CN109856182A - 一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔盐吸热器单个管屏吸收率的测量方法和***，该***包括能流密度仿真子***、熔盐流量计、熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度测量装置、红外测温仪、风速与温度测量装置等。所述的测量方法如下：对某个待测管屏，假定吸收率α，熔盐吸热器正常运行时，通过能流密度仿真子***得出投射到该吸热器管屏上的能量Et，由此可得到该吸热器管屏接收的总能量αEt，通过红外测温仪得出吸热器管屏上的温度分布，加上所测得的环境风速和环境温度计算得到熔盐吸热器上的总散热损失L，通过熔盐流量计测量得到吸热器管屏内熔盐通量加上吸热器管屏进出口温度可计算得到单个吸热器管屏内熔盐实际吸收的能量Er，则所测的熔盐吸热器管屏吸收率α＝(Er+L)/Et。

Description

一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量方法和***
技术领域
本发明涉及太阳能塔式熔盐热发电***，特别涉及熔盐吸热器管屏吸收率的测量。
背景技术
太阳能高温热发电技术是太阳能规模利用的一个重要发展方向，对人类解决化石能源危机、空气污染等问题具有深远的意义。太阳能高温热发电有多种技术方向：根据聚焦方式的不同，可分为塔式、槽式、碟式三种方式。其中已经大规模商业化应用的主要有塔式与槽式。与槽式相比，塔式聚光比更高，可达到更高的使用温度，一般发电效率更高。另外，在储能方面，如果均采用熔盐蓄热，塔式的温度利用区间约为槽式的3倍，因此，塔式的储能成本更低。塔式采用的吸热器工质主要有水(水蒸汽)、熔盐、空气、液态金属等。熔盐可吸热储热一体化，目前国外熔盐电站已实现商业化运行，因此熔盐塔式太阳能电站将是未来太阳能热发电领域大规模商业化应用的一个重要方向。
熔盐吸热器是将太阳辐射能转化成熔盐热能的关键设备。为了提高熔盐吸热效率，在吸热器表面会镀上一层高吸收率涂层。现有成熟的熔盐吸热器涂层主要有Pyromark2500，该涂层的使用温度可达1000℃以上，经过严格工艺涂刷后的熔盐吸热器吸收率可达0.95以上。高的吸收率能够大幅度提高熔盐吸热器整体热效率，吸收率指标是熔盐吸热器核心指标之一。
熔盐吸热器涂层吸收率会随着使用年限的增加而降低，另外，长期户外运行的熔盐吸热器不可避免会遭受沾灰、磨损、冲蚀，从而导致吸收率的降低。另外，熔盐阀门由于密封性能下降等原因偶尔会发生漏盐事故并沾污吸热管屏受光面，吸热管也可能发生爆管事故沾污吸热管屏受光面，受污染的吸热管屏吸收率会快速下降，从而影响吸热效率。
测量熔盐吸热器管屏吸收率是一项重要且难度极大的工作。常规的测量仪器无法测量小管径、有一定曲率的吸热管吸收率；另外，高空、大面积测量作业也存在很大的安全风险和测量难度。因此，开发出一种操作简单的熔盐吸热器管屏吸收率测量方法是太阳能塔式熔盐热发电***中一项重要而紧迫的任务。
发明内容
本发明提供一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量方法和***。该测量方法和***能够间接测量熔盐吸热器单个管屏吸收率，从而为涂层更换周期以及吸热器效率计算提供准确依据。
本发明的技术方案如下：
一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量方法，该方法包括提供一测量***，所述***包括能流密度仿真子***、熔盐流量计、熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置、红外测温仪、风速与温度测量装置，其中，所述能流密度仿真子***用于计算得到投射到单个管屏的能量；通过所述熔盐流量计测量熔盐质量流量，通过所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置测量吸热器出口和入口熔盐温度进而得到熔盐焓值，所述熔盐流量计和所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏内熔盐吸收的能量；通过所述红外测温仪测量所测管屏受光侧壁面平均温度，通过所述风速与温度测量装置测量环境风速和温度，所述红外测温仪和所述风速与温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏的总散热损失；所述测量方法通过所述的投射到单个管屏的能量、管屏内熔盐吸收的能量以及管屏的总散热损失计算得到待测管屏的吸收率。
所述熔盐吸收的能量的计算公式如下：
其中为熔盐吸热器入口熔盐质量流量，由熔盐流量计测得；hout为吸热器出口熔盐焓值；hin为吸热器入口熔盐焓值，由熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置得到。
为了得到准确的熔盐吸收能量，需要保证熔盐流量以及吸热器进/出口熔盐温度相对稳定。为此，测试期间内熔盐流量的波动需小于15％，熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度的波动需小于15℃。
为了使镜场提供能量和散热损失保持相对稳定，考虑到镜场投射能量与直接辐射能量DNI、镜场可用率以及镜场效率有关，为此需要保证，测试期间DNI需要大于700KW/m2，且波动幅度不宜超过50KW/m2；测试期间镜场可用率大于90％；镜场效率一般在正午前后3h以内基本稳定，因此推荐测试时间段为正午前后3h以内。吸热器散热损失主要与风速有关，为了降低测试误差，测试期间风速需小于6m/s。
一般情况下，吸热器吸收能量越大，测试准确度越高，因此推荐测试期间吸热器吸收能量至少要维持在额定能量的85％以上。因此，测试时推荐镜面清洁度大于85％。
吸热塔阴影会大大降低某一个区域的镜场可投射能量，进而导致该区域对应的吸热器管屏的镜场可投射能量不满足测试要求，因此在吸热器管屏被吸热塔阴影遮挡时段，不测量该吸热器管屏吸收率。由于太阳位置随时间变动，因此，可通过调整测试时间段来测量所有吸热器管屏吸收率。
所述的能流密度仿真子***可计算得到投射到单个管屏的能量Et，计算公式如下：
Et＝DNI×S×N×ηt×ηcos×ηs×ηb×ηc×ηr×ηtruc
其中DNI为直接辐射能量，可通过DNI仪器直接测量；S为单个定日镜可反射太阳能面积；N为投射到所测管屏的总定日镜数；ηt为大气透射率；ηcos为余弦效率；ηs为阴影效率；ηb为遮挡效率；ηc为镜面清洁度；ηr为镜场反射率；ηtruc为所测管屏的截断效率。
其中大气透射率ηt、余弦效率ηcos、阴影效率ηs、遮挡效率ηb与截断效率ηtruc可通过成熟算法直接仿真计算，其主要的输入参数为镜场所有定日镜的坐标以及所测管屏的顶点坐标、镜面清洁度ηc与镜场反射率ηr需要测量给出。
一般情况下，余弦效率、阴影效率与遮挡效率可通过验证后的代码进行较为准确的仿真计算；镜面清洁度、镜场反射率需要通过测量得到；大气透射率与截断效率目前只能通过仿真计算得到，但其准确度很难验证，大气透射率与空气中的颗粒物以及气体成分有关，截断效率与定日镜平均误差相关，通过给定的参数进行计算时，往往体现出这两个效率整体偏大或偏小。
所述的总散热损失包括对流损失、辐射损失和导热损失。其中导热损失由于占比很小可以忽略。总散热损失的计算公式如下：
其中：h是对流换热系数，主要与环境风速以及所测管屏法向角度有关，需要实际测量，如果缺乏实测数据，当测试期间风速小于6m/s时对流换热系数可取10～60W/(m2K)之间的某一数值；A为所测管屏受光面积，单位m2；为所测管屏受光面平均温度，单位K，可通过红外测温仪直接测量；T0为环境温度，单位K；ε为所测管屏发射率，需由涂层生产厂家提供，无数据时可取0.90；σ为波尔兹曼常数。
所述待测管屏吸收率计算公式为：α＝(Er+L)/Et
所述的镜场各分项效率在仿真计算时不可避免会存在一定误差，从而导致吸收率测量结果存在一定误差。在此情况下，本发明所提供方法尤其适合测量熔盐吸热器管屏的相对吸收率。
本发明提供一种测量熔盐吸热器管屏的相对吸收率的方法，设定2个熔盐吸热器所测管屏的吸收率分别为α和α'，通过上述方法分别计算α和α'，之后通过α/α'计算这2个管屏的相对吸收率。如上所述，大气透射率与截断效率的仿真结果往往呈现出整体的偏大或偏小，但当两个吸收率相比时，这种计算误差就大大缩小了，从而可以较为准确地计算管屏的相对吸收率。
本发明还提供一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量***，所述***包括能流密度仿真子***、熔盐流量计、熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置、红外测温仪、风速与温度测量装置，其中，所述能流密度仿真子***用于计算得到投射到单个管屏的能量；所述熔盐流量计用于测量熔盐质量流量，所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置用于测量吸热器出口和入口熔盐温度进而得到焓值，所述熔盐流量计和所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏内熔盐吸收的能量；所述红外测温仪用来测量吸热器壁面温度，风速与温度测量装置分别用来测量环境风速和环境温度，所述红外测温仪和所述风速与温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏的总散热损失；通过所述的投射到单个管屏的能量、管屏内熔盐吸收的能量以及管屏的总散热损失能够计算得到待测管屏的吸收率。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供的测量方法和***能够间接测量熔盐吸热器单个管屏吸收率，从而为涂层更换周期以及吸热器效率计算提供准确依据。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为塔式太阳能热发电***的结构简图；
图2为外接式熔盐吸热器外形图；
图3为腔式熔盐吸热器外形图；
图4为单个管屏示意图；
图5为本发明实施例1的管屏吸收率的测量流程图；
附图标记：1.上防护层；2.吸热器管屏组合；3.下防护层；4.上熔盐集箱；5.吸热管；6.下熔盐集箱。
具体实施方式
本发明公开了一种熔盐吸热器单个管屏吸收率的测量方法和***，该***包括能流密度仿真子***，熔盐流量计，熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度测量装置、红外测温仪、风速与温度测量装置等。所述的测量方法如下：对某个待测管屏，假定吸收率α，熔盐吸热器正常运行时，通过能流密度仿真子***得出投射到该吸热器管屏上的能量Et，由此可得到该吸热器管屏接收的总能量αEt，通过红外测温仪得出吸热器管屏上的温度分布，加上所测得的环境风速和环境温度计算得到熔盐吸热器上的总散热损失L，通过熔盐流量计测量得到吸热器管屏内熔盐通量加上吸热器管屏进出口温度可计算得到单个吸热器管屏内熔盐实际吸收的能量Er。则所测的熔盐吸热器管屏吸收率α＝(Er+L)/Et。
为了更好地说明本发明，下面结合附图对本发明进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，塔式太阳能热电站通过驱动大量定日镜跟踪太阳光，使太阳光在位于吸热塔顶端的吸热器表面聚集，对吸热工质进行加热，使光能转换为热能，进而将热能转化为电能，实现太阳能热发电。
如图2所示，常规的外接式熔盐吸热器外部结构主要由上防护层(1)、吸热面板(2)和下防护层(3)组成。其中，吸热面板(2)围成360°，可以接收四周反射的太阳辐射能。
如图3所示为腔式熔盐吸热器外形图。一般腔式吸热器开口朝下，因此接收角度受一定限制。
如图4所示为单个管屏的示意图。单个管屏由上熔盐集箱(4)、吸热管组合(5)以及下熔盐集箱(6)等组成(管屏还包含电伴热、保温、烘箱以及支撑钢架等结构，图中未绘出)。熔盐可以从上熔盐集箱流入下熔盐集箱，也可以反向流动。通过熔盐集箱可以测量管屏进出口熔盐温度。
如图5所示为管屏吸收率的测量方法的方块图，包括方框S1、S2、S3和S4，其中，
步骤S1为：仿真投射到吸热器单个管屏上的能量Et；
步骤S2为：通过管屏受光侧壁面所测温度、环境风速和温度计算总散热损失L；
步骤S3为：通过管屏所测熔盐流量，进出口盐温计算管屏内熔盐实际吸收能量Er；
步骤S4为：根据步骤S1、S2、S3所得的参数，根据所列公式计算管屏吸收率。
其中，步骤S1具体包括：
根据如下计算公式计算：
Et＝DNI×S×N×ηt×ηcos×ηs×ηb×ηc×ηr×ηtruc
其中，DNI为直接辐射能量；S为单个定日镜可反射太阳能面积；N为投射到所测管屏的总定日镜数；ηt为大气透射率；ηcos为余弦效率；ηs为阴影效率；ηb为遮挡效率；ηc为镜面清洁度；ηr为镜场反射率；ηtruc为所测管屏的截断效率。
其中，
DNI可通过DNI测量仪直接测量；S和N可通过监控软件直接获取。
大气透射率、余弦效率、阴影效率和遮挡效率与截断效率可通过成熟算法直接仿真计算，其主要的输入参数为镜场所有定日镜的坐标以及所测管屏的顶点坐标；镜面清洁度与镜场反射率可通过相关仪器直接测量。
一般情况下，余弦效率、阴影效率和遮挡效率可通过验证后的代码进行较为准确的仿真计算；镜面清洁度、镜场反射率需要通过测量得到；大气透射率与截断效率目前只能通过仿真计算得到，但其准确度很难验证，大气透射率与空气中的颗粒物以及气体成分有关，截断效率与定日镜平均误差相关，通过给定的参数进行计算时，往往体现出这两个效率整体偏大或偏小。
步骤S2具体包括：
所述的总散热损失包括对流损失、辐射损失和导热损失。其中导热损失由于占比很小可以忽略。总散热损失的计算公式如下：
其中：h是对流换热系数，主要与环境风速以及所测管屏法向角度有关，需要实际测量，如果缺乏实测数据，当测试期间风速小于6m/s时对流换热系数可取10～60W/(m2K)之间的某一数值；A为所测管屏受光面积，单位m2；为所测管屏受光侧壁面平均温度，单位K，可通过红外测温仪直接测量；T0为环境温度，单位K；ε为所测管屏发射率，需由涂层生产厂家提供，无数据时可取0.90；σ为波尔兹曼常数。其中，
环境风速可由风速测量装置测得，环境温度可由温度测量装置测得，并且，所述风速测量装置和所述温度测量装置可以集成为一体或者分体设置。
步骤S3具体包括：
根据如下计算公式计算所述熔盐吸收的能量：
其中为熔盐吸热器入口熔盐质量流量，用熔盐流量计测得；hout为吸热器出口熔盐焓值；hin为吸热器入口熔盐焓值，由熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置测得。
为了得到准确的熔盐吸收能量，需要保证熔盐流量以及吸热器进/出口熔盐温度相对稳定。为此，测试期间内熔盐流量的波动需小于15％，熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度的波动需小于15℃。
为了使镜场提供能量和散热损失保持相对稳定，考虑到镜场投射能量与DNI、镜场可用率以及镜场效率有关，为此需要保证，测试期间DNI需要大于700KW/m2，且波动幅度不宜超过50KW/m2；测试期间镜场可用率大于90％；镜场效率一般在正午前后3h以内基本稳定，因此推荐测试时间段为正午前后3h以内。吸热器散热损失主要与风速有关，为了降低测试误差，测试期间风速需小于6m/s。
一般情况下，吸热器吸收能量越大，测试准确度越高，因此推荐测试期间吸热器吸收能量至少要维持在额定能量的85％以上。因此，测试时推荐镜面清洁度大于85％。
吸热塔阴影会大大降低某一个区域的镜场可投射能量，进而导致该区域对应的吸热器管屏的镜场可投射能量不满足测试要求，因此在吸热器管屏被吸热塔阴影遮挡时段，不测量该吸热器管屏吸收率。由于太阳位置随时间变动，因此，可通过调整测试时间段来测量所有吸热器管屏吸收率。
步骤S4包括：
根据所示计算公式计算管屏吸收率：α＝(Er+L)/Et
特别地，由于所述的镜场各分项效率在仿真计算时不可避免会存在一定误差，从而导致吸收率测量结果存在一定误差。在此情况下，本发明所提供方法尤其适合测量熔盐吸热器管屏的相对吸收率。
本实施例提供的一种测量熔盐吸热器管屏的相对吸收率的方法，具体为：设定2个熔盐吸热器所测管屏的吸收率分别为α和α'，通过上述方法分别计算α和α'，之后通过α/α'计算这2个管屏的相对吸收率。诚然如上所述，大气透射率与截断效率的仿真结果往往呈现出整体的偏大或偏小，但当两个吸收率相比时，这种计算误差就大大缩小了，从而可以较为准确地计算管屏的相对吸收率。
实施例2
本实施例提供一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量***，所述***包括能流密度仿真子***、熔盐流量计、熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置、红外测温仪、风速与温度测量装置，其中，所述能流密度仿真子***用于计算得到投射到单个管屏的能量；所述熔盐流量计用于测量熔盐质量流量，所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置用于测量吸热器出口和入口熔盐焓值，所述熔盐流量计和所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏内熔盐吸收的能量；所述红外测温仪用来测量吸热器壁面温度，风速与温度测量装置分别用来测量环境风速和环境温度，所述红外测温仪和所述风速与温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏的总散热损失；通过所述的投射到单个管屏的能量、管屏内熔盐吸收的能量以及管屏的总散热损失能够计算得到待测管屏的吸收率。
本发明提供的测量方法和***能够间接测量熔盐吸热器单个管屏吸收率，从而为涂层更换周期以及吸热器效率计算提供准确依据。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量方法，其特征在于，包括：
提供一测试***，所述测试***包括能流密度仿真子***、熔盐流量计、熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度测量装置、红外测温仪、风速与温度测量装置；
通过所述能流密度仿真子***计算得到投射到单个管屏的能量，
通过所述熔盐流量计测量熔盐质量流量，通过所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置测量吸热器出口和入口温度进而得到熔盐焓值，通过熔盐流量计、熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度测量装置所测数据计算得到管屏内熔盐吸收的能量；
通过所述红外测温仪测量所测管屏受光侧壁面平均温度，通过所述风速与温度测量装置测量环境风速和温度，通过红外测温仪、风速与温度测量装置所测数据计算得到管屏的总散热损失；
通过所述的投射到单个管屏的能量、管屏内熔盐吸收的能量以及管屏的总散热损失计算得到管屏的吸收率。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述管屏内熔盐吸收的能量计算公式如下：
其中，为熔盐吸热器入口熔盐质量流量，通过所述熔盐流量计测得；hout为吸热器出口熔盐焓值，hin为吸热器入口熔盐焓值，两者均通过所述熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度测量装置得到。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对测试环境有如下要求：测试期间直接辐射能量需要大于700KW/m2且需保持基本稳定；测试期间风速需小于6m/s。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对测试数据的稳定性有如下要求：测试期间内，熔盐流量的波动需小于15％，熔盐吸热器管屏进出口熔盐温度的波动需小于15℃。
5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述能流密度仿真子***使用如下计算公式计算得到投射到单个管屏的能量：
Et＝DNI×S×N×ηt×ηcos×ηs×ηb×ηc×ηr×ηtruc
其中，DNI为直接辐射能量，S为单个定日镜可反射太阳能面积；N为投射到所测管屏的总定日镜数；ηt为大气透射率；ηcos为余弦效率；ηs为阴影效率；ηb为遮挡效率；ηc为镜面清洁度；ηr为镜场反射率；ηtruc为所测管屏的截断效率；
其中大气透射率ηt、余弦效率ηcos、阴影效率ηs、遮挡效率ηb与截断效率ηtruc通过成熟算法直接仿真计算，其主要的输入参数为镜场所有定日镜的坐标以及所测管屏的四角顶点坐标，DNI通过DNI测量仪直接测量；投射到所测管屏的总定日镜数N通过监控软件直接读取；镜面清洁度ηc与镜场反射率ηr为测量得出。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，对镜面清洁度ηc有如下要求：镜面清洁度大于85％。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述的能流密度仿真子***必须考虑吸热塔阴影的影响，在吸热器管屏被吸热塔阴影遮挡时段，不测量该吸热器管屏吸收率。
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述总散热损失的计算公式如下：
其中：h是对流换热系数，主要与环境风速以及所测管屏法向角度有关，需要实际测量，如果缺乏实测数据，所述测试期间风速需小于6m/s，此时对流换热系数可取10～60W/(m2K)之间的某一数值；A为所测管屏受光面积，单位m2；为所测管屏受光侧壁面平均温度，单位K，其通过红外测温仪直接测量；T0为环境温度，单位K；ε为所测管屏发射率，由涂层生产厂家提供，或无数据时可取0.90；σ为波尔兹曼常数。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，通过如下公式计算所测管屏吸收率α：
α＝(Er+L)/Et。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法尤其适合测量熔盐吸热器管屏的相对吸收率：设定2个熔盐吸热器所测管屏的吸收率分别为α和α'，则这2个管屏的相对吸收率为α/α'。
11.一种熔盐吸热器管屏吸收率的测量***，其特征在于，所述***包括能流密度仿真子***、熔盐流量计、熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置、红外测温仪、风速与温度测量装置，其中，所述能流密度仿真子***用于计算得到投射到单个管屏的能量；所述熔盐流量计用于测量熔盐质量流量，所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置用于测量吸热器出口和入口熔盐温度，所述熔盐流量计和所述熔盐吸热器管屏进/出口熔盐温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏内熔盐吸收的能量；所述红外测温仪用于测管屏受光侧壁面平均温度，所述风速与温度测量装置用于测量环境风速与温度，所述红外测温仪测得的数据、所述风速与温度测量装置测得的数据用于计算得到管屏的总散热损失；通过所述的投射到单个管屏的能量、管屏内熔盐吸收的能量以及管屏的总散热损失能够计算得到待测管屏的吸收率。
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