聚光式太阳能集热器及其集热液体的流程控制方法与流程

文档序号:11130053阅读:1078来源:国知局
聚光式太阳能集热器及其集热液体的流程控制方法与制造工艺

本发明涉及太能辐射热能利用领域,具体涉及一种聚光式太阳能集热器及其集热液体的流程控制方法。



背景技术:

目前太阳能集热器内的集热液体靠自然对流或泵流动。集热温度和流量被动调节,无法根据实际需要动态通过调整运行状态(集热温度和流量)以适应天气及使用需求的变化;而且太阳能集热器通常采用平板结构的吸热面来吸收太阳能,且吸热面的温度普遍比吸热管温度高,形成了一个高温辐射面和漏热面,影响集热效率。

脉动热管作为一种高效的传热元件,其在太阳能领域已经得到了较为广泛的应用。但是,对于目前的脉动热管的应用而言,其冷凝段一般会布置于蒸发段的上方,占据了太阳辐射面积,减少了有效面积利用率。而且形成的集热器也是集热液体在既定路径内的被动集热。

而且目前作为太能集热器的主要应用场合的热水工程普遍是根据冬季热水供应量设计,由于出水温度相对固定,因此在夏季热量需求较小时,集热器的集热量无法充分利用。目前对于太阳能集热器的改进,主要是针对集热器的集热温度进行。如在真空管集热器内插入金属管以改变流体流程,或者在平板集热器的集热管内进行部分集热流程的串联布置等。但是对太能集热器的优化十分有限,如何从根本上改变集热器的集热量以及对集热量的有效利用,是尚待进一步优化的问题。



技术实现要素:

技术问题

本发明要解决的技术问题是,如何实现提高集热液体的集热效率。

解决方案

有鉴于此,本发明的一个实施例提供了一种聚光式太阳能集热器,该聚光式太阳能集热器包括:壳体,其具有能够透光阳光的盖板;以及置于所述壳体内的集热部;其包括:管路,其包括分置的进液分液管和出液集液管;脉动热管吸热器,其由若干组蒸发段和冷凝段间隔形成;套筒换热器,其包括套壳以及置于所述套壳内的所述冷凝段,且所述套壳的两端分别与所述进液分液管和所述出液集液管连通;以及复合抛物聚光器,每个蒸发段跨列式置于所述复合抛物聚光器上;所述蒸发段内的工质吸收由所述复合抛物聚光器反射的太能辐射能之后,将热量传递到所述冷凝段,并与所述套管换热器内的集热液体进行换热,所述集热液体在所述管路和至少一部分所述套筒换热器之间形成流动路径,且在具有物理意义的前提下,能够通过可调整的方式接入所述流动路径的所述套管换热器的个数;所述套筒换热器内的集热液体吸收由所述复合抛物聚光器反射的太能辐射能。

对于上述聚光式太阳能集热器,在一种可能的实现方式中,所述管路上分布有若干个电动阀门,通过调整各个所述电动阀门的开关状态,处于开状态的电动阀门能够使得集热液体在所述进液分液管、所述出液集液管和所述套管换热器之间形成可调整的、多级蒸发段吸热的流动路径;其中,以进液分液管上游到下游的方向为脉动热管吸热器中各个蒸发段的吸热级数递增的方向,则级数较高的高温级的蒸发段的吸热面积≥处于级数较低的低温级的蒸发段的吸热面积。

对于上述聚光式太阳能集热器,在一种可能的实现方式中,还包括控制部,其与各个电动阀门均为电连接,用于调整各个所述电动阀门的开关状态;且对于经所述控制部调整各个所述电动阀门的开关状态形成的流动路径而言,在蒸发段的吸热级数递增的方向上,当脉动热管吸热器的总吸热级数为奇数时,设于所述进液分液管上的最下游的电动阀门应当关闭,设于所述出液集液管上的最下游的电动阀门应当打开;当脉动热管吸热器的总吸热级数为偶数时,反之。

对于上述聚光式太阳能集热器,在一种可能的实现方式中,所述管路上还设有调节流量控制阀,通过调整所述调节流量控制阀的开度来调整集热液体在所述流动路径中的流量。

对于上述聚光式太阳能集热器,在一种可能的实现方式中,所述太阳能集热器还包括传感器组,其包括:第一传感器组,其设于所述进液分液管的上游,用于检测集热液体在进口处的特征参数;第二传感器组,其设于所述出液集液管的下游,用于检测集热液体在出口处的特征参数;以及第三传感器组,其设于所述太阳能集热器所处的环境中,用于检测环境参数;上述第一、第二以及第三传感器组分别与所述控制部电连接,用于向所述控制部提供用于调整各个所述电动阀门的开关状态的基准参数。

优选地,以所述套管换热器的套壳的轴向方向为长度方向,所述复合抛物聚光器与所述套壳在该长度方向的尺寸相适应,且所述复合抛物聚光器的截取比的范围为0~4/5。优选地,所述蒸发段沿长度方向置于所述复合抛物聚光器的焦点圆上,且所述脉动热管吸热器的管径≤4mm。

对于上述聚光式太阳能集热器,在一种可能的实现方式中,将所述两路及以上的所述套管换热器并联形成冷凝管组,所述冷凝管组的两侧分别通过二级分液器与所述进液分液管和所述出液集液管连通。

本发明的另一个实施例提供了一种聚光式太阳能集热器的集热液体的流程控制方法,该流程控制方法包括:控制部采集太阳能集热器的参数以及运行数据;控制部基于所述参数和所述运行数据,对太阳能集热器的当前模式下的目标函数进行优化;控制部获取目标函数为最优值时对应的设于太阳能集热器的管路上的各个电动阀门的目标开关状态;其中,所述最优值的种类至少包括以给定流量下最高温升、给定出液温度下最大流量以及给定温度和流量下最小泵功;控制部将电动阀门的开关状态调整为目标开关状态,使得太阳能集热器的集热液体在进液分液管、出液集液管和套筒换热器之间形成可调整的流动路径流程。

对于上述流程控制方法,在一种可能的实现方式中,还包括:控制部显示根据太阳能集热器的参数以及运行数据得出的信息,包括:集热液体的进出液温度、流量和压差;当前的环境参数;以及各个所述电动阀门的当前的开关状态;控制部存储太阳能集热器的参数以及运行数据,用于后续调出。

有益效果

本发明的聚光式太阳能集热器通过脉动热管吸热器、套管换热器与复合抛物聚光器组成的集热部,以及通过改变集热液体的流动路径,提高了集热器的集热效率。进一步地,可以根据调整设于管路上的电动阀门的开关状态,如,可以根据设定的需求来调整集热液体的流动路径,改善了太阳能集热器对不同应用场合的适应性。

附图说明

当结合附图考虑时,能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器的结构示意图;图2为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器的剖视示意图;图3为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器的脉动热管吸热器的结构示意图。

图4为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器改进为带二级分液器的结构示意图;图5为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器的控制部的逻辑框图;图6-1为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器的控制部的一种实施例的逻辑框图一;图6-2为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器的控制部的一种实施例的逻辑框图二;图7为本发明的一个实施例的聚光式太阳能集热器的控制部的一种优化方式的逻辑框图。

附图标记列表

1、进液分液管2、脉动热管吸热器21、蒸发段22、冷凝段3、出液集液管4、复合抛物聚光器5、电动阀门61、第一温度传感器62、第二温度传感器63、第三温度传感器7、流量传感器81、第一压差传感器测点82、第二压差传感器测点9、流量控制阀10、风速传感器11、太阳辐射传感器14、信号线15、套管换热器16、底板17、保温层18、框架19、盖板玻璃20、二级分液器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-2所示的一种聚光式太阳能集热器(下文中简称为集热器),主要用于对集热器的集热性能进行优化。该集热器主要包括壳体、管路和集热部。其中:1)壳体主要用作集热部的载体,以及保证阳光可以透过壳体的盖板玻璃19照射至集热部;壳体的结构主要包括底板16、框架18、保温层17以及盖板玻璃19;其中:框架18的上表面覆盖高透光的盖板玻璃19,除上表面外的框架18的内侧均设有保温层17;底板16设于框架18底部的保温层17的上方。2)管路主要包括分置的进液分液管1和出液集液管3,主要用于将集热液体的干道连通。3)集热部置于进液分液管1和出液集液管3之间,主要用于收集太阳能并将太阳能转化为可储存的能量。集热部的结构主要包括:脉动热管吸热器2和若干组对应的复合抛物聚光器4(CPC)和套管换热器15。进一步参照图3,脉动热管吸热器2由若干组蒸发段21和冷凝段22间隔形成,其中,蒸发段21跨列式置于相应的CPC4上,套管换热器15的套壳两端分别与进液分液管1和出液集液管3连通,冷凝段22作为套管换热器15的一部分,置于套壳内。这样一来,脉动热管吸热器2的蒸发段21内的工质吸收由CPC4反射的太能辐射能之后,将热量传递到冷凝段22并与套管换热器15内的集热液体进行换热,吸热升温的集热液体在由进液分液管1、出液集液管3和套管换热器15的套壳组成的流动路径内流至出液集液管3,并通过集热器下游的集热器出口流入相应的收集装置和/或应用场合。

本发明中,集热液体在管路和至少一部分套筒换热器15之间形成流动路径,且在具有物理意义的前提下,可调整接入所述流动路径的所述套管换热器15的个数,即通过一定的调整方式使得路径可变。

此外,通过将CPC4的底部固定于底板16,从而实现了集热部的固定。

此处的集热液体并非物理意义上的液体,如可以解释为,具有流动性能的、且可以载热、传热的介质即可,可以是本实施例中的液态介质,也可以是气态介质等其他具有等同功能的介质。

作为一种优选,为了保证吸热结构上的稳定性以及热转换效率,将脉动热管吸热器2的各个蒸发段21置于对应的CPC4的焦点圆的位置上,此处的置于,绝非严格意义的置于,而是通过大致置于的位置关系达到集热效率提高的效果即可,如可以解释为相对于焦点圆的位置,偏差不超过一定数值即可(如0.5mm)。由于该位置处在整个CPC4的结构范围内具有收集热量最密集的优点,因此有利于提高脉动热管吸热器2内的集热液体的集热效率。

在一种可能的实施方式中,通过一定的调整方式使得路径可变,如可以是,管路上分布有若干个电动阀门5,通过调整各个电动阀门5的开关状态,使得作为储热介质的集热液体经入液分液管1的上游端进入集热器之后,处于开状态的电动阀门使得集热液体在进液分液管1、出液集液管3和套管换热器15的套壳之间形成可调整的、多级蒸发段吸热的目标流动路径。其中,以进液分液管上游到下游的方向为脉动热管吸热器中各个蒸发段的吸热级数递增的方向,则为了保证集热具有实际的意义,级数较高的高温级的蒸发段的吸热面积≥处于级数较低的低温级的蒸发段的吸热面积。集热液体沿该目标流动路径流动的过程中,脉动热管吸热器2中仅与目标流动路径中所包含的冷凝段22相邻的蒸发段21吸收由复合抛物聚光器4反射的太阳辐射的热能之后,最后由出液集液管3的下游流出至相应的收集装置和/或应用场合。

通过调整设置于进液分液管1和出液集液管3之间的若干个电动阀门5的开关状态,使得同一个集热器可以根据实际情况具有不同目标流动路径,即不同的集热强度。在一种可能的实施方式中,各个电动阀门5的开关状态可以相对独立地调整,也可以将其中的一个以上作为一个整体,进行联动调整。

进一步参照图4,在一种可能的实施方式中,电动阀门5的安装原则可以为:从集热液体进入进液分液管1的上游开始,在进液分液管1每次通过套管换热器15对集热液体进行分液后,在进液分液管1的下游侧的主管上安装并入电动阀门5,从并入第二路电动阀门5起,在套管换热器15所连接的出液集液管3的相应位置的下游侧的主管上也安装并入电动阀门5。

当然,前述的集热器中,集热液体在集热部中的流动路径主要由多组小尺度的CPC4以及相应的套管换热器15并列而成。进一步参照图4,在一种可能的实施方式中,可以在脉动热管吸热管2的、(蒸发段21、冷凝段22)在轴向的长度比较短且以(蒸发段21、冷凝段22)为单元管组的组数比较多时,可以将两路或者两路以上的冷凝段22所在的套管换热器15并联,形成功能相当于之前单个套管换热器15的冷凝管组,即以该冷凝管组作为最基本的单元,在进液分液管1和出液集液管3之间设有若干个这样的冷凝管组,不过,每个冷凝管组中的各个套管换热器15需要通过二级分液器20实现其与进液分液管1和出液集液管3的连通。

可以看出,除了以单根的冷凝段22所在的套管换热器15作为一个单独的最基本单元之外,也可以将多路冷凝段22所在的套管换热器15并联形成功能相当的最基本单元。以便进一步提高集热效率。

参照图3,脉动热管吸热器2是由若干个间隔的蒸发段21和冷凝段22间隔而成,因此通过改变各个电动阀门5的开关状态,即可将脉动热管吸热器2中的某几个冷凝段22所在的套管换热器15并入集热液体的流动路径内,从而实现了对集热液体的流动路径的调整,通过流动路径的调整即可以根据实际需求来改变集热效率。

此外,为了保证集热部的结构整体性,CPC4与套管换热器15在长度方向的尺寸应当相适应,此处的相适应,应当解释为大致相同,此处的大致相同,如可以解释为套管换热器15的长度可以略长,且长度差不超过某个临界数值(如单侧不超过2cm)。在一种可能的实施方式中,在CPC4的截取比范围为0~4/5,且蒸发段21的外径不大于4mm(优选1~4mm,更优选为2~4mm)的情形下,CPC4可以具有与常规的平板集热器或者真空管集热器相当的尺寸(如高度≤50mm),在CPC4与常规的集热器的尺寸相当的情形下,其能够产生较之于常规集热器的至少2~5倍最高可达10倍的聚光比的效果,明显提高了集热效率。此外,CPC4可以利用3D打印等方式加工成型。

可以看出,本发明用CPC4取代了传统的吸热板,用脉动热管吸热器2与套管换热器15相结合的方式取代了传统的吸热管,CPC4的引入增加了脉动热管吸热器2的蒸发段21的吸热热流密度,减少了散热面积;通过将蒸发段21优选地置于CPC4的大致焦点圆的位置处,因此充分利用了CPC4的聚光性能,使得套管换热器15内集热液体的温度可达到理论上的最高温升,在高温物体面积和漏热量得以减少的前提下,提高了集热器的集热效率。

在一种可能的实施方式中,可以通过引入控制部,来实现对各个电动阀门5的开关状态的调整。进一步参照图4,如果控制部得出的反馈结果是使得图4中的五个电动阀门5中的(2、5)(按照并入顺序,五个电动阀门5依次指的是下右、下中、下左、上右、上左,其中电动阀门(2、5)即指的是(下中和上左))位置处的两个电动阀门5为打开状态,则形成目标流动路径(流程)如图中的箭头所示。不过,对于经控制部调整各个电动阀门5的开关状态形成的流动路径而言,仍然是为了保证集热具有实际意义,在蒸发段21的吸热级数递增的方向上,当蒸发段21的吸热级数为奇数时,设于进液分液管1上的最下游的电动阀门5应当关闭,而设于出液集液管3上的最下游的电动阀门5应当打开;当蒸发段21的吸热级数为偶数时,则反之。

可以看出,通过改变各个电动阀门5的开关状态即可改变集热液体的流程;通过改变集热液体的流程即可出液集液管3的下游得到不同的出液温度,如:在电动阀门5全开的情形下,形成的集热液体的目标流动路径为并联流程,而在部分电动阀门5打开的情形下,则该目标流动路径至少包含一部分串联流程,特别是在并入电动阀门5的级数越高的情况下,集热液体的集热温度会明显高于单纯的并联流程;由于在上述并联流程和串联流程(包括全部串联以及包含并联支路的部分串联)下,集热液体流过套管换热器15时所形成的压损不同,因此在流量相同的情况下,会具有不同的泵送集热液体的泵功。

此外,如图1所示,还包括用于检测集热器的运行数据的传感器组,主要用于控制部的参数采集。传感器组主要包括:

i)第一传感器组,其设于进液分液管1的上游,用于检测集热液体在集热器进口处的特征参数,如设于集热液体的入口处(即进液分液管1的上游)的第一温度传感器61、流量传感器7和第一压差传感器测点81等;

ii)第二传感器组,其设于出液集液管3的下游,用于检测集热液体在集热器出口处的特征参数,如设于集热液体的集热器出口处(即出液集液管3的下游)的第二温度传感器62和第二压差传感器测点82等;以及

iii)第三传感器组,其设于集热器所处的环境中,用于检测环境参数,如置于环境中的第三温度传感器63、风速传感器10和太阳辐射传感器11等。

具体地:i)、ii)、iii)中三处的温度传感器(61、62、63)分别用于检测集热器进、出口处的集热液体的温度以及集热器所在的环境温度;i)中的流量传感器7用于检测集热液体的流量;i)、ii)中两处的压差传感器测点(81、82)用于检测出集热液体流经集热器后在出口处后的压降;iii)中的风速传感器10用于测试环境风速;iii)中的太阳辐射传感器11用于测试太阳辐射强度。

上述第一、第二以及第三传感器组分别与控制部电连接,用于向控制部提供用于调整各个电动阀门5的开关状态的基准参数。即上述所有的测试数据通过信号线14传递至控制部,控制部根据设定的出液温度、流量和/或进出液压差,通过控制各个电动阀门5的开关状态来控制集热液体的流程。

此外,控制部还与设于进液分液管1的上游的流量控制阀9通过信号线14实现电连接,通过调节流量控制阀9的开度来控制集热液体在流程内的流量。

不过,控制部最主要的功能是用于根据集热器的运行状况来控制电动阀门5的开关状态;进而改变集热液体的目标流动路径。作为一种具体的实施方式,进一步参照图5,控制部用于完成对集热液体的流程控制,该流程控制方法主要包括以下功能:

51)接收功能,其用于采集并上传集热器的参数以及能够表征集热器运行状态的数据(运行数据);

52)处理功能,其根据采集接收到的上述数据,结合当前集热模式所具有的设定的出液温度,根据一定的优化途径对当前集热模式的目标函数进行优化;

需要解释的是,上文中提到的优化途径,可以采用已有的、成熟应用于拆选和调整的优化算法(如神经网络算法、蚁群算法、一一比对等),也可以根据实际需求进行重新编程,或者对已有算法进行适当的调整,只要能够通过调整电动阀门5的开关状态使得当前集热模式下的目标函数更优即可。

此外,关于当前集热模式,在一种可能的实施方式中,可以在控制部中预设若干个选定的、经典的目标工作模式,每个目标工作模式可以具有特定的目标函数,以使得其在获得最优值的情况下适用于与目标工作模式对应的场合。或者,也可以根据实际情况,在控制部中新增某个或者某几个新的目标工作模式,以使得其目标函数在获得最优值的情况下适用于与新的目标工作模式对应的场合。其中,最优值的种类至少包括以给定流量下最高温升、给定出液温度下最大流量以及给定温度和流量下最小泵功。

53)反馈功能,其用于计算出当前集热模式的目标函数为最优值时对应的各个电动阀门5应具有的开关状态,即各个电动阀门5的目标开关状态;

54)执行功能,其将反馈模块得出各个电动阀门5应具有的开关状态与采集到的各个电动阀门5当前的开关状态进行比对,并通过发送相应的执行命令,使得各个电动阀门5的开关状态调整为目标开关状态。

当然,还可以具备显示、存储等其他辅助功能。与之相对应,控制部还可以具有如下功能模块:

55)显示功能,其用于将集热器的实时运行状态通过一定的形式显示,如可以对运行状态进行分级,然后以“良好、正常、过热”等形式予以显示,或者根据实际情况和需求,将运行状态的某些参数予以显示,或者将某些参数所表征的运行状态以动画流(如集热液体的流动路径等)的形式予以显示;

56)存储功能,其用于记录并存储集热器的参数以及运行数据;主要是作为备用数据。如可以通过调出数据的方式,便于后续通过对集热器的运行状态来获取影响集热器性能的因素,从而进行改善集热器性能的研究。或者在集热器发生故障时,可以通过调出相关数据作为故障分析的参考数据。

进一步参照图6-1和图6-2,在一种可能的实施方式中,控制部可以包括控制装置和远程控制装置两个组成部分,通过两个组成部分的相互协作来完成控制部所应具备的上述功能“51~56”;如,两个部分的分工可以为:控制装置主要完成相关的核心运算和控制等功能,而远程控制装置则主要完成显示等功能。具体地:

控制装置作为控制部的核心部件,其主要集成了以下五个功能:

6101)数据采集功能,采集集热器的运行数据并将该数据发送到远程控制装置,其中:运行数据可以包括但不限于:集热温度、流量、集热液体的流动压力损失、环境温度、风速、太阳辐射强度中的一种或者多种,主要用于根据参数计算集热器的流体温升、漏热量和压损等表征性能特征的参数,或者某些中间参数,或者用于在远程控制装置端将某些参数所反映的运行状态予以实时显示;以及各电动阀门5的当前开关状态,用作对电动阀门5的开关状态进行调整时的基准状态;

6102)模式确认功能,接受远程控制装置选择出的模式确认指令,模式确认指令可以包括:在既有的若干个集热器运行模式选定某一个作为当前集热模式,或者可以根据当前的集热温度和流量,在远程控制装置端手动输入新的集热器运行模式,作为当前集热模式;

6103)运算功能,对当前集热模式下的目标函数进行优化,计算出目标函数获得最优值的情形下对应的各个电动阀门5应具有的目标开关状态,并参考前述5101)中的基准状态,发送相应的控制指令给各电动阀门5;

6104)存储与记录功能,存储并记录集热器的相关参数以及运行数据(与实时运行状态相关的数据),参数可以包括但不限于集热器各部件的尺寸(如蒸发段21和CPC4的尺寸),运行数据可以包括但不限于集热温度、流量、集热液体流动压力损失、环境温度、风速和太阳辐射强度等;以及记录各个电动阀门5的开关状态(包括当前的和调整后的)。存储与记录功能主要是便于在需要时将数据调出,如可以是,在对集热器的性能进行研究和综合评价时,或者对集热器的故障进行分析时,作为参考数据。

除了上述四个在多数情况下应当具备的基本功能之外,还可以具有以下功能:

6105)显示功能,根据实际需求,可以选择性地显示集热器的部分实时运行状态,包括但不限于集热温度、流量、集热液体流动压力损失、环境温度、风速、太阳辐射强度、电动阀门开关状态及集热液体流程。此处的显示,主要是便于集热器的现场检修和操控。

而远程控制装置则主要集成了以下两个功能:

6201)显示功能,选择性地接收控制装置采集的或者计算出的参数或者数据,可以包括但不限于接收集热温度、流量、集热液体流动压力损失、环境温度、风速、和太阳辐射强度,主要用于在远程控制装置端具有的显示界面上进行相应的显示,以便于用户了解当前集热器运行环境状况和集热器运行参数,以及还可以接收各个电动阀门5的开关状态,也是主要便于用户了解当前集热器的运行状态。

6202)模式确认功能,发送模式确认指令给控制装置,用于控制装置选择出集热器的当前集热模式,并对当前集热模式下的目标函数进行优化,以使得集热液体的流程得以优化。

下面主要说明控制装置采集到的集热器的参数以及运行数据所能够参与的计算。

首先,根据能量守恒定律,对于脉动热管吸热器2而言,其蒸发段21吸收的热量应等于其冷凝段22给套管换热器15内的集热液体放出的热量。

可以设集热液体在集热器入口处的入口温度为Tin,集热器的面积为A,集热液体在集热器出口处的出口温度Tout,集热器的级数(从上游到下游包含的集热单元的个数)为n,则每一级分配的面积为Ai,假设太阳辐射强度为I,环境温度为Ta,集热液体的流量为m;

则第一级的温升为:

首先,第一级的温升满足以下公式

IA1-Ql_1=cm(Tout_1-Tin_1)=cmΔT1 (1)

式中,ΔT1为第一级集热液体的温升;

c为集热液体的比热;

Tin_1第一级集热液体的进口温度,Tin_1=Tin

Tout_1为第一级集热液体的出口温度,也为第二级集热液体的入口温度:Tin_2=Tout_1

Ql_1为第一级吸热器的漏热量,此处的第一级吸热器,如可以解释为:脉动热管吸热器2的第一个(上游方向)冷凝段22所在的套管换热器15。

式中,h为集热器外表面与环境的对流换热系数,该对流换热系数仅与环境风速有关,h=f(v);Ah_1为第一级吸热器的外表面面积;则可得到集热液体第一级的温升为:

设第一级集热液体的平均温度为则可得到第一级温升为:

同样的计算方法,第二级集热液体温升计算公式为:

IA2-Ql_2=cm(Tout_2-Tin_2)=cmΔT2(4)

则第i级温升为:

第n级的温升为:

可以看出,如果每一级套管换热器15内的冷凝段22对应的蒸发段21的集热面积和吸热面积相同,则随着级数的增加,吸热温度越来越高,则漏热量随之增加;而当级数增加到一定程度后,集热器的吸热量与漏热量相等,此时,集热液体的温度达到最高集热温度,不会进一步增加,后续的集热流程只会白白浪费泵功。因此,要提高集热器的出液温度,则需要根据每一级集热液体温升后的漏热量逐级提高每一级套管换热器15内的冷凝段22对应的蒸发段21的面积。

其中,确定每一级管路数和压降的计算方法为:

由于电动阀门5的关闭是使集热液体的流程改变的原因,因此,集热液体的流程的判定过程主要是寻找流程中处于关闭状态的电动阀门5。具体流程的判定方法为:

首先判断是不是单一流程,即是否所有套管换热器15为并联。当满足除进液分液管最末一级的电动阀门5处于关闭状态之外,其他所有的电动阀门5都是打开状态的情形下,集热液体即为单一的并联流程。

在集热液体不是单一的并联流程,即集热液体为多流程的情形下,首先在进液分液管1寻找第一个关闭的电动阀门5。即j=1,i从1开始逐渐增加,当a(x,1)=0时,则第一流程的管路数为x;然后在出液集液管3上寻找第二个关闭的电动阀门5,即j=2,i从x继续增加,当a(y,2)=0时,则第二流程的管路数为y-x;则下一个关闭的电动阀门5应该在进液分液管1上,然后,在进液分液管1上寻找下一个关闭的电动阀门5,即j=1,i从y继续增加,当a(z,2)=0时,则第三流程的管路数为z-y;依次类推直到i=n-1便可以得到每一级管路数。最后一列的两个电动阀门5是为控制集热液体最后从出液集液管3流出,最后的电动阀门5的开关状态受流程数控制:当流程管路数为奇数时,进液分液管1上的电动阀门5是关闭的,出液集液管3上的阀门是开启的;当流程数为偶数时,进液分液管1上的电动阀门5是开启的,出液集液管3上的电动阀门5是关闭的。

确定完成流程和每个流程中的套管换热器15的数目后即可以计算整个集热器的集热液体的压降。其等于每一级的压降之和。而每一级的压降等于套管换热器15的沿程压降和局部压降之和。其中:

单根套管换热器15的沿程压降为:

式中,λ为沿程压降系数,由于集热液体的流动一般为层流,可取

L为吸热管长度;V为吸热管内集热液体的流速;g为重力加速度;Re为集热液体的雷诺数;ρ为集热液体密度;D为吸热管外径;μ为集热液体动力粘度。

局部压降为:

式中,ξ为局部压降系数,由于集热器的局部压降主要为进液分液管1到套管换热器15、套管换热器15到出液集液管3的管径突变和流动方向造成的压降,如在一种具体的实施方式中,ξ可以取为1。

进一步地,由公式(8)可知,对于多级集热器的集热液体的出口温度与太阳辐射强度、集热器面积、吸热器面积、漏热换热系数、环境温度、集热液体比热和流量有关系。因此在给定集热液体种类的情形下,可以认为集热液体的比热为常数;在给定太阳辐射强度的情形下下,集热器的出液温度与环境温度、流量、出液集热器3的面积、脉动热管吸热器2的蒸发段21的面积、漏热换热系数等参数有关,即:

而漏热系数又与风速有关,即:

Tout_i=f(v,Ah_n,An,m,Ta) (12)

以及集热器的能量利用效率,其除了与集热液体的吸热量相关外,还与泵送集热液体的泵功有关。具体而言:集热器净效率=(集热液体温升-泵功)/太阳辐射能量。而泵功则与集热液体的流量和流程有关系。也就是说,要想获得更高的集热器的净能量利用效率,在满足集热液体的供液温度和流量的前提下,要合理地规划集热液体的流程,以及通过尽量减少集热液体的压降来减少泵功。

因此,在不同的太阳辐射条件下,可以通过调整电动阀门5的开关状态来调整脉动热管吸热器2的蒸发段21的面积、以及通过集热器的面积和流量来调整集热器的出液温度和净能量利用效率。如集热器的工作模式可以包括以下三种目标工作模式:

1)给定流量下的最高温升,该模式适用于对集热器的集热温度有要求的情形。

2)给定出液温度下的最大流量,该模式适用于对集热器的集热量有要求的情形。

3)给定温度、流量下的最小泵功,该模式适用于要求集热器节能运行、自耗功最小的情形。

进一步参照图1,为更清楚地表达集热液体的路径,如可以通过矩阵A={a(i,j)}来表示每一个电动阀门5的开关状态,(i,j)表示电动阀门5的坐标。其中,i表示沿着集热液体流动方向的列数,j表示沿着集热液体流动方向的行数。如:j=1时表示该电动阀门5为进液分液管1上的电动阀门5,j=2时表示该电动阀门5为出液集液管3上的电动阀门5。a(i,j)的值表示坐标为(i,j)的电动阀门5的开关状态;如可以是:当a(i,j)=1时,表示电动阀门5为开启状态,而当a(i,j)=0时,则表示电动阀门5为关闭状态。则整个集热器的各个电动阀门5的开关状态,可以表示为一个n×2的(0,1)矩阵,即可以通过各个a(i,j)的值来描述整个集热器的集热液体的流程。

控制部对电动阀门5的开关状态进行控制的具体优化算法可以概括为:

首先是目标函数的设定:

根据用户需求或者基于研究和/或实践的分析,设定若干个备选的目标函数,如备选的目标函数可以包括以下三种函数:

i)目标函数得出的指标是给定流量下的最高温升,即:

当m=常数时,f1=max(ΔT);其中ΔT表示集热液体的最大温升;

ii)目标函数得出的指标是给定出液温度下的最大流量,即:

当集热液体出液温度Tout=常数时,f2=max(m);

iii)目标函数得出的指标是给定出液温度下的最小泵功,即:

当出液温度Tout和集热液体流量m=常数时,f3=min(Ppump)。

远程控制装置可以选定上述目标函数中的其中任一个作为当前的集热模式下的目标函数,该目标函数即对应某一种侧重点(适用场合下的特定要求)的集热模式,对该集热模式进行优化的过程具体可以包括:

初始化步骤:

随机生成M个满足上述能用于描述整个集热器的集热液体的流程的n×2的矩阵,即其中的元素a[i,j]的值在0和1之间随机选取,剔除上述M个矩阵中没有物理意义的矩阵,如没有物理意义的矩阵至少包括:

a)造成集热液体的流程断路的矩阵,即需保证当a(i,1)和a(i,2)不能同时为0。

进一步参照图3,当时,由于中上和中下两个电动阀门5同时处于关闭状态,会导致集热器内的集热液体断路,即不能实现最基本的集热器入口流入、出口流出的路径,属于无效流程,因此需要在对路径进行优化计算之前予以剔除。

b)剔除高温级集热面积小于低温级面积的矩阵,即每级集热液体的流程的集热面积≤后一级的集热面积,而≥前一级的集热面积。

进一步参照图3,当时,即所有电动阀门5为打开状态,流程为并联;当时,为三级串联集热;

当时,形成两级集热,其中低级为一流程集热,二级为二流程集热,二级集热面积大于一级集热面积,符合要求;

而当时,同样形成两级集热,其中低级为二流程集热,二级为一流程集热,二级集热面积小于一级集热面积,不符合要求,应当予以剔除。剔除的原因为:当低级集热的温度足够高的时候,会造成高级集热的漏热量≥太阳辐射量,则集热器的集热温度不会继续升高,即高级集热的集热面积对集热器的集热没有贡献,因此需要在对路径进行优化计算之前予以剔除。

计算剔除之后的、具有物理意义的M1个矩阵对应的目标函数值,得到阶段最优值。将该阶段最优值对应的矩阵A作为目标矩阵B的初始值;即:选出具有物理意义的M1个矩阵中对应的目标函数值最优的那个矩阵,作为目标矩阵B的初始值;

优化步骤:按照设定的规则对上述目标矩阵B进行优化,在优化过程满足设定的停止条件时,即得到该集热模式下的目标函数值。根据目标函数值获得相应的集热液体路径,即为最优化之后的集热液体路径。控制装置结合当前的电动阀门5的开闭状态,对各个电动阀门5发送指令,将集热液体的路径调整为该目标函数值对应的集热液体的路径。

如一种简单的示例可以是:用户在远程控制装置端将当前的集热器的目标工作模式设定为由目标函数得出的指标是“给定流量下的最高温升”所对应的集热模式,则控制装置对各个电动阀门5发出M1个作为初始值的矩阵A对应的控制指令:

如上述M1=1,矩阵A所对应的控制指令形成的集热器的集热液体的路径为“多级串联”,如为图3中的五个电动阀门中的(2、5)为打开状态,其余为关闭状态,此即初始值对应的阶段最优值,即将其作为目标矩阵B[n,2]的初始值。根据该阶段最优值,测试、计算并记录集热器的进出口温差。

对上述阶段最优值进行优化的过程可以为,控制装置根据设定的规则(如经验值、随机数据交换等)调整矩阵A中的元素值,如将为集热液体的路径调整为“最末两级为串联”,如为图3中的5个电动阀门中的(1、5)(下右,上左)为关闭状态,其余为打开状态,形成的是串并组合的两级流程,此即对阶段最优值进行的第一次优化。根据该第一次优化值。根据该第一次最优值,测试、计算并记录集热器的进、出口的温差。

对比阶段优化值和第一次优化值对应的两种集热液体的路径的集热器进、出口处的温差,如果第一种(“多级串联”)进出口温差大于第二种,则控制装置重新发送指令,以“多级串联”作为当前的集热液体流程,即不替换目标矩阵B[n,2]的值,根据设定的规则进行进一步优化;如果第一种温差小于第二种,则需要改变流程,将第一次优化值对应的集热液体的路径作为当前的集热液体流程,即目标矩阵B[n,2]的初始值替换为改变流程后的值,根据设定的规则进行进一步优化;直到满足设定的条件(如迭代或者交换次数),即将最后一次的优化值所对应的集热液体流程作为该集热模式下的最优值,计算该最优值状态下的集热器的集热液体的进、出口温差即为最高温升(出口温度-进口温度),并获得目标矩阵B[n,2]对应的集热液体的流程。

当然,为了缩短最优化的运算成本以及提高优化水平,也可以根据实际需求进行编程或者引入已有的其他用于进行最优化选择的成熟算法。如依然同前一个示例,将当前的集热器的目标工作模式设定为由目标函数得出的指标是“给定流量下的最高温升”所对应的模式,发明根据实际的需求,对该优化过程进行了一种具体的编程,逻辑框图具体参照图7,通过该编程的算法对集热液体的路径进行优化的具体过程可以为:

701)计算M1个每个矩阵对应的目标函数值,选择目标函数值最优的作为阶段最优值;提取该阶段最优值对应的矩阵A并存放到目标矩阵B[n,2]中,作为目标矩阵B[n,2]的初始值。

702)在M1个矩阵里以设定的概率挑选矩阵选择矩阵A1和A2进行交叉计算,重新生成两个新矩阵A1’和A2’。交叉计算的方式如下:

①在1和n之间随机生成整数C;②将矩阵A1和A2中的元素a1[i,j]和a2[i,j]中(i>C)的数值进行互换;③剔除矩阵交换之后没有物理意义的矩阵,同时将没有物理意义的矩阵用B[n,2]补位代替;生成交叉后的矩阵群体。

其中,矩阵群体中的某个矩阵是否被选中用于交叉计算的概率,与该矩阵对应的目标函数的计算值相关,即:当目标函数为本实施例中所述的求最大值运算的函数时,则矩阵群体中的矩阵对应的目标函数值越大,则被选中用于交叉的概率就越大;相应地,当目标函数为求最小值运算的函数时,则矩阵群体中的矩阵对应的目标函数值越小,则被选中用于交叉的概率就越小。

703)对上述得到的交叉后的矩阵群体进行变异计算,变异计算的方式如下:①在1和n之间随机生成整数D;②以一定的概率,决定上述矩阵群体中的矩阵个体是否参与变异计算。此处,单一矩阵参加变异的概率完全随机,与任何其余条件无关;③如果某一个矩阵A参与了变异计算,则将a[i,j](i=D)对应的数值进行逻辑颠倒,即:如果是1,则变为0;如果是0,则赋值为1;④剔除矩阵变异之后没有物理意义的矩阵;依然将没有物理意义的矩阵用B[n,2]补位代替;生成变异后的矩阵群体。

704)进行上述变异、交叉之后,将目标值最优的一个矩阵与B[n,2]的初始值比较,如果对应的目标函数值优于初始值,则用阶段最优值替代初始值,如果初始值更优,则继续保留初始值,即得到阶段最优值,对变异后的矩阵群体重复进行前述交叉和变异运算,对阶段最优值进行进一步优化。

705)直至达到设定的迭代次数或者设定的其他停止条件时,在得到的M1个矩阵中,按照其对应的目标函数值,将目标函数值最优的一组作为目标矩阵B[n,2]的最优值。

706)调节控制各个电动阀门5的开关状态,使得集热液体的流动路径为根据目标矩阵B[n,2]的最优值所确定的路径,为最优路径。

根据实际需要,通过调节进入集热器的集热液体的流量,通过控制集热器内的各个电动阀门5的开闭来调节集热液体的流程,结合环境温度、风速、太阳辐射、集热器尺寸等影响因素,针对不同的应用场合,可以在出液集液管3的下游端实现不同的出液温度。如在夏季时,将出液温度到100℃以上,然后通过驱动吸收式制冷或者有机朗肯循环发电系统实现对收集的热能进行制冷或者发电的利用,提高了集热器所收集的热能的转化率。

本发明包含的要点主要包括:

1)通过以多段式结构的脉动热管吸热器2为吸热件,取代了热管或常规吸热管,加工简单,成本低廉,且作为一种优选,多段式脉动热管的外径≤4mm(优选为1~4mm,更优选为2~4mm),以及通过以CPC4为聚光装置,且作为一种优选,CPC4的截取比范围为0~4/5,可以利用3D打印等加工工艺成型,有效增加了脉动热管吸热器2的吸热热流密度,减少了散热面积,可以使CPC4的尺寸(高度小于等于50mm)与常规平板集热器和真空管集热器相当,且具有常规集热器2~5倍甚至高达10倍的聚光比。且整个集热器通过金属管路来连接,因此具有一定的承压能力,同时在冬季具有防冻裂能力。

2)通过电动阀门5的开关状态来调整集热液体(可以为前述的液态或者气态的集热介质)的流动路径,且电动阀门5的开关状态可以通过控制部根据设定温度、环境温度、风速、太阳辐射强度、集热液体流量和/或进出流动压降等参数来决定,使得当前的集热环境下的整机的集热效率能够最大程度地迎合应用场合的需求。根据不同的需要,通过调整电动阀门5的开关状态来调节进入集热器的集热液体的流程,还可以通过流量控制阀9的开度来调整进入集热器的集热液体的流量,从而能够在最大程度上实现不同热泵运行要求的集热温度,从而满足供热需求。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明,此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然,以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换,也均包含在本发明的保护范围之内。

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