一种水工质吸热器效率的测量方法和系统与流程

本发明涉及太阳能塔式热发电系统，特别涉及一种水工质吸热器效率的测量方法和系统。

背景技术：

太阳能高温热发电技术是太阳能规模利用的一个重要发展方向，对人类解决化石能源危机、空气污染等问题具有深远的意义。太阳能高温热发电有多种技术方向：根据聚焦方式的不同，可分为塔式、槽式、碟式三种方式。其中已经大规模商业化应用的主要有塔式与槽式。与槽式相比，塔式聚光比更高，可达到更高的使用温度，一般发电效率更高，是未来太阳能光热利用的一个优先发展方向。塔式采用的水工质吸热器工质主要有水(水蒸汽)、熔盐、空气等。其中已实现商业化运行的主要有水和熔盐。水工质吸热器根据所生产的蒸汽品质又可分为饱和蒸汽与过热蒸汽两种类型水工质吸热器。其中，饱和水蒸汽水工质吸热器由于使用温度低，可降低制造成本与使用风险，同时由于使用温度低可降低水工质吸热器散热损失，因此，可在一定程度上提高水工质吸热器效率。另一方面，与常用的熔盐水工质吸热器相比，水工质吸热器不用电伴热预热，也不会因为担心熔盐凝固而导致镜场大量弃光，因此，可以在一定程度上降低系统离线厂用电率并提高光资源利用率。

一般情况下，正常运行时，水工质吸热器散热损失无法直接测量，导致目前缺乏有效的水工质吸热器效率测量手段。目前尚未有公开的饱和水蒸汽水工质吸热器效率测量方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种水工质吸热器效率的测量方法，用于测量饱和水蒸汽水工质吸热器效率，包括如下步骤：

静态平衡测试，控制若干个定日镜投射至水工质吸热器，待汽包的压力和液位稳定后，记录一定时长内所述水工质吸热器的直接辐射值，记投射至所述水工质吸热器的定日镜数量为第一定日镜数量n1，所述一定时长内所述水工质吸热器的辐射值的平均值为第一直接辐射值dni1；

动态平衡测试，控制若干个定日镜投射至水工质吸热器，待汽包的压力和液位稳定后，记录所述一定时长内所述水工质吸热器的直接辐射值，记投射至所述水工质吸热器的定日镜数量为第二定日镜数量n2，所述一定时长内所述水工质吸热器的辐射值的平均值为第二直接辐射值dni2；

根据所述第一定日镜数量n1、第二定日镜数量n2、第一直接辐射值dni1和第二直接辐射值dni2计算所述水工质吸热器效率。

较佳地，所述一定时长的持续时间大于20min。

较佳地，所述第一直接辐射值和第二直接辐射值均需大于700kw/m2。

较佳地，静态平衡测试期间的平均风速与动态平衡测试期间的平均风速的偏差小于1m/s。

较佳地，若所述静态平衡测试和动态平衡测试的测试时间段取当地时间正午12:00前后1小时以内的时间，则所述水工质吸热器效率ηre的计算公式为：ηre＝α×(dni2×n2-dni1×n1)/(dni2×n2)，其中，α为水工质吸热器的吸收率。

较佳地，若所述静态平衡测试和动态平衡测试的测试时间段取当地时间正午12:00前后3小时以内，但不包括正午12:00前后1小时以内的时间，则所述水工质吸热器效率ηre的计算公式如下：ηre＝α×(dni2×n2×η2-dni1×n1×η1)/(dni2×n2×η2)，其中，α为水工质吸热器的吸收率，η1＝ηt1*ηcos1*ηs1*ηb1，η2＝ηt2*ηcos2*ηs2*ηb2，η1、ηt1、ηcos1、ηs1、ηb1依次为静态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率；η2、ηt2、ηcos2、ηs2、ηb2依次为动态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率。

较佳地，所述α取值为0.95。

本发明还提供了一种水工质吸热器效率的测量系统，包括：水工质吸热器、汽包、定日镜镜场和直接辐射仪，其中，所述定日镜镜场的若干定日镜投射至所述水工质吸热器，使得所述水工质吸热器能够产出持续稳定的饱和蒸汽；所述汽包与所述水工质吸热器连通，以建立稳定的循环来生产稳定的饱和蒸汽；所述直接辐射仪用于测量所述水工质吸热器的直接辐射值。

较佳地，还包括：汽包液位测量装置，用于测量所述汽包的液位。

较佳地，还包括：风速测量装置，用于测量静态平衡测试期间的平均风速与动态平衡测试期间的平均风速。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

本发明实施例基于水工质吸热器的直接辐射值，间接测量饱和水蒸汽水工质吸热器效率。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，如果本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明实施例塔式太阳能热发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例水工质吸热器效率的测量系统结构示意图；

图3为本发明实施例水工质吸热器效率的测量方法流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的一种水工质吸热器效率的测量方法和系统进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1，为塔式太阳能热发电系统的结构简图，塔式太阳能热电站通过驱动大量定日镜跟踪太阳光，使太阳光在位于吸热塔顶端的水工质吸热器表面聚集，对吸热工质进行加热，使光能转换为热能，进而将热能转化为电能，实现太阳能热发电。

请参考图2，水工质吸热器效率的测量系统包括给水泵1、水工质吸热器2、定日镜镜场、直接辐射仪(图中未示出)、汽包3、出汽阀4、汽包液位测量装置(图中未示出)和风速测量装置(图中未示出)，其中，给水泵1给水工质吸热器2提供持续稳定的给水，水工质吸热器2接收定日镜投射的镜场能量并生产稳定的饱和水蒸汽，汽包3与水工质吸热器2连通，一起建立稳定的循环来生产稳定的饱和蒸汽，同时，汽包3可用用来监测蒸汽压力，出汽阀4可以控制饱和蒸汽的产量，若关闭出汽阀4，则饱和蒸汽产量为零；

在测试过程中，通过直接辐射仪测量水工质吸热器2的直接辐射值，通过汽包液位测量装置测量汽包3的液位，通过风速测量装置测量静态平衡测试期间的平均风速与动态平衡测试期间的平均风速。

请参考图3，基于图2所示的水工质吸热器效率的测量系统，水工质吸热器效率的测量方法包括如下步骤：

s1：静态平衡测试，控制若干个定日镜5投射至水工质吸热器2，待汽包3的压力和液位稳定后，记录一定时长内所述水工质吸热器2的直接辐射值，记投射至所述水工质吸热器2的定日镜5数量为第一定日镜数量n1，所述一定时长内所述水工质吸热器2的辐射值的平均值为第一直接辐射值dni1；

静态平衡测试期间，关闭出汽阀4，关停给水泵1，待汽包3的压力和液位基本不变后，开始进行数据记录。

s2：动态平衡测试，控制若干个定日镜5投射至水工质吸热器2，待汽包3的压力和液位稳定后，记录所述一定时长内所述水工质吸热器2的直接辐射值，记投射至所述水工质吸热器2的定日镜5数量为第二定日镜数量n2，所述一定时长内所述水工质吸热器2的辐射值的平均值为第二直接辐射值dni2；

动态平衡测试期间，打开给水泵1和出汽阀4，使得水工质吸热器2能够产出持续稳定的饱和蒸汽，且维持汽包3的压力和液位基本不变后，开始进行数据记录。

s3：根据所述第一定日镜数量n1、第二定日镜数量n2、第一直接辐射值dni1和第二直接辐射值dni2计算所述水工质吸热器效率。

作为一种实施例，由于水工质吸热器2具有一定热惯性，为保证测量数据基本稳定，静态平衡测试与动态平衡测试的均需持续记录大于20min的数据。

作为一种实施例，如果静态平衡测试和动态平衡测试的测试时间段取当地时间正午12:00前后1小时以内的时间，则所述水工质吸热器效率ηre的计算公式如下：

ηre＝α×(dni2×n2-dni1×n1)/(dni2×n2)(1)

其中，α为水工质吸热器的吸收率。

作为一种实施例，如果静态平衡测试和动态平衡测试的测试时间段取当地时间正午12:00前后3小时以内，但不包括正午12:00前后1小时以内的时间，则所述水工质吸热器效率的计算公式如下：

ηre＝α×(dni2×n2×η2-dni1×n1×η1)/(dni2×n2×η2)(2)

其中，α为水工质吸热器的吸收率，η1＝ηt1*ηcos1*ηs1*ηb1，η2＝ηt2*ηcos2*ηs2*ηb2，η1、ηt1、ηcos1、ηs1、ηb1依次为静态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率；η2、ηt2、ηcos2、ηs2、ηb2依次为动态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率。

上述公式(1)和(2)中，水工质吸热器的吸收率α为预先测量值，如无预先测量值，α可取设计值0.95。

进一步地，根据如下原理分析，对上述公式(1)和(2)进行推演：

首先，定日镜投射至水工质吸热器2上的镜场能量可按如下公式计算：

et＝dni×s×n×ηt×ηcos×ηs×ηb×ηc×ηr×ηtruc(3)

其中，et为投射在水工质吸热器上的镜场能量，dni为直接辐射值，可通过直接辐射仪直接测量；s为单个定日镜可反射太阳能面积，一般取常数；n为投射到水工质吸热器上的定日镜数量，可通过监控软件直接获取；ηt为大气透射率；ηcos为余弦效率；ηs为阴影效率；ηb为遮挡效率；ηc为镜场清洁度；ηr为镜场反射率；ηtruc为水工质吸热器的截断效率。

在静态平衡测试时，投射到水工质吸热器上的镜场能量et1等于水工质吸热器的散热损失+反射损失，则水工质吸热器散热损失为：

αet1＝l(4)

其中，l为水工质吸热器散热损失，α为水工质吸热器的吸收率。

在动态平衡测试时，投射到水工质吸热器上的镜场能量et2等于水工质吸热器的散热损失+反射损失+水工质吸热器吸收能量，由于水工质吸热器壁温在静态平衡测试与动态平衡测试时基本相同，故假定水工质吸热器散热损失在两个测试期间相同，可得到下述关系式：

αet2＝p+l(5)

其中，p为水工质吸热器输出能量，l为水工质吸热器散热损失，α为水工质吸热器的吸收率。

根据公式(4)和(5)，可得，水工质吸热器效率的计算公式如下：

其中，ηre为水工质吸热器效率；

同时，根据公式(3)，可知，

其中，η1＝ηt1*ηcos1*ηs1*ηb1，η2＝ηt2*ηcos2*ηs2*ηb2，η1、ηt1、ηcos1、ηs1、ηb1依次为静态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率；η2、ηt2、ηcos2、ηs2、ηb2依次为动态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率。

由于静态平衡测试与动态平衡测试期间定日镜挑选是随机的，故可以基本满足：

ηc1＝ηc2(8)

ηr1＝ηr2(9)

ηtruc1＝ηtruc2(10)

即，静态平衡测试和动态平衡测试期间的镜场清洁度、镜场反射率与截断效率基本相等。

若静态平衡测试与动态平衡测试的测试时间段安排在当地时间正午前后1h以内，可以认为两者镜场光学效率基本相等，即：

η1＝η2(11)

因此，可得水工质吸热器效率的计算公式如下：

若静态平衡测试与动态平衡测试所选时间段在当地时间正午12:00前后3小时以内，但不在正午12:00前后1小时以内，则两者的镜场光学效率可能不相等，此时，水工质吸热器效率的计算公式可修正为：

其中，η1＝ηt1*ηcos1*ηs1*ηb1，η2＝ηt2*ηcos2*ηs2*ηb2，η1、ηt1、ηcos1、ηs1、ηb1依次为静态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率；η2、ηt2、ηcos2、ηs2、ηb2依次为动态平衡测试期间，已投射定日镜的光学效率、大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率；可通过仿真计算确定较为准确的η1和η2。

作为一种实施例，由于静态平衡测试与动态平衡测试期间需要保证镜场投射能量基本稳定，故测试期间应晴朗无云，直接辐射值需保持基本稳定且需要大于700kw/m2，即第一直接辐射值dni1和第二直接辐射值dni2均应大于700kw/m2。

作为一种实施例，由于风速对水工质吸热器散热损失影响较大，故静态平衡测试期间的平均风速与动态平衡测试期间的平均风速应基本相同，偏差应小于1m/s。

作为一种实施例，由于水工质吸热器壁面温度与饱和水温度相关，而饱和水温度由于其压力相关，故测试期间应保持汽包压力基本稳定，压力的变动幅度应控制在0.5mpa以内。

作为一种实施例，为保证水工质吸热器输出能量稳定，需要保证给水流量与汽包液位基本稳定。在动态平衡测试过程中，给水泵的流量变动的幅度应控制在5％以内，汽包液位变动的幅度需控制在100mm以内；在静态平衡测试过程中，汽包液位变动的幅度需控制在50mm以内。

本发明提供的测量方法不涉及水工质吸热器的热负荷大小，即本测量方法对水工质吸热器热负荷大小不做任何要求，可测定的热负荷范围至少为0％～110％额定负荷。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。