本发明涉及一种抛物面槽式太阳能集热器热效率动态测量装置及测量方法。
背景技术：
抛物面槽式太阳能集热器通过做一维旋转运动的抛物面槽形聚光器将太阳直射辐射会聚形成一条焦线，被会聚的太阳光加热位于焦线处的吸热管，进而将热量传递给流经吸热管的传热流体，实现将太阳能转化为热能。它被广泛应用于工业过程用热、太阳能海水淡化、太阳能空调、太阳能热化学、太阳能制氢和太阳能热发电等技术领域。热效率是抛物面槽式太阳能集热器应用的关键技术评价指标，是槽式集热系统的均化能量成本和资本性支出等经济指标的计算依据。目前尚未有针对现场动态变化条件的槽式集热器热效率测量装置及方法的国际或中国国家级标准。特别是随着国家“十三五”规划中“积极支持光热发电”的提出，槽式光热发电的市场将迅速扩大，因此对槽式集热器热效率测量装置和方法的需求日益强烈。
美国标准ASHRAE 93提供了一种可适用于抛物面槽式太阳能集热器热效率的测量装置及测量方法。该标准的测量方法是一种不包括太阳入射角的双参数稳态测量方法，因此在整个测量过程中要求太阳光线近垂直地入射到槽式集热器的采光平面，这需要测量装置包括一个可水平转动平台放置在槽式集热器下并且与槽式集热器协同跟踪太阳位置。但是在现场运行条件下，通过单轴跟踪太阳光完成集热过程的槽式集热器根本无法满足此要求。而且，不同于实验室的测量条件，现场测量条件往往缺少相应的调节和控制设备使槽式集热器的进口温度稳定在2％以内。本发明提出的热效率动态测量装置及测量方法适合于野外现场工作条件下的槽式集热器，可长期在槽式集热器跟踪聚光状态实现对测量模型中各参数的连续测量，不需要精确调节和控制设备以稳定槽式集热器的进口温度，对现场槽式集热器系统自身控制操作兼容。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种针对传热流体为导热油的抛物面槽式太阳能集热器热效率的动态测量装置和测量方法。
本发明基于室外现场工作条件，利用槽式集热器跟踪聚光工况下的传热流体出口温度上升过程，连续测量得到传热流体进口温度、传热流体出口温度、传热流体的体积流量、太阳法向直射辐照度(DNI)、环境空气温度和环境空气速度等物理量，在考虑传热流体流动导致的集热器进出口时间迟滞关系修正的基础上，给出合理的测量硬件配置和热效率计算分析方法。
抛物面槽式太阳能集热器热效率动态测量装置采用闭式循环系统，主要由导热油循环部分，冷却循环部分，氮气密封部分和测量仪器部分组成。导热油循环部分通过其导热油与水换热器的水侧进出口与冷却循环部分相连接，导热油循环部分通过其导热油与水换热器的顶部同氮气密封部分的导热油受热膨胀罐的底部通过管路连接，测量仪器部分中各仪器安装在导热油循环部分上或其附近位置。
导热油循环部分包括导热油与水换热器、过滤器、导热油循环泵、导热油流量控制阀、集热器进口安全阀、槽式集热器、集热器出口安全阀及连接管路。导热油与水换热器的导热油侧出口通过管路与过滤器连接，过滤器的另一侧通过管路与导热油循环泵的进口连接，导热油循环泵的出口通过管路与导热油流量控制阀连接，导热油流量控制阀的另一侧通过管路与集热器进口安全阀连接，集热器进口安全阀的另一侧通过管路与槽式集热器的进口连接，槽式集热器的出口通过管路与集热器出口安全阀连接，集热器出口安全阀的另一侧通过管路同导热油与水换热器的导热油侧进口连接。
冷却循环部分包括冷却水箱、冷却水过滤器、冷却水循环泵、冷却水流量控制阀及连接管路。冷却循环部分的冷却水箱的顶部通过管路同导热油循环部分的导热油与水换热器的水侧出口连接，冷却水箱的底部通过管路与冷却水过滤器连接，冷却水过滤器的另一侧通过管路与冷却水循环泵的进口连接，冷却水循环泵的出口通过管路与冷却水流量控制阀连接，冷却水流量控制阀的另一侧通过管路与导热油与水换热器的水侧进口连接。
氮气密封部分包括导热油受热膨胀罐、氮气呼吸阀、氮气瓶。氮气密封部分的导热油受热膨胀罐的底部通过管路同导热油循环部分的导热油与水换热器的顶部连接，导热油受热膨胀罐的顶部通过管路与氮气呼吸阀连接，氮气呼吸阀的另一侧通过管路与氮气瓶连接。
测量仪器部分包括流量计、集热器进口温度传感器及相应保温反射层、集热器出口温度传感器及相应保温反射层、风速仪、直接日射表及太阳跟踪器和环境空气温度传感器。流量计安装在导热油循环部分的导热油流量控制阀和集热器进口安全阀之间的管路上，集热器进口温度传感器安装在接近槽式集热器的进口1m内的管路上并在该段管路上加装保温反射层，集热器出口温度传感器安装在接近槽式集热器的出口1m内的管路上并在该段管路上加装保温反射层，风速仪、直接日射表及太阳跟踪器和环境空气温度传感器都安装在槽式集热器附近的地方。
本发明装置的工作过程如下：
导热油从测量装置的导热油与水换热器的底部通过管路流出，经过与所述管路连接的过滤器进入循环泵，从所述循环泵流出的导热油通过流量调节控制阀，再经过集热器进口安全阀进入槽式集热器，然后通过集热器出口安全阀流回到所述的导热油与水换热器。在所述的导热油与水换热器的顶部连接导热油受热膨胀罐，所述的膨胀罐的底部为导热油，上部为高压氮气，氮气压力的大小通过设定氮气呼吸阀进出压力值调节，并由连接氮气呼吸阀的氮气瓶提供氮气源。冷却水由冷却水箱流出，经由过滤器进入冷却水循环泵，根据冷却量的要求设置冷却水流量控制阀以让冷却水进入导热油与水换热器，经过换热过程带走热量后流回所述的冷却水箱；在流量调节控制阀和集热器进口安全阀之间的导热油管路上安装流量计，用于测量流经的导热油的体积流量，在接近槽式集热器进口1m内的地方安装集热器进口温度传感器，用于测量传热流体进口温度。对于所述的集热器进口温度传感器及其附近管路外壁安装保温反射层，以保证测量准确性和避免因聚光投射导致的破坏，在接近所述的槽式集热器出口1m内的地方安装集热器出口温度传感器，用于测量传热流体出口温度。对于所述的集热器出口温度传感器及其附近管路外壁安装保温反射层，以保证测量准确性和避免因聚光投射导致的破坏。在所述的槽式集热器附近安装风速仪用于测量环境空气速度，安装直接日射表及太阳跟踪器用于测量太阳法向直射辐照度(DNI)和安装环境空气温度传感器用于测量环境空气温度。
本发明测量方法基于槽式集热器跟踪聚光工况下的传热流体出口温度上升过程，测量得到传热流体进口温度、传热流体出口温度、传热流体的体积流量、太阳法向直射辐照度、环境空气温度和环境空气速度等物理量，再根据这些测量的物理量及太阳入射角等信息，计算槽式集热器的热效率。
本发明的测量方法步骤如下：
测量前应清洗槽式集热器的槽形反射器表面和真空管型吸热管的玻璃透光罩管表面。为保证系统安全，测量前应确保集热器进口安全阀和集热器出口安全阀能够正常工作；
1、开启导热油循环泵，以使导热油流经所述的槽式集热器。根据测量需要的流量设置流量调节控制阀；
2、开启冷却水循环泵，冷却水进入导热油与水换热器，冷却水带走热量后流回冷却水箱，以使导热油接近环境温度或需要的特定温度；
3、开启槽式集热器自有跟踪系统，使其处于跟踪聚光状态。由于导热油受热膨胀，部分导热油进入膨胀罐，所述膨胀罐的下部为导热油，上部为高压氮气，设定氮气呼吸阀的进出压力值，调节氮气压力的大小；
4、根据导热油循环部分冷却量的要求，调节冷却水流量控制阀，以保证槽式集热器升温测量期间，传热流体进口温度上升速率应不大于1.5℃/min；
5、测量并记录由流量计测量的导热油的体积流量、由集热器进口温度传感器测量的传热流体进口温度、由集热器出口温度传感器测量的传热流体出口温度、由风速仪测量的环境空气速度、由环境空气温度传感器测量的环境空气温度，以及由直接日射表及太阳跟踪器测量的太阳法向直射辐照度；
6、当所述的传热流体出口温度达到槽式集热器工作温度范围的上限时，停止对槽式集热器的跟踪并返回安全待机状态，测量完成1次。所有连续测量数据的时间间隔应不大于5s，有效测量的总时间应不小于2h，测量完成次数应不小于3次；
7、由步骤5得到的物理量计算抛物面槽式太阳能集热器热效率，方法如下：
考虑到测量过程中太阳光线的非法线入射造成的槽式集热器余弦损失，槽式集热器采光平面上的直接太阳辐照度定义为：
Gbp＝GDN cos(θ) (1)
式中：
GDN测量的太阳法向直射辐照度(DNI)，W/m2；θ入射角，即直射太阳光线与集热器采光平面法线之间形成的夹角。
如果考虑槽式集热器的端部损失，那么去除端部损失影响的槽式集热器采光平面上的直接太阳辐照度为：
式中：
f槽式集热器抛物面的焦距，单位：m，L槽式集热器的长度，单位：m。
此外，槽式集热器输出的有用功率为：
式中：
cf流经集热器的传热流体比热，单位：J/(kg·℃)，ρ传热流体密度，单位：kg/m3，测量的传热流体体积流量，单位：m3/s，te测量的传热流体出口温度，单位：℃，ti测量的传热流体进口温度，单位：℃。
由于同时测量得到的传热流体的集热器进口温度ti和出口温度te与公式(3)中的这两个参量在时间上是不对应的，因此修正这两个参量的对应函数关系为：
te(τi+τp)＝F[ti(τi)] (4)
式中：
τi传热流体进口温度测量记录时间，单位：s，τp传热流体从集热器进口到出口的流动时间，单位：s。
综上所述，抛物面槽式太阳能集热器热效率为：
式中：
Aa槽式集热器采光面积，单位：m2，τ时间，单位s。
考虑到端部损失的抛物面槽式太阳能集热器热效率为：
在结果表达时，提供与所计算的热效率对应的环境空气温度和环境空气速度的测量值，用以明确是在某一具体的环境条件下测量出的抛物面槽式太阳能集热器热效率。
本发明的测量方法中各参数的物理意义明确，测量装置可长期在槽式集热器跟踪状态实现对测量模型中各参数的连续测量，简单易行，适合野外现场工作条件，对现场槽式集热器系统自身控制操作兼容，成本较低。
附图说明
图1是抛物面槽式太阳能集热器热效率动态测量装置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明抛物面槽式太阳能集热器热效率动态测量装置主要由导热油循环部分，冷却循环部分，氮气密封部分和测量仪器部分组成。导热油循环部分通过其导热油与水换热器1的水侧进出口与冷却循环部分相连接，导热油循环部分通过其导热油与水换热器1的顶部同氮气密封部分的导热油受热膨胀罐13的底部通过管路连接，测量仪器部分中各仪器安装在导热油循环部分上或其附近位置。
导热油循环部分包括导热油与水换热器1、过滤器2、导热油循环泵3、导热油流量控制阀4、集热器进口安全阀6、槽式集热器9、集热器出口安全阀12及连接管路。导热油与水换热器1的导热油侧出口通过管路与过滤器2连接，过滤器2的另一侧通过管路与导热油循环泵3的进口连接，导热油循环泵3的出口通过管路与导热油流量控制阀4连接，导热油流量控制阀4的另一侧通过管路与集热器进口安全阀6连接，集热器进口安全阀6的另一侧通过管路与槽式集热器9的进口连接，槽式集热器9的出口通过管路与集热器出口安全阀12连接，集热器出口安全阀12的另一侧通过管路同导热油与水换热器1的导热油侧进口连接。
冷却循环部分包括冷却水箱16、冷却水过滤器17、冷却水循环泵18、冷却水流量控制阀19及连接管路。冷却循环部分的冷却水箱16的顶部通过管路与导热油与水换热器1的水侧出口连接，冷却水箱16的底部通过管路与冷却水过滤器17连接，冷却水过滤器17的另一侧通过管路与冷却水循环泵18的进口连接，冷却水循环泵18的出口通过管路与冷却水流量控制阀19连接，冷却水流量控制阀19的另一侧通过管路与导热油与水换热器1的水侧进口连接。
氮气密封部分包括导热油受热膨胀罐13、氮气呼吸阀14、氮气瓶15。氮气密封部分的导热油受热膨胀罐13的底部通过管路同导热油与水换热器1的顶部连接，导热油受热膨胀罐13的顶部通过管路与氮气呼吸阀14连接，氮气呼吸阀14的另一侧通过管路与氮气瓶15连接。
测量仪器部分包括流量计5、集热器进口温度传感器8及相应保温反射层7、集热器出口温度传感器11及相应保温反射层10、风速仪20、直接日射表及太阳跟踪器21和环境空气温度传感器22。流量计5安装在导热油流量控制阀4和集热器进口安全阀6之间的管路上，集热器进口温度传感器8安装在接近槽式集热器9的进口1m内的管路上并在该段管路上加装保温反射层7，集热器出口温度传感器11安装在接近槽式集热器9的出口1m内的管路上并在该段管路上加装保温反射层10，风速仪20、直接日射表及太阳跟踪器21和环境空气温度传感器22都安装在槽式集热器9附近的地方。
为保证传热流体进口温度和传热流体出口温度测量的准确性和避免因聚光投射导致的破坏，对于集热器进口温度传感器8及其附近管路外壁安装保温反射层7和对于集热器出口温度传感器11及其附近管路外壁安装保温反射层10，所述的保温反射层为先采用防燃隔热材料包裹温度传感器及其附近管路，然后在其上再包裹具有光学反射率大于0.7的软体材料。
本发明的测量方法步骤如下：
测量前应清洗槽式集热器9的槽形反射器表面和真空管型吸热管的玻璃透光罩管表面。为保证系统安全，测量前应确保集热器进口安全阀6和集热器出口安全阀12能够正常工作。
1、开启导热油循环泵3，以使导热油流经所述的槽式集热器。根据测量需要的流量设置流量调节控制阀4；
2、开启冷却水循环泵18，让冷却水进入导热油与水换热器1，冷却水带走热量后流回冷却水箱16，使导热油接近环境温度或需要的特定温度；
3、开启槽式集热器自有跟踪系统，使其处于跟踪聚光状态。由于导热油受热膨胀，部分导热油进入膨胀罐13，所述膨胀罐13的下部为导热油，上部为高压氮气，通过设定氮气呼吸阀14的进出压力值调节氮气压力的大小，并由连接氮气呼吸阀14的氮气瓶15提供氮气源；
4、根据导热油循环部分冷却量的要求调节冷却水流量控制阀19，以保证槽式集热器升温测量期间，传热流体进口温度上升速率应不大于1.5℃/min；
5、测量并记录由流量计5测量的导热油的体积流量、由集热器进口温度传感器8测量的传热流体进口温度、由集热器出口温度传感器11测量的传热流体出口温度、由风速仪20测量的环境空气速度、由环境空气温度传感器22测量的环境空气温度和由直接日射表及太阳跟踪器21测量的太阳法向直射辐照度；
6、当所述的传热流体出口温度达到槽式集热器工作温度范围的上限时，停止对槽式集热器的跟踪并返回安全待机状态，测量完成1次。所有连续测量数据的时间间隔应不大于5s，有效测量的总时间应不小于2h，测量完成次数应不小于3次；
7、得到物理量计算抛物面槽式太阳能集热器热效率，方法如下：
考虑到测量过程中太阳光线的非法线入射造成的槽式集热器余弦损失，槽式集热器采光平面上的直接太阳辐照度定义为：
Gbp＝GDN cos(θ) (1)
式中：
GDN测量的太阳法向直射辐照度(DNI)，W/m2；θ入射角，即直射太阳光线与集热器采光平面法线之间形成的夹角，单位为°。
如果考虑槽式集热器的端部损失，那么去除端部损失影响的槽式集热器采光平面上的直接太阳辐照度为：
式中：
f槽式集热器抛物面的焦距，单位为m；L槽式集热器的长度，单位为m。
此外，槽式集热器输出的有用功率为：
式中：
cf流经集热器的传热流体比热，单位：J/(kg·℃)，ρ传热流体密度，单位：kg/m3，测量的传热流体体积流量，单位：m3/s，te测量的传热流体出口温度，单位：℃，ti测量的传热流体进口温度，单位：℃。
由于同时测量得到的传热流体的集热器进口温度ti和出口温度te与公式(3)中的这两个参量在时间上是不对应的，因此修正这两个参量的对应函数关系为：
te(τi+τp)＝F[ti(τi)] (4)
式中：
τi传热流体进口温度测量记录时间，单位：s，τp传热流体从集热器进口到出口的流动时间，单位：s。
综上所述，抛物面槽式太阳能集热器热效率为：
式中：
Aa槽式集热器采光面积，单位：m2，τ时间，单位：s。
考虑到端部损失的抛物面槽式太阳能集热器热效率为：
在结果表达时，提供与所计算的热效率对应的环境空气温度和环境空气速度的测量值，用以明确是在某一具体的环境条件下测量出的抛物面槽式太阳能集热器热效率。