专利名称：一种槽式太阳能集热管热损失测试装置和测试方法
技术领域：
本发明涉及一种槽式太阳能集热管热损失测试装置和测试方法。
背景技术：
集热管是槽式太阳能热发电的核心部件之一，一般由外壁面涂有选择性吸收膜的金属吸热管和玻璃罩管组成。集热管位于槽式聚光镜面的焦线上，主要负责将抛物镜聚集了的太阳能转化为热能，加热流经集热管内的传热流体。在工作过程中，集热管通过辐射换热、对流换热和热传导的方式将热量传递给环境，这部分传递到环境中的热量称为集热管的热损失。集热管的热损失是聚光集热系统热损失或总能量损失的主要组成部分，在很大程度上决定着聚光集热器的光——热转换效率，进而影响整个槽式太阳能热发电电站的效率和经济成本。因此，正确有效评估集热管热损失性能对聚光集热系统的研究至关重要。
目前，国际上已知的较为接近的槽式太阳能集热管热损失测试装置由德国宇航局(DLR)和美国可再生能源实验室(NREL)各自建立。DLR测试装置中，集热管的加热采用一整根杆式加热器作为主加热，两端各自装有一个端部加热器以补偿端部热损失，在杆式加热器外部同轴套有铜管来对其均温。NREL测试装置中，加热部分有两套相同的组件，每一套组件都由一个杆式加热器、两个等同的端部加热器以及铜管组成。两种测试系统相同的地方在于都使用铜管对整根杆式加热器进行均温，虽然使用铜管均温效果良好，但是由于铜管在长时间的高温使用下较容易氧化和弯曲变形，影响测量精度；同时，对铜管的更换也造成测试装置的成本增加并且使用寿命减少，不利于产品化；另外，如NREL的测试装置，集热管在测试过程中是通过从集热管的两端开口处突出的铜管部分来固定安放在支撑架上的，铜管在有自重的情况下同时还承受集热管的重量，造成铜管以及集热管内部的金属吸热管的挠度增大，从而影响到测试的准确性。
发明内容
本发明的目的是提高现有测试装置的测试精度，提出一种槽式太阳能集热管热损失测试装置和测试方法。本发明在不影响集热管内部的金属吸热管受热均匀的情况下采用新的加热均温方法来取代铜管。为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案本发明的槽式太阳能集热管热损失测试装置主要包含三部分支撑架部分、加热与保温部分和数据采集处理部分。支撑架部分为一铝合金或者钢结构的支撑架。所述的支撑架通过与待测集热管玻璃罩管的表面接触来固定待测集热管，并支撑待测集热管。支撑架与玻璃罩管接触的部分采用低热导率的物质绝热。加热与保温部分是整个测试装置的核心部分，包括有两套结构相同的加热集成组件和一对保温块。两套加热集成组件加热待测集热管内部的金属吸热管，并确保金属吸热管在温度达到稳定时轴向温度具有良好的一致性。一对保温块置于待测集热管的两个端部，用以保温，防止待测集热管轴向的热损失。所述的保温块采用低热导率的材质制作。数据采集处理部分采集温度数据和加热集成组件中加热器的功率值，处理并存储。所述的加热集成组件由杆式加热器、盘式加热器、翅片和铜管组成。一套加热集成组件有两个结构相同的盘式加热器，两个盘式加热器相互靠近，同轴套在杆式加热器上，靠近杆式加热器的电源线一端。所述的杆式加热器的电源线位于杆式加热器的一侧。在两个盘式加热器的外部同轴覆盖一段铜管以起到均温作用。杆式加热器作为主加热部件，其表面缠绕有翅片以起到均温作用。翅片从远离杆式加热器电源线的一端缠起，直到安装盘式加热器的位置止。翅片采用铜或铝材料制成。测试集热管时，两套加热集成组件安装在待测集热管内部，与待测集热管同轴。两套加热集成组件同处于待测集热管内测的端部固定在一起，每套加热集成组件中的两个盘式加热器分别位于待测集热管开口的外侧和内侧。数据采集与处理部分包括有温度传感器、数据采集单元、温度控制单元以及计算机等。若干温度传感器紧贴在待测集热管的金属吸热管内表面上，这些温度传感器的输出信号线连接在数据采集单元上。若干温度传感器紧贴在待测集热管的玻璃罩管外壁面上，这些温度传感器的输出信号线连接在数据采集单元上。六个温度传感器相应地紧贴在六个 加热器上，包括两个杆式加热器、四个盘式加热器。这些温度传感器的输出信号线连接在温 度控制单元上。另外一个温度传感器置于靠近所述的玻璃罩管一米处的环境中，此温度传感器的输出信号线连接数据采集单元。杆式加热器和盘式加热器通过各自的电源线与温度控制单元和数据采集单元连接，数据采集单元通过信号线与计算机连接。温度传感器测量金属吸热管内表面温度、玻璃罩管外壁面温度、加热器温度以及环境温度，温度控制单元控制加热器输出的功率值大小，从而使金属吸热管的温度在一定范围内保持稳定，数据采集单元将采集到的加热器的功率值和测量的温度值传送给计算机，由计算机记录、处理并保存数据。本发明槽式太阳能集热管热损失测试方法包括以下步骤I)将待测集热管安放在支撑架上，从待测集热管两端的开口处各插入一套加热集成组件到金属吸热管内，所插入的加热集成组件与待测集热管同轴，每套加热集成组件中的两个盘式加热器分别位于待测集热管开口的外侧和内侧。将温度传感器紧贴在待测集热管的玻璃罩管外壁面上、金属吸热管的内表面、两个杆式加热器、四个盘式加热器上，并将一个温度传感器置于靠近所述的玻璃罩管一米处的环境中。在待测集热管的端部包裹一对保温块，接通电源；2)设定待测集热管的金属吸热管的待测温度，通过杆式加热器和盘式加热器对金属吸热管加热，直到所需温度；3)待所述的金属吸热管内表面达到所需温度后，通过温度控制单元控制金属吸热管内表面的温度。若15分钟内待测集热管的玻璃罩管和吸热管温度变动< O. 5°C，即视为温度稳定。待温度稳定后，数据采集单元开始采集两个杆式加热器和四个盘式加热器的功率值和各个温度传感器测得的温度值，并将功率值和温度值传送给计算机。稳态测试时间为30分钟；4)待所述的金属吸热管的温度测试完成后，重复步骤2)和步骤3)，进行金属吸热管其他温度下的热损失测试；5)测试的功率和温度数据由数据采集单元传送给计算机，由计算机记录、处理并保存数据。
槽式太阳能集热管单位长度热损失值等于集热管消耗的电功率除以集热管长度。其中，集热管消耗的电功率为两个杆式加热器与两个位于待测集热管开口内侧的盘式加热器的功率值的总和。金属吸热管内壁面温度和玻璃罩管的温度分别为多个测试点的平均值。环境温度为由单个温度传感器测得的靠近所述的玻璃罩管一米处的环境温度。本发明采用翅片对杆式加热器均温，替代了目前常见的铜管，解决了铜管在高温400°C以上易于弯曲变形的难题，同时降低了成本，增加了测试装置的使用寿命。并且，由于加热集成组件不再承受集热管的重量，加热集成组件和集热管的同轴性更好，测试精度更闻。
图I集热管热损失测试装置示意图；图2加热集成组件组成部分；图3加热集成装置示意图；图4加热集成装置在集热管内部轴向径向截面示意图；图5杆式加热器上缠绕的翅片；图中1待测集热管、2保温块、3支撑架、4金属吸热管、5玻璃罩管、6盘式加热器、7翅片、8铜管、9杆式加热器。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。如图I所示，本发明包括支撑架部分、加热与保温部分和数据采集处理部分。支撑架部分为一采用铝合金或者钢结构的支撑架3 ;加热与保温部分包括有两套结构相同的加热集成组件和一对保温块2 ;数据采集与处理部分包括有温度传感器、数据采集单元、温度控制单元以及计算机等。待测集热管I由金属吸热管4和玻璃罩管5组成，玻璃罩管5套在金属吸热管4外。支撑架3通过与待测集热管I的玻璃罩管5的表面接触来固定待测集热管1，并且支撑待测集热管I。支撑架3与玻璃罩管5接触的部分采用低热导率的物质绝热。一对保温块2分别放在支撑架3两侧的突起的位置上，保温块2套在待测集热管I的两端使待测集热管I的端部保温，防止待测集热管I轴向的热损失。保温块2采用低热导率的材质制作。测量金属吸热管4、盘式加热器6和杆式加热器9温度的温度传感器的温度输出信号线从保温块2中穿出，盘式加热器6和杆式加热器9的电源线也从保温块2穿出。若干温度传感器紧贴在待测集热管I的金属吸热管4内表面上，这些温度传感器的输出信号线连接在数据采集单元上。若干温度传感器紧贴在待测集热管I的玻璃罩管5外壁面上，这些温度传感器的输出信号线连接在数据采集单元上。六个温度传感器相应地紧贴在两个杆式加热器9和四个盘式加热器6上，这些温度传感器的输出信号线连接在温度控制单元上。另外，有一个温度传感器置于靠近所述的玻璃罩管5 —米处的环境中，此温度传感器的输出信号线连接数据采集单元。杆式加热器9和盘式加热器6通过各自的电源线与温度控制单元和数据采集单元连接，数据采集单元通过信号线与计算机连接。温度传感器测量金属吸热管4内表面温度、玻璃罩管5外壁面温度、盘式加热器6和杆式加热器9温度，以及环境温度，温度控制单兀控制杆式加热器9和盘式加热器6输出的功率值大小,从而使金属吸热管4的温度在一定范围内保持稳定，数据采集单元将采集到的盘式加热器6和杆式加热器9的功率值和测量的温度值传送给计算机，由计算机记录、处理并保存数据。图2、图3和图4分别是加热集成组件组成部分、加热集成组件的示意图、加热集成组件在集热管内部轴向径向截面示意图。本发明对金属吸热管4内表面的加热是由两套结构相同的加热集成组件实现的。每套加热集成组件主要由一个杆式加热器9、两个盘式加热器6、一根铜管8和翅片7组成。一套加热集成组件共有两个结构相同的盘式加热器6，两个盘式加热器6相互靠近，同轴套在杆式加热器9上，靠近杆式加热器9的电源线的一端。所述的杆式加热器9的电源线位于杆式加热器9的一侧。在两个盘式加热器6的外部同轴覆盖一段铜管8。杆式加热器9表面缠绕有翅片7，翅片7从远离杆式加热器9电源线的一端缠起，直到安装盘式加热器6的位置止。翅片采用铜或铝材料制成。杆式加热器9提供加热金属吸热管4所需的主要能量，翅片7可使金属吸热管4内表面受热均匀。盘式加热器6补偿待测集热管I端部的热量损失。铜管8同样起到均温的作用。·测试时，将待测集热管I安放在支撑架3上，两套加热集成组件分别从待测集热管I的两侧插入到金属吸热管4内，通过垫片支撑使加热集成组件与待测集热管I同轴。两套加热集成组件同处于待测集热管I内测的端部固定在一起，并且，确保每套加热集成组件中的两个盘式加热器6分别位于待测集热管I开口的外侧和内侧。安装好各个温度传感器，待测集热管I的端部包裹保温块2保温。然后接通电源，设定金属吸热管4的测试温度为450°C，通过盘式加热器6和杆式加热器9对金属吸热管4加热，并且利用温度控制单元控制测试温度的变化。若15分钟内，待测集热管I的玻璃罩管5和金属吸热管4的温度变动< O. 5°C，此时即视为达到稳定状态。数据采集单元开始采集两个杆式加热器9和四个盘式加热器6的功率值和各个温度传感器测得的温度值，并将测得的功率值和温度值传送给计算机。稳态测试的时间为30分钟。待此温度点的测试完成后，依次设定金属吸热管4的测试温度为400°C、350°C、300°C、250°C、200°C，按同样的方法进行测试。由此可以得到在不同金属吸热管4温度条件下，也可以是金属吸热管4温度与环境温度之差条件下，的集热管的热损失值。集热管单位长度热损失值等于集热管消耗的电功率除以集热管长度。其中，集热管消耗的电功率为两个杆式加热器与两个位于集热管开口内侧的盘式加热器的功率值的总和。金属吸热管内壁面温度和玻璃套管的温度分别为多个测试点的平均值。环境温度由单个温度传感器测得。图5为缠绕在杆式加热器上的翅片形状示意图，图5a为螺旋状翅片、图5b为环状翅片，图5c为纵向翅片。
权利要求
1.一种槽式太阳能集热管热损失测试装置，其特征是所述的测试装置包括支撑架部分、加热与保温部分和数据采集处理部分；支撑架部分为一采用铝合金或者钢结构的支撑架(3 )，支撑架(3 )通过与待测集热管(I)的玻璃罩管(5 )的表面接触固定并支撑待测集热管(I);加热与保温部分包括加热集成组件和一对保温块(2);加热集成组件包括两个盘式加热器(6)和一个杆式加热器(9)，两个结构相同的盘式加热器(6)相互靠近，同轴套在杆式加热器(9)上，靠近杆式加热器的电源线一端；杆式加热器(9)安装在待测集热管(I)的内部；一对保温块(2)分别位于支撑架(3)两侧的突起的位置上，保温块(2)套在待测集热管(10)的两端；数据采集处理部分通过数据采集单元采集待测集热管(I)的金属吸热管(4)、玻璃罩管(5)的温度值、待测集热管(I)的环境温度值，以及盘式加热器(6)和杆式加热器(9)的功率值，传送给计算机处理并保存。
2.按照权利要求I所述的槽式太阳能集热管热损失测试装置，其特征是所述的杆式加热器(9)的电源线位于杆式加热器(9)的一侧；杆式加热器(9)的表面有翅片(7)，翅片(7)从远离杆式加热器(9)电源线的一端缠起，直到安装盘式加热器(6)的位置止；两个盘式加热器(6)的外部同轴覆盖一段铜管(8)。
3.按照权利要求2所述的槽式太阳能集热管热损失测试装置，其特征是所述的翅片(7)为螺旋状翅片或环状翅片或纵向翅片；所述的翅片(7)缠绕或焊接在杆式加热器(9)上。
4.按照权利要求I所述的槽式太阳能集热管热损失测试装置，其特征是两套所述的加热集成组件安装在待测集热管(I)内部，与待测集热管(I)同轴；两套加热集成组件同处于待测集热管(I)内测的端部，固定在一起，每套加热集成组件中的两个盘式加热器(6)分别位于待测集热管(I)开口的外侧和内侧。
5.按照权利要求I和4所述的槽式太阳能集热管热损失测试装置，其特征是所述的翅片7的材料为铜或铝。
6.一种采用权利要求I所述的测试装置的测试方法，其特征在于所述的测试方法步骤如下 1)将待测集热管(I)安放在支撑架(3)上，从待测集热管(I)两端开口处分别插入一套加热集成组件到金属吸热管(4)内，所插入的加热集成组件与待测集热管(I)同轴，每套加热集成组件中的两个盘式加热器(6)分别位于待测集热管(I)开口的外侧和内侧；将温度传感器紧贴在待测集热管(I)的玻璃罩管(5)的外壁面上、金属吸热管(4)的内表面、两个杆式加热器(9)，以及四个盘式加热器(6)上，并将一个温度传感器置于靠近所述的玻璃罩管(5) —米处的环境中；在待测集热管(I)的端部包裹一对保温块(2)，接通电源； 2)设定所述的金属吸热管(4)的待测温度，通过杆式加热器(9)和盘式加热器(6)对金属吸热管(4)加热，直到所需温度； 3)达到所需温度后，通过所述数据采集处理部分的温度控制单元控制温度。若15分钟内，玻璃罩管(5)和金属吸热管(4)的温度变动< O. 5°C，即视为稳定，数据采集处理部分的数据采集单元开始采集两个杆式加热器(9)和四个盘式加热器(6)功率值，以及各个温度传感器测得的温度值，并将各项功率值和温度值传送给所述数据采集处理部分的计算机存储处理；所述的稳态测试时间为30分钟； 4)待此温度点的测试完成后，重复步骤2)和3)进行待测集热管(I)的金属吸热管(4)在其他温度下的热损失测试； 5)由步骤I)至步骤4)得到的待测集热管单位长度热损失值等于待测集热管消耗的电功率除以待测集热管的长度；所述待测集热管消耗的电功率为两个杆式加热器与两个位于待测 集热管开口内侧的盘式加热器的功率值的总和；金属吸热管内壁面温度和玻璃罩管的温度分别为多个测试点的平均值；环境温度为单个温度传感器测得的靠近所述的玻璃罩管(5)—米处的环境温度。
全文摘要
一种槽式太阳能集热管热损失测试装置和测试方法。该装置包括支撑架部分、加热与保温部分和数据采集处理部分，采用杆式加热器(9)作为主加热，盘式加热器(6)为辅助加热。杆式加热器(9)的表面有翅片(7)。盘式加热器(6)的外部同轴套有铜管(8)。盘式加热器(6)同轴套在杆式加热器(9)上，靠近杆式加热器的电源线一端。杆式加热器(9)位于待测集热管(1)的内部。一对保温块(2)套在待测集热管(1)的两端。数据采集处理部分通过数据采集单元采集待测集热管(1)的金属吸热管(4)、玻璃罩管(5)的温度值、待测集热管(1)的环境温度值，以及盘式加热器(6)和杆式加热器(9)的功率值，传送给计算机处理并保存。
文档编号G01K17/08GK102944333SQ20121049521
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者白永军, 王志峰, 雷东强, 白凤武 申请人:中国科学院电工研究所