本发明涉及一种抛物面槽式太阳能集热器热性能动态测量装置及热性能预测方法。
背景技术：
抛物面槽式太阳能集热器主要应用于太阳能热发电站，它利用抛物面槽形聚光器围绕位于槽形焦线处的吸热管做一维旋转运动跟踪太阳，使得会聚的太阳直射辐射加热吸热管，再通过流经吸热管的传热流体将热量带出，实现将太阳能转化为热能。抛物面槽式太阳能集热器应用技术的最为重要评价和验收指标是集热器的热性能。目前应用基于实际测量和数学物理预测模型相结合的方法来预测任一工况条件下的集热器热性能被认为是最为可靠和准确的方法。随着2016年9月中国国家能源局第一批太阳能热发电示范项目(包含7个槽式项目，其总装机容量46.4万千瓦)的公布，槽式光热发电的市场将迅速扩大，对热性能预测的需求更加强烈。
欧洲标准EN 12975–2“太阳能热系统与部件–太阳能集热器”提供了一个太阳能集热器热性能的准动态预测方法及测量装置，其准动态预测模型是基于太阳能集热器输出功率的最小误差分析建立的。但是，这个标准所提供的入射角修正因子的具体函数表达形式仅仅适用于平板型太阳能集热器，而非针对于抛物面槽式太阳能集热器。而且，该标准只考虑了集热器温度上升过程的测量，并要求测量过程中集热器传热流体进口温度稳定在±1℃。该标准对太阳散射辐照项的考虑反而对具有高聚光比的槽式集热器的热性能预测带来不确定性。此外，该标准所示意的测量装置是针对以低温水为传热介质的集热器，而末给出针对高温高压的抛物面槽式太阳能集热器的测量装置。因此，对于具有更高工作温度和更为复杂光学效应的抛物面槽式太阳能集热器而言，需要一种能够适用于现场变化条件的热性能动态测量装置及预测方法。
技术实现要素：
本发明的目的是弥补现有热性能测量装置及预测方法技术只针对低倍/非聚光低温太阳能集热器的不足，提出一种适用于具有高温高倍聚光特性的抛物面槽式太阳能集热器的热性能动态测量装置及预测方法。本发明应用于使用非相变传热流体的抛物面槽式太阳能集热器热性能的动态预测。
在实际运行过程中，传热流体为液体，可以是导热油、熔融盐或水等，没有相变发生。本发明装置适用于室外现场工作条件，利用槽式集热器跟踪聚光和集热器采光口背向太阳两种工况，连续测量集热器运行参数变化过程中的关键物理量：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)、以及环境空气温度和环境空气速度等。
本发明抛物面槽式太阳能集热器热性能动态测量装置，采用闭式循环系统，由以下四个子系统组成：测量仪器子系统、传热流体循环子系统、氮气密封子系统主和冷却循环子系统。测量仪器子系统的测量设备安装在传热流体循环子系统上或附近，氮气密封子系统连接传热流体循环子系统中换热器的顶部，冷却循环子系统连接传热流体循环子系统中换热器的冷却介质侧的进出口。
传热流体循环子系统包括换热器、过滤器、循环泵、流量控制阀和槽式集热器。换热器的传热流体侧出口通过管路与过滤器的一侧连接，过滤器的另一侧通过管路与循环泵的进口连接，循环泵的出口通过管路与流量控制阀的一侧连接，流量控制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换热器的传热流体侧进口连接。
测量仪器子系统包括便携式镜面反射率测定仪、集热器进口温度传感器、集热器出口温度传感器、流量计、直接日射表及太阳跟踪器、环境空气温度传感器和风速仪。便携式镜面反射率测定仪测量时放在槽式集热器的反射镜上，集热器进口温度传感器安装在接近槽式集热器进口1m内的管路上，集热器出口温度传感器安装在接近槽式集热器出口1m内的管路上，流量计安装在槽式集热器进口与流量控制阀之间的管路上，直接日射表及太阳跟踪器、环境空气温度传感器和风速仪均安装在槽式集热器附近。
氮气密封子系统包括膨胀罐、氮气呼吸阀和氮气瓶。膨胀罐的底部通过管路与换热器的顶部连接，膨胀罐的顶部通过管路与氮气呼吸阀的一侧连接，氮气呼吸阀的另一侧通过管路与氮气瓶连接。
冷却循环子系统可根据现场实际需要采用水冷或者空冷形式的冷却装置，其进口通过管路与换热器的冷却介质侧出口连接，其出口通过管路与换热器的冷却介质侧进口连接。
本发明的热性能动态预测方法基于所述测量装置连续测量传热流体出口温度上升过程和下降过程的传热流体进出口温度、体积流量、太阳法向直射辐照度、环境空气温度、环境空气速度等，通过抛物面槽式太阳能集热器热性能动态预测模型，采用基于最小二乘类方法的多元线性回归数学方法辨识其中七个待定参数。一旦这七个待定参数被有效回归，使用所述的动态预测模型可以预测该槽式集热器在其他工况条件，即任一特定的时间、地点、太阳辐照、环境空气温度和传热流体进口温度等工况下的热性能。
本发明方法步骤如下：
测量前，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，确认测量装置的工作温度范围能够满足传热流体的工作温度范围，并且完成调试待机。
步骤1，首先使用便携式镜面反射率测定仪测定槽式集热器的槽形反射器的反射率。
步骤2，传热流体从换热器流出，经过过滤器进入循环泵，开启循环泵，以使传热流体流经槽式集热器,并且流回到所述的换热器。根据测量所需的传热流体流量值设置流量调节控制阀，并根据流量计测量得到流量修正流量调节控制阀直至满足需要。开启冷却循环子系统，让冷却介质进入换热器带走热量，以使传热流体接近环境温度或需要的特定温度。使槽式集热器处于跟踪聚光状态，这时传热流体出口温度上升过程开始。由于传热流体因温度上升而膨胀，部分传热流体进入膨胀罐，在所述的膨胀罐的下部为传热流体，上部为高压氮气，氮气压力的大小通过氮气呼吸阀调节，并由连接的氮气瓶提供氮气源，以保证传热流体不发生相变。根据传热流体循环子系统冷却量的要求设置冷却循环子系统，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2.5℃/min。
步骤3，连续测量并记录传热流体进口温度上升过程中的以下物理量：集热器进口温度传感器测量传热流体进口温度，集热器出口温度传感器测量的传热流体出口温度，流量计测量的传热流体的体积流量，直接日射表及太阳跟踪器测量的太阳法向直射辐照度，环境空气温度传感器测量的环境空气温度，风速仪测量的环境空气速度。当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，停止槽式集热器跟踪，完成一次升温测量。
步骤4，调整槽式集热器的采光口背向太阳，这时传热流体出口温度下降过程开始，继续连续测量并记录和步骤3相同的物理量，当传热流体出口温度接近升温测量开始时的温度时，完成一次降温测量。动态测量期间，需要满足的测量条件要求见表1。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4h，升温测量和降温测量完成次数均应不小于3次。集热器升温测量中，在集热器工作温度范围内传热流体进口温度上升应不小于100℃。升温测量的初始传热流体出口温度和降温测量的结束传热流体出口温度之差应不大于10℃；升温测量的结束传热流体出口温度和降温测量的初始传热流体出口温度之差应不大于10℃。
表1动态测量期间测量条件要求
步骤5，测量完成后，根据所得数据预测抛物面槽式太阳能集热器热性能，预测计算分析方法是本发明的重要部分，其数学物理模型如下：
抛物面槽式太阳能集热器热性能动态预测模型的表达形式为：
式中：
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：℃；
Geni考虑余弦损失、端部损失和传热流体经集热器时太阳辐照度变化影响的一个有效均化的太阳直射辐照度，其函数表达关系见公式(2)，单位：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：°，ta环境空气温度，单位：℃，τ时间，单位：s；e0、e1、e2、a、b、c、d为七个待辨识的参数。
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，ρr槽形反射器的反射率，GDN测量的太阳法向直射辐照度(DNI)，单位：W/m2；τs测量数据的采集时间间隔，单位：s，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，p抛物面槽式金属吸热管沿传热流体流动方向划分的p个等长区域，等于τp/τs。
基于所述升温测量和降温测量过程中测量的物理量，抛物面槽式太阳能集热器热性能动态预测模型采用基于最小二乘类方法的多元线性回归数学方法辨识其中七个待定参数，要求回归的判定系数应不小于0.85。一旦这七个待定参数被有效回归，使用所述的动态预测模型可以预测该槽式集热器在其他工况条件，即任一特定的时间、地点、太阳辐照、环境温度和传热流体进口温度下的热性能。在结果表达时，提供测量过程中传热流体的体积流量和环境空气速度，用以明确动态预测模型中的参数是由某一具体条件下测量出的数据回归得到的。
本发明的预测模型中各参数的物理意义明确，测量装置可长期在槽式集热器自有操作状态下对预测模型所需的物理量进行连续测量，简单易行，适合野外现场工作条件，对槽式集热器的原控制操作系统完全兼容，成本低。
附图说明
图1是抛物面槽式太阳能集热器热性能动态测量装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明抛物面槽式太阳能集热器热性能动态测量装置，采用闭式循环系统，由以下四个子系统组成：测量仪器子系统、传热流体循环子系统、氮气密封子系统主和冷却循环子系统。测量仪器子系统的测量设备安装在传热流体循环子系统上或附近，氮气密封子系统连接传热流体循环子系统中换热器9的顶部，冷却循环子系统连接传热流体循环子系统中换热器9的冷却介质侧的进出口。
传热流体循环子系统包括换热器9、过滤器11、循环泵12、流量控制阀13和槽式集热器1。换热器9的传热流体侧出口通过管路与过滤器11的一侧连接，过滤器11的另一侧通过管路与循环泵12的进口连接，循环泵12的出口通过管路与流量控制阀13的一侧连接，流量控制阀13的另一侧通过管路与槽式集热器1的进口连接，槽式集热器1的出口通过管路与换热器9的传热流体侧进口连接。
测量仪器子系统包括便携式镜面反射率测定仪8、集热器进口温度传感器2、集热器出口温度传感器3、流量计4、直接日射表及太阳跟踪器5、环境空气温度传感器6和风速仪7。便携式镜面反射率测定仪8测量时放在槽式集热器1的反射镜上，集热器进口温度传感器2安装在接近槽式集热器1进口1m内的管路上，集热器出口温度传感器3安装在接近槽式集热器1出口1m内的管路上，流量计4安装在槽式集热器1进口与流量控制阀13之间的管路上，直接日射表及太阳跟踪器5、环境空气温度传感器6和风速仪7均安装在槽式集热器1附近。
氮气密封子系统包括膨胀罐10、氮气呼吸阀14和氮气瓶15。膨胀罐10的底部通过管路与换热器9的顶部连接，膨胀罐10的顶部通过管路与氮气呼吸阀14的一侧连接，氮气呼吸阀14的另一侧通过管路与氮气瓶15连接。
冷却循环子系统16可根据现场实际需要采用水冷或者空冷形式的冷却装置，其进口通过管路与换热器9的冷却介质侧出口连接，其出口通过管路与换热器9的冷却介质侧进口连接。
本发明的热性能动态预测方法基于所述测量装置，连续测量传热流体出口温度上升过程和下降过程的传热流体进出口温度、体积流量、太阳法向直射辐照度、环境空气温度、环境空气速度等，通过抛物面槽式太阳能集热器热性能动态预测模型，采用基于最小二乘类方法的多元线性回归数学方法辨识其中七个待定参数。一旦这七个待定参数被有效回归，使用所述的动态预测模型可以预测该槽式集热器在其他工况条件，即任一特定的时间、地点、太阳辐照、环境空气温度和传热流体进口温度等工况下的热性能。
具体步骤如下：
本发明热性能动态测量过程包括升温测量和降温测量。升温测量为集热器跟踪聚光工况下的传热流体出口温度上升过程的连续测量；降温测量为调整集热器采光口背向太阳工况下的传热流体出口温度下降过程的连续测量。
测量前，清洗槽式集热器1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，确认测量装置的工作温度范围能够满足传热流体的工作温度范围，并且完成调试待机。
步骤1，首先使用便携式镜面反射率测定仪8测定槽式集热器1的槽形反射器的反射率，沿着传热流体流动方向，每10m长度的槽式集热器至少安排一个反射率测量点，反射率ρr为这些测量点的反射率的平均值。
步骤2，传热流体从换热器9流出，经过过滤器11进入循环泵12，开启循环泵12，以使传热流体流经槽式集热器1,并且流回到所述的换热器9。根据测量所需的传热流体流量值设置流量调节控制阀13，并根据流量计4测量得到流量修正流量调节控制阀13直至满足需要。开启冷却循环子系统16，让冷却介质进入换热器9带走热量，以使传热流体接近环境温度或需要的特定温度。使槽式集热器1处于跟踪聚光状态，这时传热流体出口温度上升过程开始。由于传热流体因温度上升而膨胀，部分传热流体进入膨胀罐10，在所述的膨胀罐10的下部为传热流体，上部为高压氮气，氮气压力的大小通过氮气呼吸阀14调节，并由连接的氮气瓶15提供氮气源，以保证传热流体不发生相变。根据传热流体循环子系统冷却量的要求设置冷却循环子系统16，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2.5℃/min。
步骤3，连续测量并记录传热流体进口温度上升过程中的以下物理量：集热器进口温度传感器2测量传热流体进口温度ti，集热器出口温度传感器3测量的传热流体出口温度te，流量计4测量的传热流体的体积流量V，直接日射表及太阳跟踪器5测量的太阳法向直射辐照度GDN，环境空气温度传感器6测量的环境空气温度ta，风速仪7测量的环境空气速度。当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，停止槽式集热器跟踪，完成一次升温测量。
步骤4，调整槽式集热器1的采光口背向太阳，这时传热流体出口温度下降过程开始，继续连续测量并记录和步骤3相同的物理量，当传热流体出口温度接近升温测量开始时的温度时，完成一次降温测量。
动态测量期间，需要满足的测量条件要求见表1。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4h，升温测量和降温测量的次数均应不小于3次。集热器升温测量中，在集热器工作温度范围内传热流体进口温度上升应不小于100℃。升温测量的初始传热流体出口温度和降温测量的结束传热流体出口温度之差应不大于10℃；升温测量的结束传热流体出口温度和降温测量的初始传热流体出口温度之差应不大于10℃。
表1动态测量期间测量条件要求
步骤5，测量完成后，根据所得数据预测抛物面槽式太阳能集热器热性能，计算过程如下：
抛物面槽式太阳能集热器热性能动态预测模型的表达形式为：
式中：
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：℃，
Geni考虑余弦损失、端部损失和传热流体经集热器时太阳辐照度变化影响的一个有效均化的太阳直射辐照度，其函数表达关系见公式(2)，单位：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：°，ta环境空气温度，单位：℃，τ时间，单位：s，e0、e1、e2、a、b、c|d为七个待辨识的参数。
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，ρr槽形反射器的反射率，GDN测量的太阳法向直射辐照度(DNI)，单位：W/m2，τs测量数据的采集时间间隔，单位：s，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，p抛物面槽式金属吸热管沿传热流体流动方向划分的p个等长区域，等于τp/τs。
将升温测量和降温测量过程中获得的传热流体出口温度、传热流体进口温度、环境空气温度和太阳法向直射辐照度等物理量代入抛物面槽式太阳能集热器热性能动态预测模型中，采用基于最小二乘类方法的多元线性回归数学方法辨识其中七个待定参数，回归的判定系数应不小于0.85。完成参数辨识后的动态预测模型可以预测该槽式集热器在其他工况条件，即任一特定的时间、地点、太阳辐照、环境空气温度和传热流体进口温度下的热性能。此外，在结果表达时，提供测量过程中传热流体的体积流量和环境空气速度，用以明确动态预测模型中的参数是由某一具体条件下测量出的数据回归得到的。