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方案

本发明专利技术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、模拟量输入模块、模拟量输出模块、远程接口模块、远程通讯接口模块、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，本专利技术属于太阳能利用、热能动力以及自 动控制领域。
技术介绍
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。但是该专利技术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
技术实现思路
。
技术实现思路
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。专利技术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。技术方案本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案本专利技术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 量输入模块 ( 、模拟量输出模块 、远程接口模块 、远程通讯接口模块@、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；模拟量输入模块 ，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 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；模拟量输出模块Θ， 输出调频输出信号(Q)至调频电机；远程接口模块 ，将模拟量输入模块 ( 输出的测 量信号通过远程通讯接口模块Θ传递到地面的工控机@，并将工控机@通过远程通讯接 口模块Θ发送的控制信号发送至模拟量输出模块O ；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。有益效果本专利技术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、模拟量输出模块、远程接口模块、远程通讯接口模块、工控机、报警 器等。本专利技术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。总之该专利技术是实现吸热器性能、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。附图说明图1-塔式太阳能多孔陶瓷空气吸热器原理；图2-塔式太阳能多孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
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＊～＊、模拟量输出模块＊、远程接口模块＊、远程通讯接口模块＊、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，均匀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，均匀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；模拟量输入模块＊，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⑩、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；模拟量输出模块＊，输出调频输出信号＊至调频电机；远程接口模块＊，将模拟量输入模块＊～＊输出的测量信号通过远程通讯接口模块＊传递到地面的工控机＊，并将工控机＊通过远程通讯接口模块＊发送的控制信号发送至模拟量输出模块＊；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＊，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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许昌，刘德有，郑源，郭苏，白凤武，王志峰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]