內(nèi)壁面溫度，并將輸出信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集單元34970A的03端口 ；鉬電阻9置于遠(yuǎn)離槽式太陽(yáng)能集熱器I約I米處的環(huán)境中，用于測(cè)量環(huán)境溫度，并將輸出信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集單元34970A的04端口 ；數(shù)據(jù)采集單元7通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與微型計(jì)算機(jī)11連接，并將采集到的溫度、電流、電壓信號(hào)傳送給微型計(jì)算機(jī)11，微型計(jì)算機(jī)記錄、保存溫度、電流、電壓數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作前，先對(duì)集熱器兩端部進(jìn)行保溫，保溫層厚度不小于IOcm厚。然后開(kāi)啟系統(tǒng)電源，將電源4輸出電壓調(diào)至3. O伏特。在吸熱管2進(jìn)行加熱的過(guò)程中，要保證試驗(yàn)環(huán)境溫度穩(wěn)定在±0. 25°C以?xún)?nèi)，同時(shí)觀察數(shù)據(jù)采集單元7的檢測(cè)到的電壓、電流、吸熱管內(nèi)壁溫度、環(huán)境溫度，直到30分鐘內(nèi)電壓波動(dòng)小于±0. 05伏特、電流波動(dòng)小于±0. 25安培、吸熱管內(nèi)壁溫度波動(dòng)小于±0. 2°C、環(huán)境溫度波動(dòng)小于±0. 25°C，視為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集單元7開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間不少于45分鐘，并將數(shù)據(jù)傳送給微型計(jì)算機(jī)11。將調(diào)壓電源的輸出電壓分別設(shè)為3. 5,4. 0,4. 5,5. 0,5. 5,6. O伏特，對(duì)應(yīng)于不同的輸出電壓，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)采集單元7開(kāi)始采集電壓、電流、吸熱管內(nèi)壁溫度、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，采集時(shí)間不少于45分鐘。將上述得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照以下方法進(jìn)行處理假設(shè)采集到兩波紋管與吸熱管焊接處之間的電壓為U、電流變送器測(cè)量流過(guò)吸熱管的電流為I、熱電偶測(cè)量吸熱管的內(nèi)壁面溫度為T(mén)tll、鉬電阻距離玻璃套管之外I米處測(cè)得的環(huán)境溫度為T(mén)tl2，太陽(yáng)能集熱器長(zhǎng)度為L(zhǎng)， 則單位長(zhǎng)度太陽(yáng)能集熱器的熱損失Q由下式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于包括太陽(yáng)能集熱器I、調(diào)壓電源4、 電流變送器5、電壓變送器6、數(shù)據(jù)采集單元7、熱電偶8、鉬電阻9以及微型計(jì)算機(jī)11，太陽(yáng)能集熱器I由吸熱管2、玻璃套管3和波紋管10構(gòu)成，調(diào)壓電源4的輸出端通過(guò)電纜線(xiàn)分別連接在吸熱管2的兩端，電流變送器5串接在調(diào)壓電源6和吸熱管2之間，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，電壓變送器6的兩個(gè)輸入端通過(guò)信號(hào)線(xiàn)分別連接在吸熱管2兩端與波紋管10的焊接處，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，熱電偶8焊接在吸熱管2 的內(nèi)壁上，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，鉬電阻9置于環(huán)境中，固定在距離玻璃套管3之外I米處的環(huán)境中，其輸出信號(hào)線(xiàn)連接在數(shù)據(jù)采集單元7上，數(shù)據(jù)采集單元7通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與微型計(jì)算機(jī)11連接；調(diào)壓電源4為吸熱管2兩端提供穩(wěn)定電壓，利用具有均勻電阻的吸熱管的焦耳加熱效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能集熱器I進(jìn)行加熱，在吸熱管2壁面圓周方向和軸向上產(chǎn)生均勻的溫度場(chǎng)；電流變送器5測(cè)量流過(guò)吸熱管2的電流并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，電壓變送器6測(cè)量?jī)刹y管10與吸熱管2焊接處之間的電壓并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，熱電偶8測(cè)量吸熱管2的內(nèi)壁面溫度并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，鉬電阻9測(cè)量環(huán)境溫度并傳送到數(shù)據(jù)采集單元7，數(shù)據(jù)采集單元7將采集到的溫度、電流、電壓信號(hào)傳送給微型計(jì)算機(jī)11，微型計(jì)算機(jī)記錄、保存溫度、電流、電壓數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽(yáng)能集熱器I為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電用的直通式太陽(yáng)能集熱器。
3.一種太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定方法，基于由太陽(yáng)能集熱器，調(diào)壓電源、電流變送器、 電壓變送器、熱電偶、鉬電阻、數(shù)據(jù)采集單元以及微型計(jì)算機(jī)組成的硬件平臺(tái)，其特征在于包括以下步驟(1)組裝太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能集熱器兩端部進(jìn)行保溫包裹；(2)開(kāi)啟調(diào)壓電源，將其輸出電壓設(shè)定為A伏特，對(duì)太陽(yáng)能集熱器兩端部加載電壓，利用具有均勻電阻的吸熱管的焦耳加熱效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行加熱，在吸熱管壁面圓周方向和軸向上產(chǎn)生均勻的溫度場(chǎng)；(3)在連續(xù)30分鐘內(nèi)，當(dāng)電壓變送器測(cè)量的兩波紋管與吸熱管焊接處之間的電壓波動(dòng)小于±0. 05伏特，電流變送器測(cè)量流過(guò)吸熱管的電流波動(dòng)小于±0. 25安培、熱電偶測(cè)量吸熱管的內(nèi)壁面溫度波動(dòng)小于±0. 2°C、鉬電阻距離玻璃套管之外I米處測(cè)得的環(huán)境溫度波動(dòng)小于±0. 25°C時(shí)，視為對(duì)應(yīng)于調(diào)壓電源輸出A伏特的情況下，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)采集單元開(kāi)始采集上述的電壓、電流、吸熱管的內(nèi)壁面溫度以及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)不少于45 分鐘，并將其傳送給微型計(jì)算機(jī)；(4)改變調(diào)壓電源的輸出電壓，按照步驟⑵和(3)的順序，對(duì)同一支太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)采集單元分別采集對(duì)應(yīng)于調(diào)壓電源的不同輸出電壓工況下的電流、電壓、吸熱管內(nèi)壁面溫度以及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在微型計(jì)算機(jī)中；(5)分別計(jì)算調(diào)壓電源不同輸出電壓工況下的太陽(yáng)能集熱器單位長(zhǎng)度熱損失、吸熱管內(nèi)壁面與環(huán)境溫差，利用多項(xiàng)式擬合的方法最終得到該支太陽(yáng)能集熱器的吸熱管內(nèi)壁面與環(huán)境溫差與單位長(zhǎng)度熱損失之間函數(shù)關(guān)聯(lián)式；所述的太陽(yáng)能集熱器的單位長(zhǎng)度熱損失等于太陽(yáng)能集熱器消耗的電功率除以太陽(yáng)能集熱器長(zhǎng)度；所述的太陽(yáng)能集熱器消耗的電功率等于兩波紋管與吸熱管焊接處之間的電壓與流過(guò)吸熱管的電流的乘積；所述的太陽(yáng)能集熱器的長(zhǎng)度等于兩波紋管與吸熱管焊接處之間的長(zhǎng)度；所述吸熱管內(nèi)壁面與環(huán)境溫差等于吸熱管內(nèi)壁面溫度減去環(huán)境溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)定系統(tǒng)和方法，該測(cè)定系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、調(diào)壓電源、電流變送器、電壓變送器、數(shù)據(jù)采集單元、熱電偶、鉑電阻以及微型計(jì)算機(jī)組成。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有槽式太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)特征，將集熱器的金屬吸熱管作為加熱器對(duì)集熱器進(jìn)行加熱，通過(guò)在在兩端施加恒定的電流和電壓，在吸熱管上形成均勻穩(wěn)定、不存在溫度梯度的溫度場(chǎng)。本發(fā)明原理簡(jiǎn)單、產(chǎn)生的溫度場(chǎng)均勻、測(cè)定溫差范圍大、實(shí)現(xiàn)容易。
文檔編號(hào)G01M11/00GK102589844SQ20121002535
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月6日
發(fā)明者吳玉庭, 熊亞選, 馬重芳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)