專利名稱：太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)及性能、溫度預(yù)測及保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是針對一種太陽能塔式熱發(fā)電用的高溫空氣吸熱器，該吸熱器通過多孔介 質(zhì)吸收鏡場投射的輻射能并加熱空氣至高溫，采用吸熱器的工作原理的太陽能空氣吸熱器 測控系統(tǒng)及性能測試、溫度動態(tài)預(yù)測及保護(hù)方法，本發(fā)明屬于太陽能利用、熱能動力以及自 動控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
有效利用太陽能資源，對于緩解我國的能源問題、減少CO2的排放量、保護(hù)生態(tài)環(huán) 境、確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的能源持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)等都將具有重大而深遠(yuǎn)的意義。而太陽能發(fā) 電目前主要有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電量兩大類。而在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中，基于高溫空氣布雷頓循環(huán)具有熱力循環(huán)溫度高和發(fā)電 效率高的優(yōu)點(diǎn)，使得高溫空氣吸熱器的研究一直是高聚光比的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱點(diǎn)問 題?？諝馕鼰崞魇遣祭最D循環(huán)系統(tǒng)中最重要的部分，主要由吸熱體、空氣流道、保溫層和支 撐結(jié)構(gòu)等部件組成。由于太陽能聚光能流密度的不均勻性和不穩(wěn)定性造成的吸熱體局部熱 斑造成材料熱應(yīng)力破壞、空氣流動穩(wěn)定性差、系統(tǒng)復(fù)雜、大容量情況下系統(tǒng)可靠性和耐久性 不高等是目前制約布雷頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程的主要問題。碳化硅陶瓷材料是一種強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊能力強(qiáng)、抗高 溫氧化性能優(yōu)異的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷，將其制成具有三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)特征的泡沫材料，有利 于在其體內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效熱量交換。將高性能泡沫碳化硅陶瓷用于空氣吸熱器的研制，有望解 決現(xiàn)有吸熱器技術(shù)面臨的技術(shù)難題，推動太陽能熱空氣發(fā)電技術(shù)的商用化進(jìn)程。專利號為200710099039. 3的專利“一種碳化硅泡沫陶瓷太陽能空氣吸熱器”公開 了利用碳化硅泡沫陶瓷研制塔式太陽能熱發(fā)電高溫空氣吸熱器的設(shè)計(jì)方法，可以為布蘭頓 循環(huán)提供高溫的空氣。但是該發(fā)明沒有提供該吸熱器性能測試方法、熱工參數(shù)測試的平臺 以及吸熱器的保護(hù)方法。而這正是本專利的發(fā)明內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對太陽能塔式高溫陶瓷空氣吸熱器性能沒有衡量的標(biāo)準(zhǔn)，并且利用 碳化硅材料制作的太陽能塔式高溫空氣吸熱器由于太陽能聚光能流密度不穩(wěn)定造成的吸 熱體材料的熱應(yīng)力破壞、空氣流動穩(wěn)定性差，從而在大容量下系統(tǒng)的可靠性和耐久性差問 題。發(fā)明吸熱器性能測試方法、吸熱器溫度動態(tài)預(yù)測方法和吸熱器的保護(hù)控制技術(shù)及系統(tǒng)。技術(shù)方案本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)，包括調(diào)頻電機(jī)、六個(gè)熱電偶① ⑥、三個(gè)壓 力傳感器⑦ ⑨、太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀 、兩個(gè)空氣溫度傳感器(Q)~(Q)、兩個(gè)模擬 量輸入模塊 ( 、模擬量輸出模塊 、遠(yuǎn)程接口模塊 、遠(yuǎn)程通訊接口模塊@、工控機(jī) @、報(bào)警器@和壓力傳感器其中熱電偶①和②，用于吸熱器表面固體骨架溫度的檢測， 均勻布置在吸熱器表面的下層；熱電偶③和④，用于吸熱表面反面固體骨架溫度的檢測，均勻布置在吸熱表面的反面；熱電偶⑤和⑥，用于檢測空氣經(jīng)吸熱器后的溫度；壓力傳感器 ⑦和⑧，用于檢測空氣流量孔板前后的壓力，用于流量的計(jì)算；壓力傳感器⑨，用于吸風(fēng)機(jī) 前負(fù)壓的測量；太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀 ，用于太陽直接輻射強(qiáng)度以及自然風(fēng)速的測 量；空氣溫度傳感器 和 ，用于自然空氣溫度的測量；模擬量輸入模塊 ，接收壓力傳 感器⑦ ⑨輸出的壓力信號、調(diào)頻電機(jī)輸出的調(diào)頻輸入信號 、太陽直接輻射與風(fēng)速測量 儀 輸出的輻射強(qiáng)度與風(fēng)速信號、空氣溫度傳感器和(Q)輸出的溫度信號；模擬量輸入 模塊，接收熱電偶① ⑥和壓力傳感器 輸出的溫度和壓力信號；模擬量輸出模塊Θ， 輸出調(diào)頻輸出信號(Q)至調(diào)頻電機(jī)；遠(yuǎn)程接口模塊 ，將模擬量輸入模塊 ( 輸出的測 量信號通過遠(yuǎn)程通訊接口模塊Θ傳遞到地面的工控機(jī)@，并將工控機(jī)@通過遠(yuǎn)程通訊接 口模塊Θ發(fā)送的控制信號發(fā)送至模擬量輸出模塊O ；工控機(jī)@，用于集中檢測信號、運(yùn)算、 分析以及發(fā)出控制信號；報(bào)警器(2)，用于吸熱器超溫或者溫度變化率超限時(shí)報(bào)警；壓力傳 感器 ，用于吸熱器后壓力的測量。太陽能空氣吸熱器性能測試方法，包括吸熱器效率的測量和吸熱器阻力的測量方 法，其中吸熱器效率測量的方法如下在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，測量太陽直接輻射強(qiáng)度、定日鏡的效率以及空氣耗散系數(shù)，通過 太陽直接輻射強(qiáng)度、定日鏡面積、定日鏡效率、1減去空氣耗散系數(shù)和入射角余弦的乘積計(jì) 算出投入吸熱器的投入輻射總能量，采用測量通過吸熱器的流量和空氣經(jīng)過吸熱器后的溫 度以及測量自然空氣的溫度，通過密度、比熱、流量以及吸熱器前后的溫度差的乘積計(jì)算吸 熱器的有效吸收熱量，采用吸熱器的有效吸收熱量除以吸熱器的投入輻射總能量得到吸熱 器在不同投入吸熱器輻射能和空氣流速下的效率；吸熱器的阻力測量的方法如下使通過設(shè)置在吸熱器后的壓力傳感器 檢測得到壓力信號，通過測量壓力值與大 氣壓力值作差即是吸熱器的阻力。塔式太陽能熱發(fā)電高溫空氣碳化硅陶瓷吸熱器溫度場動態(tài)預(yù)測方法，包括吸熱器 容積對流換熱系數(shù)的測量和溫度場動態(tài)預(yù)測方法，容積對流換熱系數(shù)的測量與溫度場預(yù)測 及吸熱器正反面溫度場測量耦合進(jìn)行；其中吸熱器容積對流換熱系數(shù)的測量的方法如下在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，改變引風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率調(diào)節(jié)引風(fēng)量從而控制通過吸熱器空氣的流 速，測量吸熱器表面、反面的固體骨架溫度以及空氣在通過吸熱器前后的溫度，采用計(jì)算傳 熱學(xué)方法和最小二乘法迭代計(jì)算容積對流換熱系數(shù)；吸熱器的非穩(wěn)態(tài)溫度場預(yù)測的方法如下采用時(shí)間漸進(jìn)的計(jì)算傳熱學(xué)方法計(jì)算， 時(shí)間間隔為0. 5秒，在空氣流動方向上的網(wǎng)格數(shù)為50，其中吸熱面溫度及其反面溫度采用 測試系統(tǒng)動態(tài)測試的數(shù)據(jù)作為初始和邊界條件，動態(tài)溫度場計(jì)算后，同時(shí)可得到溫度變化 率的最大值，也同時(shí)通過溫度變化率與固體骨架的導(dǎo)熱系數(shù)乘積得到熱應(yīng)力的軟參數(shù)。塔式太陽能熱發(fā)電高溫空氣碳化硅陶瓷吸熱器防燒毀保護(hù)方法，其特征在于采用 對吸熱器表面的溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化率設(shè)置限值，即分別設(shè)置參 數(shù)的最大值，如果吸熱器表面溫度值高于1250°C，而該溫度變化率超過50°C /分鐘或溫度 在空氣流向的變化率超過200°C /cm則報(bào)警，同時(shí)通過調(diào)頻電機(jī)控制通過吸熱器的空氣流 量，使吸熱器表面溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化率在限值以內(nèi)。
有益效果本發(fā)明公布的是一種太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)及性能測試、溫度動態(tài)預(yù)測及保 護(hù)方法，效率是通過測量太陽的投入輻射和有效吸收量，后采用有效吸收熱量除以投入輻 射總能量得到；阻力通過吸熱器后壓力傳感器檢測值與大氣壓力值作差得到；容積對流換 熱系數(shù)是測量吸熱器表面、反面的固體骨架溫度以及空氣在通過吸熱器前后的溫度，采用 計(jì)算傳熱學(xué)方法迭代計(jì)算容積換熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)溫度場采用時(shí)間漸進(jìn)的計(jì)算傳熱學(xué)方法。 吸熱器的保護(hù)采用對吸熱器表面的溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化率設(shè)置限 值方法。系統(tǒng)包括調(diào)頻電機(jī)、熱電偶、壓力傳感器、太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀、空氣溫度傳 感器、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、遠(yuǎn)程接口模塊、遠(yuǎn)程通訊接口模塊、工控機(jī)、報(bào)警 器等。本發(fā)明的一種塔式熱發(fā)電多孔介質(zhì)吸熱器在線測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在線測量吸熱器 的效率測量，可以在線預(yù)測吸熱器內(nèi)部的溫度場以及溫度的變化率，可以吸熱器進(jìn)行在線 的保護(hù)?？傊摪l(fā)明是實(shí)現(xiàn)吸熱器性能、溫度場的實(shí)時(shí)預(yù)測以及保護(hù)的系統(tǒng)及方法，并保證 了吸熱器的可靠運(yùn)行。


圖1-塔式太陽能多孔陶瓷空氣吸熱器原理；圖2-塔式太陽能多孔陶瓷空氣吸熱器的檢測與控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式塔式太陽能高溫空氣碳化硅陶瓷吸熱器工作過程如圖1所示，碳化硅陶瓷吸熱器 的吸熱表面接受太陽的輻射能量后，通過導(dǎo)熱形式在固體骨架中向內(nèi)部傳遞，而空氣穿過 多孔介質(zhì)時(shí)，與多孔介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)制對流換熱，空氣被加熱，溫度上升，同時(shí)降低多孔介質(zhì)固 體骨架溫度，保護(hù)了吸熱器的安全性。吸熱器的阻力通過設(shè)置在吸熱器前后的壓力傳感器 檢測；吸熱器的效率是在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，測量太陽直接輻射強(qiáng)度、定日鏡的效率以及空氣耗 散系數(shù)計(jì)算出投入吸熱器的投入輻射總能量。采用測量通過吸熱器的流量和空氣經(jīng)過吸熱 器后的溫度以及測量自然空氣的溫度，計(jì)算吸熱器的有效吸收熱量，采用吸熱器的有效吸 收熱量除以吸熱器的投入輻射總能量得到吸熱器在不同投入吸熱器輻射能和空氣流速下 的效率。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，改變通過吸熱器空氣的流速，測量吸熱器表面、反面的固體骨架 溫度以及空氣在通過吸熱器前后的溫度，采用計(jì)算傳熱學(xué)方法迭代計(jì)算容積換熱系數(shù)，計(jì) 算的容積對流換熱系數(shù)為吸熱器溫度場的預(yù)測用。對于吸熱器的非穩(wěn)態(tài)溫度場采用時(shí)間漸 進(jìn)的計(jì)算傳熱學(xué)方法計(jì)算，得到動態(tài)溫度場和溫度變化率的最大值，也可以計(jì)算得到熱應(yīng) 力的最大值，用于對吸熱器的保護(hù)。吸熱器的保護(hù)采用對吸熱器表面的溫度、溫度變化率以 及溫度在空氣流向的變化率設(shè)置限值，如果任一量超過限值則報(bào)警，同時(shí)通過調(diào)頻電機(jī)控 制通過吸熱器的空氣流量，使吸熱器表面溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化率 在限值以內(nèi)。多孔陶瓷高溫空氣吸熱器的溫度場和流場可以簡化為一沿著空氣流動方向的一 維簡化模型，假設(shè)①空氣和固體骨架物性參數(shù)均為常數(shù)；②孔隙率各向同性、均勻；③空 氣在多孔介質(zhì)內(nèi)為不可壓縮流動。這樣沿流動方向的質(zhì)量方程為
Pf為流體密度，τ為時(shí)間。對于多孔介質(zhì)內(nèi)部的泡沫陶瓷的傳熱，采用基于非局部熱平衡的雙方程模型，即 分別建立氣相和固相的能量方程氣相能量方程為 固相能量方程為(1 - ApsCs ^ = (^) - hv (Ts - Tf )(3)其中λ f>eff為流體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，λ f,rff = ε Af, Af為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；λ s, eff為固體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，λ s,eff = (1- ε ) λ s，λ s為固體骨架的導(dǎo)熱系數(shù)；hv為流體與多 孔介質(zhì)骨架間的體積對流換熱系數(shù)，由下列關(guān)系式確定hv = hsf α sf (4)hsf為多孔介質(zhì)內(nèi)流體和固體骨架的表面換熱系數(shù)，w/(m2. k)，α #為多孔介質(zhì)的比 面，1/m。hsf和α #模型的選擇對傳熱過程計(jì)算精度非常重要，采用基于孔隙密度等參數(shù)的
容積換熱系數(shù)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為多孔介質(zhì)的孔隙密度，通常用1英寸長度的孔隙數(shù)表示；s為孔隙直徑；dh為 水力直徑。能量方程的邊界條件和初始條件為
dTQTfX = O:^= -K 甜- λ/Μx = L:^ = 0,^- = 0
dx dxτ = 0, Tf = T = f ( τ , χ)
7
表面熱流密度，通過投入的輻射強(qiáng)度和吸熱器在該工況下的效率計(jì)算得到， Tf、Ts為每次迭代的初始溫度。本發(fā)明所述檢測系統(tǒng)如圖2所示，測量系統(tǒng)的包括熱電偶①和②、熱電偶③和 ④、熱電偶⑤和⑥、壓力傳感器⑦和⑧、壓力傳感器⑨、調(diào)頻輸入信號⑩、調(diào)頻輸出信號 、 太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀 、空氣溫度傳感器和Θ、模擬量輸入模塊 、模擬量輸 入模塊 、模擬量輸出模塊O 、遠(yuǎn)程接口模塊(子站) 、遠(yuǎn)程通訊接口模塊RS485 、 工控機(jī)@、報(bào)警器和壓力傳感器 。其中熱電偶①和②，用于吸熱表面固體骨架溫度的 檢測，類似的熱電偶共15支，均勻布置在吸熱表面的下層；熱電偶③和④，用于吸熱表面 反面固體骨架溫度的檢測，類似的熱電偶共15支，均勻布置在吸熱表面反面；熱電偶⑤和 ⑥，是空氣經(jīng)吸熱器后的溫度；壓力傳感器⑦和⑧，檢測空氣流量孔板前后的壓力，用于流 量的計(jì)算；壓力傳感器⑨，用于吸風(fēng)機(jī)前負(fù)壓的測量；調(diào)頻輸入信號⑩，調(diào)頻電機(jī)調(diào)頻信號 的輸入；調(diào)頻輸出信號O，調(diào)頻電機(jī)調(diào)頻信號的輸出，用于控制負(fù)壓和經(jīng)過吸熱器的流量； 太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀 ，是用于太陽直接輻射強(qiáng)度以及自然風(fēng)速的測量，是兩個(gè)量 測量的一體化裝置；空氣溫度傳感器0>和(0)，是用于自然空氣溫度的測量；模擬量輸入模 塊 ，用于模擬量輸入的接口模塊；模擬量輸入模塊 ，用于模擬量輸入的接口模塊；模擬 量輸出模塊 ，用于模擬量輸出的接口模塊；遠(yuǎn)程接口模塊(子站)@，通過該模塊，可以 把測量信號從塔頂通過通訊的方式傳遞到地面的集控室；遠(yuǎn)程通訊接口模塊RS485 ，檢 測的信號與工控機(jī)的接口模塊；工控機(jī)@ ,用于集中檢測信號、運(yùn)算、分析以及發(fā)出控制信 號；報(bào)警器(2)，特征是用于吸熱器超溫或者溫度變化率超限時(shí)報(bào)警；壓力傳感器于吸熱 器后壓力的測量。吸熱器效率測量在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，根據(jù)太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀 測量的太 陽直接輻射強(qiáng)度、定日鏡的效率以及空氣耗散系數(shù)計(jì)算出投入吸熱器的投入輻射總能量。 采用孔板流量計(jì)測量通過吸熱器的流量，采用熱電偶⑤和⑥測量空氣經(jīng)過吸熱器后的溫 度，采用空氣溫度傳感器O)和O)測量自然空氣的溫度，計(jì)算吸熱器的有效吸收熱量。采用 吸熱器的有效吸收熱量除以吸熱器的投入輻射總能量得到吸熱器在不同投入吸熱器輻射 能和空氣流速下的效率，后采用最小二乘法得到吸熱器效率關(guān)于投入吸熱器輻射能和空氣 流速的函數(shù)關(guān)系式。準(zhǔn)確容積對流換熱系數(shù)檢測與計(jì)算在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，通過變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的功 率從而調(diào)節(jié)空氣通過吸熱器的流速，測量吸熱器表面、反面的固體骨架溫度以及空氣在通 過吸熱器前后的溫度。采用計(jì)算傳熱學(xué)的控制容積法對模型(1)、(2)、(3)的穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行 離散，沿流體流動方向劃分的網(wǎng)格數(shù)為50，采用高斯賽德爾方法對不同的容積對流換熱系 數(shù)進(jìn)行迭代求解，得到的吸熱器表面溫度與反面溫度與測量的溫度誤差在0.5%以內(nèi)時(shí)為 收斂。對不同工況下的容積對流換熱系數(shù)采用最小二乘方法對模型(6)中的C1和C2進(jìn)行 擬合，得出系數(shù)C1和c2，即得到準(zhǔn)確的容積對流換熱系數(shù)模型。吸熱器動態(tài)溫度場預(yù)測與測量對于吸熱器的非穩(wěn)態(tài)溫度場計(jì)算，對模型(1)、 (2)和(3)采用時(shí)間漸進(jìn)方法計(jì)算，計(jì)算時(shí)間間隔Δ τ = 0.05s，每次溫度遞推時(shí)，初始溫 度場中吸熱表面溫度和吸熱表面的反面采用溫度傳感器檢測的數(shù)據(jù)，而其它點(diǎn)的初始溫度采用前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)溫度場的預(yù)測值。這樣可以得到溫度變化率的最大值，從而可以得到熱 應(yīng)力的最大值，用于對吸熱器的保護(hù)。吸熱器阻力的測量采用吸熱器后布置的壓力傳感器 測量得到的值與大氣壓 力的差即為吸熱器的阻力。吸熱器保護(hù)采用對吸熱器表面的溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化 率設(shè)置限值，如果任一量超過限值則報(bào)警，同時(shí)通過調(diào)頻電機(jī)控制通過吸熱器的空氣流量， 使吸熱器表面溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化率在限值以內(nèi)。本發(fā)明太陽能塔式高溫陶瓷空氣吸熱器性能沒有衡量的標(biāo)準(zhǔn)，利用碳化硅材料制 作的太陽能塔式高溫空氣吸熱器的可靠性和耐久性差。發(fā)明了通過對吸熱器熱工參數(shù)的檢 測與控制的方法來對吸熱器進(jìn)行檢測和保護(hù)。發(fā)明了吸熱器的阻力測量方法；發(fā)明了塔式 高溫空氣吸熱器的效率測量方法；發(fā)明了塔式高溫空氣吸熱器的容積對流換熱系數(shù)的測試 與計(jì)算方法；發(fā)明了基于塔式高溫空氣吸熱器動態(tài)溫度場的計(jì)算方法，得到動態(tài)溫度場和 溫度變化率的最大值，從而得到熱應(yīng)力的最大值，用于對吸熱器的保護(hù)；吸熱器的保護(hù)采用 對吸熱器表面的溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化率設(shè)置限值的方法來實(shí)現(xiàn)， 并通過調(diào)頻電機(jī)控制通過吸熱器的空氣流量來控制吸熱器的溫度以及溫度變化率。
權(quán)利要求
一種太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)，其特征在于包括調(diào)頻電機(jī)、六個(gè)熱電偶①～⑥、三個(gè)壓力傳感器⑦～⑨、太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀兩個(gè)空氣溫度傳感器兩個(gè)模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊遠(yuǎn)程接口模塊遠(yuǎn)程通訊接口模塊工控機(jī)報(bào)警器和壓力傳感器其中熱電偶①和②，用于吸熱器表面固體骨架溫度的檢測，均勻布置在吸熱器表面的下層；熱電偶③和④，用于吸熱表面反面固體骨架溫度的檢測，均勻布置在吸熱表面的反面；熱電偶⑤和⑥，用于檢測空氣經(jīng)吸熱器后的溫度；壓力傳感器⑦和⑧，用于檢測空氣流量孔板前后的壓力，用于流量的計(jì)算；壓力傳感器⑨，用于吸風(fēng)機(jī)前負(fù)壓的測量；太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀用于太陽直接輻射強(qiáng)度以及自然風(fēng)速的測量；空氣溫度傳感器和用于自然空氣溫度的測量；模擬量輸入模塊接收壓力傳感器⑦～⑨輸出的壓力信號、調(diào)頻電機(jī)輸出的調(diào)頻輸入信號⑩、太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀輸出的輻射強(qiáng)度與風(fēng)速信號、空氣溫度傳感器和輸出的溫度信號；模擬量輸入模塊接收熱電偶①～⑥和壓力傳感器輸出的溫度和壓力信號；模擬量輸出模塊輸出調(diào)頻輸出信號至調(diào)頻電機(jī)；遠(yuǎn)程接口模塊將模擬量輸入模塊輸出的測量信號通過遠(yuǎn)程通訊接口模塊傳遞到地面的工控機(jī)并將工控機(jī)通過遠(yuǎn)程通訊接口模塊發(fā)送的控制信號發(fā)送至模擬量輸出模塊工控機(jī)用于集中檢測信號、運(yùn)算、分析以及發(fā)出控制信號；報(bào)警器用于吸熱器超溫或者溫度變化率超限時(shí)報(bào)警；壓力傳感器用于吸熱器后壓力的測量。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
2.一種基于權(quán)利要求ι所述太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)的太陽能空氣吸熱器性能測 試方法，其特征在于包括吸熱器效率的測量和吸熱器阻力的測量方法，其中吸熱器效率測 量的方法如下在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，測量太陽直接輻射強(qiáng)度、定日鏡的效率以及空氣耗散系數(shù)，通過太陽 直接輻射強(qiáng)度、定日鏡面積、定日鏡效率、ι減去空氣耗散系數(shù)和入射角余弦的乘積計(jì)算出 投入吸熱器的投入輻射總能量，采用測量通過吸熱器的流量和空氣經(jīng)過吸熱器后的溫度以 及測量自然空氣的溫度，通過密度、比熱、流量以及吸熱器前后的溫度差的乘積計(jì)算吸熱器 的有效吸收熱量，采用吸熱器的有效吸收熱量除以吸熱器的投入輻射總能量得到吸熱器在 不同投入吸熱器輻射能和空氣流速下的效率；吸熱器的阻力測量的方法如下使通過設(shè)置在吸熱器前后的壓力傳感器檢測得到壓力信號，通過測得的吸熱器前后壓 力作差得到吸熱器的阻力。
3.一種基于權(quán)利要求1所述太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)的塔式太陽能熱發(fā)電高溫空 氣碳化硅陶瓷吸熱器溫度場動態(tài)預(yù)測方法，其特征在于包括吸熱器容積對流換熱系數(shù)的測 量和溫度場動態(tài)預(yù)測方法，容積對流換熱系數(shù)的測量與溫度場預(yù)測及吸熱器正反面溫度場 測量耦合進(jìn)行；其中吸熱器容積對流換熱系數(shù)的測量的方法如下在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，改變引風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率調(diào)節(jié)引風(fēng)量從而控制通過吸熱器空氣的流速， 測量吸熱器表面、反面的固體骨架溫度以及空氣在通過吸熱器前后的溫度，采用計(jì)算傳熱 學(xué)方法和最小二乘法迭代計(jì)算容積對流換熱系數(shù)；吸熱器的非穩(wěn)態(tài)溫度場預(yù)測的方法如下采用時(shí)間漸進(jìn)的計(jì)算傳熱學(xué)方法計(jì)算，設(shè)置時(shí)間間隔為和在空氣流動方向上的網(wǎng)格數(shù)，其中吸熱面溫度及其反面溫度采用測試系統(tǒng)動 態(tài)測試的數(shù)據(jù)作為初始和邊界條件，動態(tài)溫度場計(jì)算后，同時(shí)可得到溫度變化率的最大值， 也同時(shí)通過溫度變化率與固體骨架的導(dǎo)熱系數(shù)乘積得到熱應(yīng)力的軟參數(shù)。
4. 一種基于權(quán)利要求1所述太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)的塔式太陽能熱發(fā)電高溫空 氣碳化硅陶瓷吸熱器防燒毀保護(hù)方法，其特征在于采用對吸熱器表面的溫度、溫度變化率 以及溫度在空氣流向的變化率設(shè)置限值，即分別設(shè)置參數(shù)的最大值，如果吸熱器表面溫度 值高于1250°C，而該溫度變化率超過50°C /分鐘或溫度在空氣流向的變化率超過200°C / cm則報(bào)警，同時(shí)通過調(diào)頻電機(jī)控制通過吸熱器的空氣流量，使吸熱器表面溫度、溫度變化率 以及溫度在空氣流向的變化率在限值以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)及性能、溫度預(yù)測及保護(hù)方法，系統(tǒng)包括調(diào)頻電機(jī)、熱電偶、壓力傳感器、太陽直接輻射與風(fēng)速測量儀、空氣溫度傳感器、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、遠(yuǎn)程接口模塊、遠(yuǎn)程通訊接口模塊、工控機(jī)、報(bào)警器。效率是測量太陽的投入輻射和有效吸收量，后采用有效吸收熱量除以投入輻射總能量得到；阻力通過壓力傳感器檢測；容積對流換熱系數(shù)是測量吸熱器表面、反面的固體骨架溫度以及空氣在通過吸熱器前后的溫度，采用計(jì)算傳熱學(xué)方法迭代計(jì)算容積換熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)溫度場采用時(shí)間漸進(jìn)的計(jì)算傳熱學(xué)方法。吸熱器的保護(hù)采用對吸熱器表面的溫度、溫度變化率以及溫度在空氣流向的變化率設(shè)置限值方法。
文檔編號G01M99/00GK101886846SQ20101021131
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者劉德有, 王志峰, 白鳳武, 許昌, 鄭源, 郭蘇 申請人:河海大學(xué)