一種槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置和測試方法

2023-10-21 11:16:07 2

專利名稱：一種槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置和測試方法
技術領域：
本發明涉及一種槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置和測試方法。
背景技術：
集熱管是槽式太陽能熱發電的核心部件之一，一般由外壁面塗有選擇性吸收膜的金屬吸熱管和玻璃罩管組成。集熱管位於槽式聚光鏡面的焦線上，主要負責將拋物鏡聚集了的太陽能轉化為熱能，加熱流經集熱管內的傳熱流體。在工作過程中，集熱管通過輻射換熱、對流換熱和熱傳導的方式將熱量傳遞給環境，這部分傳遞到環境中的熱量稱為集熱管的熱損失。集熱管的熱損失是聚光集熱系統熱損失或總能量損失的主要組成部分，在很大程度上決定著聚光集熱器的光——熱轉換效率，進而影響整個槽式太陽能熱發電電站的效率和經濟成本。因此，正確有效評估集熱管熱損失性能對聚光集熱系統的研究至關重要。
目前，國際上已知的較為接近的槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置由德國宇航局(DLR)和美國可再生能源實驗室(NREL)各自建立。DLR測試裝置中，集熱管的加熱採用一整根杆式加熱器作為主加熱，兩端各自裝有一個端部加熱器以補償端部熱損失，在杆式加熱器外部同軸套有銅管來對其均溫。NREL測試裝置中，加熱部分有兩套相同的組件，每一套組件都由一個杆式加熱器、兩個等同的端部加熱器以及銅管組成。兩種測試系統相同的地方在於都使用銅管對整根杆式加熱器進行均溫，雖然使用銅管均溫效果良好，但是由於銅管在長時間的高溫使用下較容易氧化和彎曲變形，影響測量精度；同時，對銅管的更換也造成測試裝置的成本增加並且使用壽命減少，不利於產品化；另外，如NREL的測試裝置，集熱管在測試過程中是通過從集熱管的兩端開口處突出的銅管部分來固定安放在支撐架上的，銅管在有自重的情況下同時還承受集熱管的重量，造成銅管以及集熱管內部的金屬吸熱管的撓度增大，從而影響到測試的準確性。

發明內容
本發明的目的是提高現有測試裝置的測試精度，提出一種槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置和測試方法。本發明在不影響集熱管內部的金屬吸熱管受熱均勻的情況下採用新的加熱均溫方法來取代銅管。為達到上述發明目的，本發明採用以下技術方案本發明的槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置主要包含三部分支撐架部分、加熱與保溫部分和數據採集處理部分。支撐架部分為一鋁合金或者鋼結構的支撐架。所述的支撐架通過與待測集熱管玻璃罩管的表面接觸來固定待測集熱管，並支撐待測集熱管。支撐架與玻璃罩管接觸的部分採用低熱導率的物質絕熱。加熱與保溫部分是整個測試裝置的核心部分，包括有兩套結構相同的加熱集成組件和一對保溫塊。兩套加熱集成組件加熱待測集熱管內部的金屬吸熱管，並確保金屬吸熱管在溫度達到穩定時軸向溫度具有良好的一致性。一對保溫塊置於待測集熱管的兩個端部，用以保溫，防止待測集熱管軸向的熱損失。所述的保溫塊採用低熱導率的材質製作。數據採集處理部分採集溫度數據和加熱集成組件中加熱器的功率值，處理並存儲。所述的加熱集成組件由杆式加熱器、盤式加熱器、翅片和銅管組成。一套加熱集成組件有兩個結構相同的盤式加熱器，兩個盤式加熱器相互靠近，同軸套在杆式加熱器上，靠近杆式加熱器的電源線一端。所述的杆式加熱器的電源線位於杆式加熱器的一側。在兩個盤式加熱器的外部同軸覆蓋一段銅管以起到均溫作用。杆式加熱器作為主加熱部件，其表面纏繞有翅片以起到均溫作用。翅片從遠離杆式加熱器電源線的一端纏起，直到安裝盤式加熱器的位置止。翅片採用銅或鋁材料製成。測試集熱管時，兩套加熱集成組件安裝在待測集熱管內部，與待測集熱管同軸。兩套加熱集成組件同處於待測集熱管內測的端部固定在一起，每套加熱集成組件中的兩個盤式加熱器分別位於待測集熱管開口的外側和內側。數據採集與處理部分包括有溫度傳感器、數據採集單元、溫度控制單元以及計算機等。若干溫度傳感器緊貼在待測集熱管的金屬吸熱管內表面上，這些溫度傳感器的輸出信號線連接在數據採集單元上。若干溫度傳感器緊貼在待測集熱管的玻璃罩管外壁面上，這些溫度傳感器的輸出信號線連接在數據採集單元上。六個溫度傳感器相應地緊貼在六個 加熱器上，包括兩個杆式加熱器、四個盤式加熱器。這些溫度傳感器的輸出信號線連接在溫 度控制單元上。另外一個溫度傳感器置於靠近所述的玻璃罩管一米處的環境中，此溫度傳感器的輸出信號線連接數據採集單元。杆式加熱器和盤式加熱器通過各自的電源線與溫度控制單元和數據採集單元連接，數據採集單元通過信號線與計算機連接。溫度傳感器測量金屬吸熱管內表面溫度、玻璃罩管外壁面溫度、加熱器溫度以及環境溫度，溫度控制單元控制加熱器輸出的功率值大小，從而使金屬吸熱管的溫度在一定範圍內保持穩定，數據採集單元將採集到的加熱器的功率值和測量的溫度值傳送給計算機，由計算機記錄、處理並保存數據。本發明槽式太陽能集熱管熱損失測試方法包括以下步驟I)將待測集熱管安放在支撐架上，從待測集熱管兩端的開口處各插入一套加熱集成組件到金屬吸熱管內，所插入的加熱集成組件與待測集熱管同軸，每套加熱集成組件中的兩個盤式加熱器分別位於待測集熱管開口的外側和內側。將溫度傳感器緊貼在待測集熱管的玻璃罩管外壁面上、金屬吸熱管的內表面、兩個杆式加熱器、四個盤式加熱器上，並將一個溫度傳感器置於靠近所述的玻璃罩管一米處的環境中。在待測集熱管的端部包裹一對保溫塊，接通電源；2)設定待測集熱管的金屬吸熱管的待測溫度，通過杆式加熱器和盤式加熱器對金屬吸熱管加熱，直到所需溫度；3)待所述的金屬吸熱管內表面達到所需溫度後，通過溫度控制單元控制金屬吸熱管內表面的溫度。若15分鐘內待測集熱管的玻璃罩管和吸熱管溫度變動< O. 5°C，即視為溫度穩定。待溫度穩定後，數據採集單元開始採集兩個杆式加熱器和四個盤式加熱器的功率值和各個溫度傳感器測得的溫度值，並將功率值和溫度值傳送給計算機。穩態測試時間為30分鐘；4)待所述的金屬吸熱管的溫度測試完成後，重複步驟2)和步驟3)，進行金屬吸熱管其他溫度下的熱損失測試；5)測試的功率和溫度數據由數據採集單元傳送給計算機，由計算機記錄、處理並保存數據。
槽式太陽能集熱管單位長度熱損失值等於集熱管消耗的電功率除以集熱管長度。其中，集熱管消耗的電功率為兩個杆式加熱器與兩個位於待測集熱管開口內側的盤式加熱器的功率值的總和。金屬吸熱管內壁面溫度和玻璃罩管的溫度分別為多個測試點的平均值。環境溫度為由單個溫度傳感器測得的靠近所述的玻璃罩管一米處的環境溫度。本發明採用翅片對杆式加熱器均溫，替代了目前常見的銅管，解決了銅管在高溫400°C以上易於彎曲變形的難題，同時降低了成本，增加了測試裝置的使用壽命。並且，由於加熱集成組件不再承受集熱管的重量，加熱集成組件和集熱管的同軸性更好，測試精度更聞。


圖I集熱管熱損失測試裝置示意圖；圖2加熱集成組件組成部分；圖3加熱集成裝置示意圖；圖4加熱集成裝置在集熱管內部軸向徑向截面示意圖；圖5桿式加熱器上纏繞的翅片；圖中1待測集熱管、2保溫塊、3支撐架、4金屬吸熱管、5玻璃罩管、6盤式加熱器、7翅片、8銅管、9桿式加熱器。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。如圖I所示，本發明包括支撐架部分、加熱與保溫部分和數據採集處理部分。支撐架部分為一採用鋁合金或者鋼結構的支撐架3 ;加熱與保溫部分包括有兩套結構相同的加熱集成組件和一對保溫塊2 ;數據採集與處理部分包括有溫度傳感器、數據採集單元、溫度控制單元以及計算機等。待測集熱管I由金屬吸熱管4和玻璃罩管5組成，玻璃罩管5套在金屬吸熱管4外。支撐架3通過與待測集熱管I的玻璃罩管5的表面接觸來固定待測集熱管1，並且支撐待測集熱管I。支撐架3與玻璃罩管5接觸的部分採用低熱導率的物質絕熱。一對保溫塊2分別放在支撐架3兩側的突起的位置上，保溫塊2套在待測集熱管I的兩端使待測集熱管I的端部保溫，防止待測集熱管I軸向的熱損失。保溫塊2採用低熱導率的材質製作。測量金屬吸熱管4、盤式加熱器6和杆式加熱器9溫度的溫度傳感器的溫度輸出信號線從保溫塊2中穿出，盤式加熱器6和杆式加熱器9的電源線也從保溫塊2穿出。若干溫度傳感器緊貼在待測集熱管I的金屬吸熱管4內表面上，這些溫度傳感器的輸出信號線連接在數據採集單元上。若干溫度傳感器緊貼在待測集熱管I的玻璃罩管5外壁面上，這些溫度傳感器的輸出信號線連接在數據採集單元上。六個溫度傳感器相應地緊貼在兩個杆式加熱器9和四個盤式加熱器6上，這些溫度傳感器的輸出信號線連接在溫度控制單元上。另外，有一個溫度傳感器置於靠近所述的玻璃罩管5 —米處的環境中，此溫度傳感器的輸出信號線連接數據採集單元。杆式加熱器9和盤式加熱器6通過各自的電源線與溫度控制單元和數據採集單元連接，數據採集單元通過信號線與計算機連接。溫度傳感器測量金屬吸熱管4內表面溫度、玻璃罩管5外壁面溫度、盤式加熱器6和杆式加熱器9溫度，以及環境溫度，溫度控制單兀控制杆式加熱器9和盤式加熱器6輸出的功率值大小,從而使金屬吸熱管4的溫度在一定範圍內保持穩定，數據採集單元將採集到的盤式加熱器6和杆式加熱器9的功率值和測量的溫度值傳送給計算機，由計算機記錄、處理並保存數據。圖2、圖3和圖4分別是加熱集成組件組成部分、加熱集成組件的示意圖、加熱集成組件在集熱管內部軸向徑向截面示意圖。本發明對金屬吸熱管4內表面的加熱是由兩套結構相同的加熱集成組件實現的。每套加熱集成組件主要由一個杆式加熱器9、兩個盤式加熱器6、一根銅管8和翅片7組成。一套加熱集成組件共有兩個結構相同的盤式加熱器6，兩個盤式加熱器6相互靠近，同軸套在杆式加熱器9上，靠近杆式加熱器9的電源線的一端。所述的杆式加熱器9的電源線位於杆式加熱器9的一側。在兩個盤式加熱器6的外部同軸覆蓋一段銅管8。杆式加熱器9表面纏繞有翅片7，翅片7從遠離杆式加熱器9電源線的一端纏起，直到安裝盤式加熱器6的位置止。翅片採用銅或鋁材料製成。杆式加熱器9提供加熱金屬吸熱管4所需的主要能量，翅片7可使金屬吸熱管4內表面受熱均勻。盤式加熱器6補償待測集熱管I端部的熱量損失。銅管8同樣起到均溫的作用。·測試時，將待測集熱管I安放在支撐架3上，兩套加熱集成組件分別從待測集熱管I的兩側插入到金屬吸熱管4內，通過墊片支撐使加熱集成組件與待測集熱管I同軸。兩套加熱集成組件同處於待測集熱管I內測的端部固定在一起，並且，確保每套加熱集成組件中的兩個盤式加熱器6分別位於待測集熱管I開口的外側和內側。安裝好各個溫度傳感器，待測集熱管I的端部包裹保溫塊2保溫。然後接通電源，設定金屬吸熱管4的測試溫度為450°C，通過盤式加熱器6和杆式加熱器9對金屬吸熱管4加熱，並且利用溫度控制單元控制測試溫度的變化。若15分鐘內，待測集熱管I的玻璃罩管5和金屬吸熱管4的溫度變動< O. 5°C，此時即視為達到穩定狀態。數據採集單元開始採集兩個杆式加熱器9和四個盤式加熱器6的功率值和各個溫度傳感器測得的溫度值，並將測得的功率值和溫度值傳送給計算機。穩態測試的時間為30分鐘。待此溫度點的測試完成後，依次設定金屬吸熱管4的測試溫度為400°C、350°C、300°C、250°C、200°C，按同樣的方法進行測試。由此可以得到在不同金屬吸熱管4溫度條件下，也可以是金屬吸熱管4溫度與環境溫度之差條件下，的集熱管的熱損失值。集熱管單位長度熱損失值等於集熱管消耗的電功率除以集熱管長度。其中，集熱管消耗的電功率為兩個杆式加熱器與兩個位於集熱管開口內側的盤式加熱器的功率值的總和。金屬吸熱管內壁面溫度和玻璃套管的溫度分別為多個測試點的平均值。環境溫度由單個溫度傳感器測得。圖5為纏繞在杆式加熱器上的翅片形狀示意圖，圖5a為螺旋狀翅片、圖5b為環狀翅片，圖5c為縱向翅片。
權利要求
1.一種槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置，其特徵是所述的測試裝置包括支撐架部分、加熱與保溫部分和數據採集處理部分；支撐架部分為一採用鋁合金或者鋼結構的支撐架(3 )，支撐架(3 )通過與待測集熱管(I)的玻璃罩管(5 )的表面接觸固定並支撐待測集熱管(I);加熱與保溫部分包括加熱集成組件和一對保溫塊(2);加熱集成組件包括兩個盤式加熱器(6)和一個杆式加熱器(9)，兩個結構相同的盤式加熱器(6)相互靠近，同軸套在杆式加熱器(9)上，靠近杆式加熱器的電源線一端；杆式加熱器(9)安裝在待測集熱管(I)的內部；一對保溫塊(2)分別位於支撐架(3)兩側的突起的位置上，保溫塊(2)套在待測集熱管(10)的兩端；數據採集處理部分通過數據採集單元採集待測集熱管(I)的金屬吸熱管(4)、玻璃罩管(5)的溫度值、待測集熱管(I)的環境溫度值，以及盤式加熱器(6)和杆式加熱器(9)的功率值，傳送給計算機處理並保存。
2.按照權利要求I所述的槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置，其特徵是所述的杆式加熱器(9)的電源線位於杆式加熱器(9)的一側；杆式加熱器(9)的表面有翅片(7)，翅片(7)從遠離杆式加熱器(9)電源線的一端纏起，直到安裝盤式加熱器(6)的位置止；兩個盤式加熱器(6)的外部同軸覆蓋一段銅管(8)。
3.按照權利要求2所述的槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置，其特徵是所述的翅片(7)為螺旋狀翅片或環狀翅片或縱向翅片；所述的翅片(7)纏繞或焊接在杆式加熱器(9)上。
4.按照權利要求I所述的槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置，其特徵是兩套所述的加熱集成組件安裝在待測集熱管(I)內部，與待測集熱管(I)同軸；兩套加熱集成組件同處於待測集熱管(I)內測的端部，固定在一起，每套加熱集成組件中的兩個盤式加熱器(6)分別位於待測集熱管(I)開口的外側和內側。
5.按照權利要求I和4所述的槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置，其特徵是所述的翅片7的材料為銅或鋁。
6.一種採用權利要求I所述的測試裝置的測試方法，其特徵在於所述的測試方法步驟如下 1)將待測集熱管(I)安放在支撐架(3)上，從待測集熱管(I)兩端開口處分別插入一套加熱集成組件到金屬吸熱管(4)內，所插入的加熱集成組件與待測集熱管(I)同軸，每套加熱集成組件中的兩個盤式加熱器(6)分別位於待測集熱管(I)開口的外側和內側；將溫度傳感器緊貼在待測集熱管(I)的玻璃罩管(5)的外壁面上、金屬吸熱管(4)的內表面、兩個杆式加熱器(9)，以及四個盤式加熱器(6)上，並將一個溫度傳感器置於靠近所述的玻璃罩管(5) —米處的環境中；在待測集熱管(I)的端部包裹一對保溫塊(2)，接通電源； 2)設定所述的金屬吸熱管(4)的待測溫度，通過杆式加熱器(9)和盤式加熱器(6)對金屬吸熱管(4)加熱，直到所需溫度； 3)達到所需溫度後，通過所述數據採集處理部分的溫度控制單元控制溫度。若15分鐘內，玻璃罩管(5)和金屬吸熱管(4)的溫度變動< O. 5°C，即視為穩定，數據採集處理部分的數據採集單元開始採集兩個杆式加熱器(9)和四個盤式加熱器(6)功率值，以及各個溫度傳感器測得的溫度值，並將各項功率值和溫度值傳送給所述數據採集處理部分的計算機存儲處理；所述的穩態測試時間為30分鐘； 4)待此溫度點的測試完成後，重複步驟2)和3)進行待測集熱管(I)的金屬吸熱管(4)在其他溫度下的熱損失測試； 5)由步驟I)至步驟4)得到的待測集熱管單位長度熱損失值等於待測集熱管消耗的電功率除以待測集熱管的長度；所述待測集熱管消耗的電功率為兩個杆式加熱器與兩個位於待測 集熱管開口內側的盤式加熱器的功率值的總和；金屬吸熱管內壁面溫度和玻璃罩管的溫度分別為多個測試點的平均值；環境溫度為單個溫度傳感器測得的靠近所述的玻璃罩管(5)—米處的環境溫度。
全文摘要
一種槽式太陽能集熱管熱損失測試裝置和測試方法。該裝置包括支撐架部分、加熱與保溫部分和數據採集處理部分，採用杆式加熱器(9)作為主加熱，盤式加熱器(6)為輔助加熱。杆式加熱器(9)的表面有翅片(7)。盤式加熱器(6)的外部同軸套有銅管(8)。盤式加熱器(6)同軸套在杆式加熱器(9)上，靠近杆式加熱器的電源線一端。杆式加熱器(9)位於待測集熱管(1)的內部。一對保溫塊(2)套在待測集熱管(1)的兩端。數據採集處理部分通過數據採集單元採集待測集熱管(1)的金屬吸熱管(4)、玻璃罩管(5)的溫度值、待測集熱管(1)的環境溫度值，以及盤式加熱器(6)和杆式加熱器(9)的功率值，傳送給計算機處理並保存。
文檔編號G01K17/08GK102944333SQ20121049521
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者白永軍, 王志峰, 雷東強, 白鳳武 申請人:中國科學院電工研究所