專利名稱：太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型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)預測及保護方法，本實用新型屬于太陽能利用、熱能動 力以及自動控制領域。
背景技術：
有效利用太陽能資源，對于緩解我國的能源問題、減少(X)2的排放量、保護生態(tài)環(huán) 境、確保經(jīng)濟發(fā)展過程中的能源持續(xù)穩(wěn)定供應等都將具有重大而深遠的意義。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，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)的熱點問 題。空氣吸熱器是布雷頓循環(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 撐結構等部件組成。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 斑造成材料熱應力破壞、空氣流動穩(wěn)定性差、系統(tǒng)復雜、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)電技術商業(yè)化進程的主要問題。碳化硅陶瓷材料是一種強度高、導熱率高、熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊能力強、抗高 溫氧化性能優(yōu)異的高性能結構陶瓷，將其制成具有三維網(wǎng)絡狀結構特征的泡沫材料，有利 于在其體內實現(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)有吸熱器技術面臨的技術難題，推動太陽能熱空氣發(fā)電技術的商用化進程。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計方法，可以為布蘭頓 循環(huán)提供高溫的空氣。但是該實用新型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方法。而這正是本專利的實用新型內容。

實用新型內容技術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準，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。實用新型吸熱器性能測試方法、吸熱器溫度動態(tài)預測方法和吸熱器的保護控制技術及 系統(tǒng)。技術方案本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案本實用新型太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)，包括調頻電機、六個熱電偶① ⑥、三 個壓力傳感器⑦ ⑨、太陽直接輻射與風速測量儀Θ、兩個空氣溫度傳感器、兩個 模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊 、遠程接口模塊 、遠程通訊接口模塊Θ、工 控機@、報警器<2)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，用于流量的計算；壓力傳感器⑨，用于吸 風機前負壓的測量；太陽直接輻射與風速測量儀 ，用于太陽直接輻射強度以及自然風速 的測量；空氣溫度傳感器Θ和(0)，用于自然空氣溫度的測量；模擬量輸入模塊0>，接收壓 力傳感器⑦ ⑨輸出的壓力信號、調頻電機輸出的調頻輸入信號⑩、太陽直接輻射與風速 測量儀 輸出的輻射強度與風速信號、空氣溫度傳感器O)和Θ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 ◎，輸出調頻輸出信號 至調頻電機；遠程接口模塊 ，將模擬量輸入模塊輸出的 測量信號通過遠程通訊接口模塊Θ傳遞到地面的工控機 ，并將工控機 通過遠程通訊 接口模塊Θ發(fā)送的控制信號發(fā)送至模擬量輸出模塊G ；工控機 ，用于集中檢測信號、運 算、分析以及發(fā)出控制信號；報警器(3),用于吸熱器超溫或者溫度變化率超限時報警；壓力 傳感器 ，用于吸熱器后壓力的測量。有益效果本實用新型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)預測 及保護方法，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， 采用計算傳熱學方法迭代計算容積換熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)溫度場采用時間漸進的計算傳熱學方 法。吸熱器的保護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 置限值方法。系統(tǒng)包括調頻電機、熱電偶、壓力傳感器、太陽直接輻射與風速測量儀、空氣溫 度傳感器、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、遠程接口模塊、遠程通訊接口模塊、工控機、 報警器等。本實用新型的一種塔式熱發(fā)電多孔介質吸熱器在線測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在線測 量吸熱器的效率測量，可以在線預測吸熱器內部的溫度場以及溫度的變化率，可以吸熱器 進行在線的保護。總之該實用新型是實現(xiàn)吸熱器性能、溫度場的實時預測以及保護的系統(tǒng) 及方法，并保證了吸熱器的可靠運行。

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)。
具體實施方式
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，通過導熱形式在固體骨架中向內部傳遞，而空氣穿過 多孔介質時，與多孔介質發(fā)生強制對流換熱，空氣被加熱，溫度上升，同時降低多孔介質固 體骨架溫度，保護了吸熱器的安全性。吸熱器的阻力通過設置在吸熱器前后的壓力傳感器 檢測；吸熱器的效率是在準穩(wěn)態(tài)條件下，測量太陽直接輻射強度、定日鏡的效率以及空氣耗 散系數(shù)計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，采用計算傳熱學方法迭代計算容積換熱系數(shù)，計 算的容積對流換熱系數(shù)為吸熱器溫度場的預測用。對于吸熱器的非穩(wěn)態(tài)溫度場采用時間漸 進的計算傳熱學方法計算，得到動態(tài)溫度場和溫度變化率的最大值，也可以計算得到熱應 力的最大值，用于對吸熱器的保護。吸熱器的保護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置限值，如果任一量超過限值則報警，同時通過調頻電機控 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。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 氣在多孔介質內為不可壓縮流動。這樣沿流動方向的質量方程為
權利要求1. 一種太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)，其特征在于包括調頻電機、六個熱電偶① ⑥、 三個壓力傳感器⑦ ⑨、太陽直接輻射與風速測量儀 、兩個空氣溫度傳感器Θ Θ、兩 個模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊Θ、遠程接口模塊ο、遠程通訊接口模塊 、 工控機 、報警器@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，用于流量的計算；壓力傳感器⑨，用于 吸風機前負壓的測量；太陽直接輻射與風速測量儀 ，用于太陽直接輻射強度以及自然風 速的測量；空氣溫度傳感器和(Q)，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、調頻電機輸出的調頻輸入信號⑩、太陽直接輻射與風 速測量儀 輸出的輻射強度與風速信號、空氣溫度傳感器Θ和Θ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 ，輸出調頻輸出信號 至調頻電機；遠程接口模塊@，將模擬量輸入模塊輸出 的測量信號通過遠程通訊接口模塊 傳遞到地面的工控機@，并將工控機@通過遠程通 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 ;工控機@，用于集中檢測信號、 運算、分析以及發(fā)出控制信號；報警器Θ，用于吸熱器超溫或者溫度變化率超限時報警；壓 力傳感器 ，用于吸熱器后壓力的測量。
專利摘要本實用新型公布了一種太陽能空氣吸熱器測控系統(tǒng)，系統(tǒng)包括調頻電機、熱電偶、壓力傳感器、太陽直接輻射與風速測量儀、空氣溫度傳感器、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、遠程接口模塊、遠程通訊接口模塊、工控機、報警器。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，采用計算傳熱學方法迭代計算容積換熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)溫度場采用時間漸進的計算傳熱學方法。吸熱器的保護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置限值方法。
文檔編號F24J2/40GK201897335SQ20102024047
公開日2011年7月13日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日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