专利名称：太阳能空气吸热器测控系统及性能、温度预测及保护方法
技术领域：
本发明是针对一种太阳能塔式热发电用的高温空气吸热器，该吸热器通过多孔介 质吸收镜场投射的辐射能并加热空气至高温，采用吸热器的工作原理的太阳能空气吸热器 测控系统及性能测试、温度动态预测及保护方法，本发明属于太阳能利用、热能动力以及自 动控制领域。
背景技术：
有效利用太阳能资源，对于缓解我国的能源问题、减少CO2的排放量、保护生态环 境、确保经济发展过程中的能源持续稳定供应等都将具有重大而深远的意义。而太阳能发 电目前主要有光伏发电和光热发电量两大类。而在太阳能热发电技术中，基于高温空气布雷顿循环具有热力循环温度高和发电 效率高的优点，使得高温空气吸热器的研究一直是高聚光比的太阳能热发电系统的热点问 题。空气吸热器是布雷顿循环系统中最重要的部分，主要由吸热体、空气流道、保温层和支 撑结构等部件组成。由于太阳能聚光能流密度的不均勻性和不稳定性造成的吸热体局部热 斑造成材料热应力破坏、空气流动稳定性差、系统复杂、大容量情况下系统可靠性和耐久性 不高等是目前制约布雷顿循环太阳能热发电技术商业化进程的主要问题。碳化硅陶瓷材料是一种强度高、导热率高、热膨胀系数低、抗热冲击能力强、抗高 温氧化性能优异的高性能结构陶瓷，将其制成具有三维网络状结构特征的泡沫材料，有利 于在其体内实现高效热量交换。将高性能泡沫碳化硅陶瓷用于空气吸热器的研制，有望解 决现有吸热器技术面临的技术难题，推动太阳能热空气发电技术的商用化进程。专利号为200710099039. 3的专利“一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器”公开 了利用碳化硅泡沫陶瓷研制塔式太阳能热发电高温空气吸热器的设计方法，可以为布兰顿 循环提供高温的空气。但是该发明没有提供该吸热器性能测试方法、热工参数测试的平台 以及吸热器的保护方法。而这正是本专利的发明内容。
发明内容
技术问题针对太阳能塔式高温陶瓷空气吸热器性能没有衡量的标准，并且利用 碳化硅材料制作的太阳能塔式高温空气吸热器由于太阳能聚光能流密度不稳定造成的吸 热体材料的热应力破坏、空气流动稳定性差，从而在大容量下系统的可靠性和耐久性差问 题。发明吸热器性能测试方法、吸热器温度动态预测方法和吸热器的保护控制技术及系统。技术方案本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明太阳能空气吸热器测控系统，包括调频电机、六个热电偶① ⑥、三个压 力传感器⑦ ⑨、太阳直接辐射与风速测量仪 、两个空气温度传感器(Q)~(Q)、两个模拟 量输入�？� ( 、模拟量输出�？� 、远程接口模块 、远程通讯接口�？锧、工控机 @、报警器@和压力传感器其中热电偶①和②，用于吸热器表面固体骨架温度的检测， 均勻布置在吸热器表面的下层；热电偶③和④，用于吸热表面反面固体骨架温度的检测，均勻布置在吸热表面的反面；热电偶⑤和⑥，用于检测空气经吸热器后的温度；压力传感器 ⑦和⑧，用于检测空气流量孔板前后的压力，用于流量的计算；压力传感器⑨，用于吸风机 前负压的测量；太阳直接辐射与风速测量仪 ，用于太阳直接辐射强度以及自然风速的测 量；空气温度传感器 和 ，用于自然空气温度的测量；模拟量输入�？� ，接收压力传 感器⑦ ⑨输出的压力信号、调频电机输出的调频输入信号 、太阳直接辐射与风速测量 仪 输出的辐射强度与风速信号、空气温度传感器和(Q)输出的温度信号；模拟量输入 �？椋邮杖鹊缗饥� ⑥和压力传感器 输出的温度和压力信号；模拟量输出�？棣ǎ� 输出调频输出信号(Q)至调频电机；远程接口�？� ，将模拟量输入�？� ( 输出的测 量信号通过远程通讯接口�？棣ù莸降孛娴墓た鼗鶣，并将工控机@通过远程通讯接 口�？棣ǚ⑺偷目刂菩藕欧⑺椭聊Ｄ饬渴涑瞿？镺 ；工控机@，用于集中检测信号、运算、 分析以及发出控制信号；报警器(2)，用于吸热器超温或者温度变化率超限时报警；压力传 感器 ，用于吸热器后压力的测量。太阳能空气吸热器性能测试方法，包括吸热器效率的测量和吸热器阻力的测量方 法，其中吸热器效率测量的方法如下在准稳态条件下，测量太阳直接辐射强度、定日镜的效率以及空气耗散系数，通过 太阳直接辐射强度、定日镜面积、定日镜效率、1减去空气耗散系数和入射角余弦的乘积计 算出投入吸热器的投入辐射总能量，采用测量通过吸热器的流量和空气经过吸热器后的温 度以及测量自然空气的温度，通过密度、比热、流量以及吸热器前后的温度差的乘积计算吸 热器的有效吸收热量，采用吸热器的有效吸收热量除以吸热器的投入辐射总能量得到吸热 器在不同投入吸热器辐射能和空气流速下的效率；吸热器的阻力测量的方法如下使通过设置在吸热器后的压力传感器 检测得到压力信号，通过测量压力值与大 气压力值作差即是吸热器的阻力。塔式太阳能热发电高温空气碳化硅陶瓷吸热器温度场动态预测方法，包括吸热器 容积对流换热系数的测量和温度场动态预测方法，容积对流换热系数的测量与温度场预测 及吸热器正反面温度场测量耦合进行；其中吸热器容积对流换热系数的测量的方法如下在准稳态条件下，改变引风机电机频率调节引风量从而控制通过吸热器空气的流 速，测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用计算传 热学方法和最小二乘法迭代计算容积对流换热系数；吸热器的非稳态温度场预测的方法如下采用时间渐进的计算传热学方法计算， 时间间隔为0. 5秒，在空气流动方向上的网格数为50，其中吸热面温度及其反面温度采用 测试系统动态测试的数据作为初始和边界条件，动态温度场计算后，同时可得到温度变化 率的最大值，也同时通过温度变化率与固体骨架的导热系数乘积得到热应力的软参数。塔式太阳能热发电高温空气碳化硅陶瓷吸热器防烧毁保护方法，其特征在于采用 对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值，即分别设置参 数的最大值，如果吸热器表面温度值高于1250°C，而该温度变化率超过50°C /分钟或温度 在空气流向的变化率超过200°C /cm则报警，同时通过调频电机控制通过吸热器的空气流 量，使吸热器表面温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率在限值以内。
有益效果本发明公布的是一种太阳能空气吸热器测控系统及性能测试、温度动态预测及保 护方法，效率是通过测量太阳的投入辐射和有效吸收量，后采用有效吸收热量除以投入辐 射总能量得到；阻力通过吸热器后压力传感器检测值与大气压力值作差得到；容积对流换 热系数是测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用 计算传热学方法迭代计算容积换热系数。非稳态温度场采用时间渐进的计算传热学方法。 吸热器的保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限 值方法。系统包括调频电机、热电偶、压力传感器、太阳直接辐射与风速测量仪、空气温度传 感器、模拟量输入模块、模拟量输出�？�、远程接口�？�、远程通讯接口�？�、工控机、报警 器等。本发明的一种塔式热发电多孔介质吸热器在线测试系统，可以实现在线测量吸热器 的效率测量，可以在线预测吸热器内部的温度场以及温度的变化率，可以吸热器进行在线 的保护。总之该发明是实现吸热器性能、温度场的实时预测以及保护的系统及方法，并保证 了吸热器的可靠运行。
图1-塔式太阳能多孔陶瓷空气吸热器原理；图2-塔式太阳能多孔陶瓷空气吸热器的检测与控制系统。
具体实施例方式塔式太阳能高温空气碳化硅陶瓷吸热器工作过程如图1所示，碳化硅陶瓷吸热器 的吸热表面接受太阳的辐射能量后，通过导热形式在固体骨架中向内部传递，而空气穿过 多孔介质时，与多孔介质发生强制对流换热，空气被加热，温度上升，同时降低多孔介质固 体骨架温度，保护了吸热器的安全性。吸热器的阻力通过设置在吸热器前后的压力传感器 检测；吸热器的效率是在准稳态条件下，测量太阳直接辐射强度、定日镜的效率以及空气耗 散系数计算出投入吸热器的投入辐射总能量。采用测量通过吸热器的流量和空气经过吸热 器后的温度以及测量自然空气的温度，计算吸热器的有效吸收热量，采用吸热器的有效吸 收热量除以吸热器的投入辐射总能量得到吸热器在不同投入吸热器辐射能和空气流速下 的效率。在准稳态条件下，改变通过吸热器空气的流速，测量吸热器表面、反面的固体骨架 温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用计算传热学方法迭代计算容积换热系数，计 算的容积对流换热系数为吸热器温度场的预测用。对于吸热器的非稳态温度场采用时间渐 进的计算传热学方法计算，得到动态温度场和温度变化率的最大值，也可以计算得到热应 力的最大值，用于对吸热器的保护。吸热器的保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以 及温度在空气流向的变化率设置限值，如果任一量超过限值则报警，同时通过调频电机控 制通过吸热器的空气流量，使吸热器表面温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率 在限值以内。多孔陶瓷高温空气吸热器的温度场和流场可以简化为一沿着空气流动方向的一 维简化模型，假设①空气和固体骨架物性参数均为常数；②孔隙率各向同性、均勻；③空 气在多孔介质内为不可压缩流动。这样沿流动方向的质量方程为
Pf为流体密度，τ为时间。对于多孔介质内部的泡沫陶瓷的传热，采用基于非局部热平衡的双方程模型，即 分别建立气相和固相的能量方程气相能量方程为 固相能量方程为(1 - ApsCs ^ = (^) - hv (Ts - Tf )(3)其中λ f>eff为流体的有效导热系数，λ f,rff = ε Af, Af为流体的导热系数；λ s, eff为固体的有效导热系数，λ s,eff = (1- ε ) λ s，λ s为固体骨架的导热系数；hv为流体与多 孔介质骨架间的体积对流换热系数，由下列关系式确定hv = hsf α sf (4)hsf为多孔介质内流体和固体骨架的表面换热系数，w/(m2. k)，α #为多孔介质的比 面，1/m。hsf和α #模型的选择对传热过程计算精度非常重要，采用基于孔隙密度等参数的
容积换热系数模型 hsfdhNu =
λ
Nu = ClHppi'11 Rec2
Re= Λ
με
I
As2
s =
3π 0.0254
1 · 5 Tt ρρι
(5)
(6) (7)
(8)
(9)
α sf = 35. 7nPPIL 1461(10)ηΡΡΙ为多孔介质的孔隙密度，通常用1英寸长度的孔隙数表示；s为孔隙直径；dh为 水力直径。能量方程的边界条件和初始条件为
dTQTfX = O:^= -K 甜- λ/Μx = L:^ = 0,^- = 0
dx dxτ = 0, Tf = T = f ( τ , χ)
7
表面热流密度，通过投入的辐射强度和吸热器在该工况下的效率计算得到， Tf、Ts为每次迭代的初始温度。本发明所述检测系统如图2所示，测量系统的包括热电偶①和②、热电偶③和 ④、热电偶⑤和⑥、压力传感器⑦和⑧、压力传感器⑨、调频输入信号⑩、调频输出信号 、 太阳直接辐射与风速测量仪 、空气温度传感器和Θ、模拟量输入模块 、模拟量输 入�？� 、模拟量输出�？镺 、远程接口模块(子站) 、远程通讯接口�？镽S485 、 工控机@、报警器和压力传感器 。其中热电偶①和②，用于吸热表面固体骨架温度的 检测，类似的热电偶共15支，均勻布置在吸热表面的下层；热电偶③和④，用于吸热表面 反面固体骨架温度的检测，类似的热电偶共15支，均勻布置在吸热表面反面；热电偶⑤和 ⑥，是空气经吸热器后的温度；压力传感器⑦和⑧，检测空气流量孔板前后的压力，用于流 量的计算；压力传感器⑨，用于吸风机前负压的测量；调频输入信号⑩，调频电机调频信号 的输入；调频输出信号O，调频电机调频信号的输出，用于控制负压和经过吸热器的流量； 太阳直接辐射与风速测量仪 ，是用于太阳直接辐射强度以及自然风速的测量，是两个量 测量的一体化装置；空气温度传感器0>和(0)，是用于自然空气温度的测量；模拟量输入模 块 ，用于模拟量输入的接口�？椋荒Ｄ饬渴淙肽？� ，用于模拟量输入的接口�？椋荒Ｄ� 量输出�？� ，用于模拟量输出的接口�？椋辉冻探涌谀？�(子站)@，通过该�？椋梢� 把测量信号从塔顶通过通讯的方式传递到地面的集控室；远程通讯接口�？镽S485 ，检 测的信号与工控机的接口模块；工控机@ ,用于集中检测信号、运算、分析以及发出控制信 号；报警器(2)，特征是用于吸热器超温或者温度变化率超限时报警；压力传感器于吸热 器后压力的测量。吸热器效率测量在准稳态条件下，根据太阳直接辐射与风速测量仪 测量的太 阳直接辐射强度、定日镜的效率以及空气耗散系数计算出投入吸热器的投入辐射总能量。 采用孔板流量计测量通过吸热器的流量，采用热电偶⑤和⑥测量空气经过吸热器后的温 度，采用空气温度传感器O)和O)测量自然空气的温度，计算吸热器的有效吸收热量。采用 吸热器的有效吸收热量除以吸热器的投入辐射总能量得到吸热器在不同投入吸热器辐射 能和空气流速下的效率，后采用最小二乘法得到吸热器效率关于投入吸热器辐射能和空气 流速的函数关系式。准确容积对流换热系数检测与计算在准稳态条件下，通过变频调节引风机的功 率从而调节空气通过吸热器的流速，测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通 过吸热器前后的温度。采用计算传热学的控制容积法对模型(1)、(2)、(3)的稳态模型进行 离散，沿流体流动方向划分的网格数为50，采用高斯赛德尔方法对不同的容积对流换热系 数进行迭代求解，得到的吸热器表面温度与反面温度与测量的温度误差在0.5%以内时为 收敛。对不同工况下的容积对流换热系数采用最小二乘方法对模型(6)中的C1和C2进行 拟合，得出系数C1和c2，即得到准确的容积对流换热系数模型。吸热器动态温度场预测与测量对于吸热器的非稳态温度场计算，对模型(1)、 (2)和(3)采用时间渐进方法计算，计算时间间隔Δ τ = 0.05s，每次温度递推时，初始温 度场中吸热表面温度和吸热表面的反面采用温度传感器检测的数据，而其它点的初始温度采用前一个时间点温度场的预测值。这样可以得到温度变化率的最大值，从而可以得到热 应力的最大值，用于对吸热器的保护。吸热器阻力的测量采用吸热器后布置的压力传感器 测量得到的值与大气压 力的差即为吸热器的阻力。吸热器保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化 率设置限值，如果任一量超过限值则报警，同时通过调频电机控制通过吸热器的空气流量， 使吸热器表面温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率在限值以内。本发明太阳能塔式高温陶瓷空气吸热器性能没有衡量的标准，利用碳化硅材料制 作的太阳能塔式高温空气吸热器的可靠性和耐久性差。发明了通过对吸热器热工参数的检 测与控制的方法来对吸热器进行检测和保护。发明了吸热器的阻力测量方法；发明了塔式 高温空气吸热器的效率测量方法；发明了塔式高温空气吸热器的容积对流换热系数的测试 与计算方法；发明了基于塔式高温空气吸热器动态温度场的计算方法，得到动态温度场和 温度变化率的最大值，从而得到热应力的最大值，用于对吸热器的保护；吸热器的保护采用 对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值的方法来实现， 并通过调频电机控制通过吸热器的空气流量来控制吸热器的温度以及温度变化率。
权利要求
一种太阳能空气吸热器测控系统，其特征在于包括调频电机、六个热电偶①～⑥、三个压力传感器⑦～⑨、太阳直接辐射与风速测量仪两个空气温度传感器两个模拟量输入模块模拟量输出�？樵冻探涌谀？樵冻掏ㄑ督涌谀？楣た鼗ň骱脱沽Υ衅髌渲腥鹊缗饥俸廷冢糜谖绕鞅砻婀烫骞羌芪露鹊募觳猓炔贾迷谖绕鞅砻娴南虏悖蝗鹊缗饥酆廷埽糜谖缺砻娣疵婀烫骞羌芪露鹊募觳猓炔贾迷谖缺砻娴姆疵妫蝗鹊缗饥莺廷蓿糜诩觳饪掌绕骱蟮奈露龋谎沽Υ衅鳍吆廷啵糜诩觳饪掌髁靠装迩昂蟮难沽Γ糜诹髁康募扑悖谎沽Υ衅鳍幔糜谖缁案貉沟牟饬浚惶糁苯臃溆敕缢俨饬恳怯糜谔糁苯臃淝慷纫约白匀环缢俚牟饬浚豢掌露却衅骱陀糜谧匀豢掌露鹊牟饬浚荒Ｄ饬渴淙肽？榻邮昭沽Υ衅鳍摺崾涑龅难沽π藕拧⒌髌档缁涑龅牡髌凳淙胄藕泞�、太阳直接辐射与风速测量仪输出的辐射强度与风速信号、空气温度传感器和输出的温度信号；模拟量输入模块接收热电偶①～⑥和压力传感器输出的温度和压力信号；模拟量输出�？槭涑龅髌凳涑鲂藕胖恋髌档缁辉冻探涌谀？榻Ｄ饬渴淙肽？槭涑龅牟饬啃藕磐ü冻掏ㄑ督涌谀？榇莸降孛娴墓た鼗⒔た鼗ü冻掏ㄑ督涌谀？榉⑺偷目刂菩藕欧⑺椭聊Ｄ饬渴涑瞿？楣た鼗糜诩屑觳庑藕�、运算、分析以及发出控制信号；报警器用于吸热器超温或者温度变化率超限时报警；压力传感器用于吸热器后压力的测量。FSA00000181317600011.tif,FSA00000181317600012.tif,FSA00000181317600013.tif,FSA00000181317600014.tif,FSA00000181317600015.tif,FSA00000181317600016.tif,FSA00000181317600017.tif,FSA00000181317600018.tif,FSA00000181317600019.tif,FSA000001813176000110.tif,FSA000001813176000111.tif,FSA000001813176000112.tif,FSA000001813176000113.tif,FSA000001813176000114.tif,FSA000001813176000115.tif,FSA000001813176000116.tif,FSA000001813176000117.tif,FSA000001813176000118.tif,FSA000001813176000119.tif,FSA000001813176000120.tif,FSA000001813176000121.tif,FSA000001813176000122.tif,FSA000001813176000123.tif,FSA000001813176000124.tif,FSA000001813176000125.tif,FSA000001813176000126.tif,FSA000001813176000127.tif,FSA000001813176000128.tif,FSA000001813176000129.tif,FSA000001813176000130.tif,FSA000001813176000131.tif
2.一种基于权利要求ι所述太阳能空气吸热器测控系统的太阳能空气吸热器性能测 试方法，其特征在于包括吸热器效率的测量和吸热器阻力的测量方法，其中吸热器效率测 量的方法如下在准稳态条件下，测量太阳直接辐射强度、定日镜的效率以及空气耗散系数，通过太阳 直接辐射强度、定日镜面积、定日镜效率、ι减去空气耗散系数和入射角余弦的乘积计算出 投入吸热器的投入辐射总能量，采用测量通过吸热器的流量和空气经过吸热器后的温度以 及测量自然空气的温度，通过密度、比热、流量以及吸热器前后的温度差的乘积计算吸热器 的有效吸收热量，采用吸热器的有效吸收热量除以吸热器的投入辐射总能量得到吸热器在 不同投入吸热器辐射能和空气流速下的效率；吸热器的阻力测量的方法如下使通过设置在吸热器前后的压力传感器检测得到压力信号，通过测得的吸热器前后压 力作差得到吸热器的阻力。
3.一种基于权利要求1所述太阳能空气吸热器测控系统的塔式太阳能热发电高温空 气碳化硅陶瓷吸热器温度场动态预测方法，其特征在于包括吸热器容积对流换热系数的测 量和温度场动态预测方法，容积对流换热系数的测量与温度场预测及吸热器正反面温度场 测量耦合进行；其中吸热器容积对流换热系数的测量的方法如下在准稳态条件下，改变引风机电机频率调节引风量从而控制通过吸热器空气的流速， 测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用计算传热 学方法和最小二乘法迭代计算容积对流换热系数；吸热器的非稳态温度场预测的方法如下采用时间渐进的计算传热学方法计算，设置时间间隔为和在空气流动方向上的网格数，其中吸热面温度及其反面温度采用测试系统动 态测试的数据作为初始和边界条件，动态温度场计算后，同时可得到温度变化率的最大值， 也同时通过温度变化率与固体骨架的导热系数乘积得到热应力的软参数。
4. 一种基于权利要求1所述太阳能空气吸热器测控系统的塔式太阳能热发电高温空 气碳化硅陶瓷吸热器防烧毁保护方法，其特征在于采用对吸热器表面的温度、温度变化率 以及温度在空气流向的变化率设置限值，即分别设置参数的最大值，如果吸热器表面温度 值高于1250°C，而该温度变化率超过50°C /分钟或温度在空气流向的变化率超过200°C / cm则报警，同时通过调频电机控制通过吸热器的空气流量，使吸热器表面温度、温度变化率 以及温度在空气流向的变化率在限值以内。
全文摘要
本发明公布了一种太阳能空气吸热器测控系统及性能、温度预测及保护方法，系统包括调频电机、热电偶、压力传感器、太阳直接辐射与风速测量仪、空气温度传感器、模拟量输入�？�、模拟量输出�？�、远程接口�？�、远程通讯接口�？�、工控机、报警器。效率是测量太阳的投入辐射和有效吸收量，后采用有效吸收热量除以投入辐射总能量得到；阻力通过压力传感器检测；容积对流换热系数是测量吸热器表面、反面的固体骨架温度以及空气在通过吸热器前后的温度，采用计算传热学方法迭代计算容积换热系数。非稳态温度场采用时间渐进的计算传热学方法。吸热器的保护采用对吸热器表面的温度、温度变化率以及温度在空气流向的变化率设置限值方法。
文档编号G01M99/00GK101886846SQ20101021131
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者刘德有, 王志峰, 白凤武, 许昌, 郑源, 郭苏 申请人:河海大学
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