抛物面槽式太阳能集热器热性能测量装置及热性能预测方法与流程

技术特征：

1.一种抛物面槽式太阳能集热器热性能测量装置，其特征是：所述的测量装置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。

2.按照权利要求1所述的抛物面槽式太阳能集热器热性能测量装置，其特征是：所述的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。

3.按照权利要求1所述的抛物面槽式太阳能集热器热性能测量装置，其特征是：所述的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。

4.按照权利要求1所述的抛物面槽式太阳能集热器热性能测量装置，其特征是：所述的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。

5.按照权利要求1所述的抛物面槽式太阳能集热器热性能测量装置，其特征是：所述的冷却循环子系统(16)为水冷或者空冷形式的冷却装置，冷却循环子系统(16)的进口通过管路与换热器(9)的冷却介质侧出口连接，冷却循环子系统(16)的出口通过管路与换热器(9)的冷却介质侧进口连接。

6.采用权利要求1所述的抛物面槽式太阳能集热器热性能测量装置的热性能预测方法，其特征是：所述的热性能动态预测方法基于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，以及环境空气速度，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，预测该抛物面槽式太阳能集热器在任一特定的时间、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。

7.按照权利要求6所述的热性能预测方法，其特征是：所述的预测方法步骤如下：

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ρ_r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)；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，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t_i，集热器出口温度传感器(3)测量的传热流体出口温度t_e，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G_DN，环境空气温度传感器(6)测量的环境空气温度t_a，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；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：

$\begin{array}{c}\frac{t_e-t_i}{G_{eni}}=e_0+e_1\frac{\mathrm{\θ}}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}+e_2\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}+\\ a\frac{1}{G_{eni}}\frac{{\mathrm{dt}}_e}{d\mathrm{\τ}}+b\frac{1}{G_{eni}}\frac{{\mathrm{dt}}_i}{d\mathrm{\τ}}+c\frac{t_i-t_a}{G_{eni}}+d\frac{{\left(t_i-t_a\right)}^2}{G_{eni}}\end{array}---\left(1\right)$

式中：

t_e测量的传热流体出口温度，单位℃，t_i测量的传热流体进口温度，单位：℃，G_eni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：°，t_a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；

$G_{eni}({\mathrm{\τ}}_i+{\mathrm{\τ}}_p)={\mathrm{\ρ}}_r\[G_{DN}({\mathrm{\τ}}_i+{\mathrm{\τ}}_s)+...+G_{DN}({\mathrm{\τ}}_i+{\mathrm{p\τ}}_s)\]cos\left(\mathrm{\θ}\right)\[1-\frac{f}{L}tan\left(\mathrm{\θ}\right)\]/p---\left(2\right)$

式中：τ_i传热流体进口温度测量记录时间，单位：s，τ_p传热流体从集热器进口到出口的流动时间，单位：s，ρ_r槽形反射器的反射率，G_DN测量的太阳法向直射辐照度(DNI)，单位：W/m²，τ_s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τ_p/τ_s；

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能够预测该抛物面槽式太阳能集热器在任一特定的时间、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。

8.按照权利要求7所述的热性能预测方法，其特征是：所述的动态测量期间，需要满足的测量条件要求为：

太阳法向直射辐照度不小于700W/m²，环境空气速度平均值不大于8m/s，传热流体的体积流量经过集热器传热流体的流动处于湍流状态，大于被测集热器的安全运行流量设定值，变化不大于测量值的±2.0％，传热流体进口温度在升温测量期间上升速率不大于2.5℃/min，传热流体进出口温差升温测量期间大于温度传感器准确度的5倍；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不大于10℃。