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專利名稱：太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法，屬于太陽能熱利用領域。
背景技術：
現有的太陽能集熱器的測試標準是以穩態測試方法為基礎，測定內容包括集熱器的穩態或準穩態瞬時效率及集熱器熱損系數。穩態測試方法對氣象參數的要求很高。例如足夠高和穩定的輻射和嚴格穩定的環境溫度等(GB/T 4271-2000要求在測試周期內天氣晴朗，太陽輻照度在800W/m2以上，實驗周期內太陽輻照度的偏離值不超過平均值的±50W，集熱器周圍環境溫度的變化在測試期間不能超過平均值±1K。在集熱器的工作溫度范圍內至少取四個間隔均勻的工質進口溫度。其中一個應在環境空氣溫度的±3℃內)。由于室外測試氣象條件無法人為控制，測試的時間需要根據當地的氣象條件來定，在有的地區，由于氣候條件的限制，在某些季節測試根本無法進行。因而，采用該方法進行測試，有時周期會很長。
在實際中，集熱器大都是工作在動態的大氣環境中，與標準所規定的測試條件不符，用在穩態條件下得到的結果來預測動態工況的熱輸出會產生一定的誤差。為了能更快更準確的預測集熱器的熱性能和指導集熱器的設計，亟需研究一種太陽能集熱器熱性能的快速測試裝置及測試方法。

發明內容
本發明的目的是要提供一種太陽能集熱器熱性能快速測量裝置，利用戶外工作著的太陽能集熱器對輸入變量太陽輻照強度、環境溫度、集熱器入口溫度瞬時變化的響應確定相關的參數，之后利用已得到的參數與相應的數學模型和算法相結合實現對集熱器輸出的預測。
本發明另一目的是提供一種集熱器熱性能快速測量方法，它考慮了集熱器本身的熱容及集熱器內水的熱容所引起的熱延遲現象，使用傳遞函數法將集熱器的輸入和輸出連接起來，使方法更可行，更有效。
太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法是其測試臺的水箱(1)內有一擋板(30)，頂部連接補水管和一閘閥(3)，側面裝有溢流管(4)和熱交換器(5)，水箱(1)底部裝有泄水管和一閘閥(6)和一管路，依次連接閘閥(7)和水泵(8)，閘閥(9)，水箱(1)左側連接閘閥(10)和循環水泵(11)，同時又連接并列的旁通閥(12)，然后連接過濾器(13)、流量計(2)和針閥(14)，通過一觀察孔(15)連接于集熱器(16)的進口(17)，其出口(18)連接一放氣閥(19)和閘閥(20和21)后又接于水箱(1)。在進口(17)和出口(18)處安裝有測溫傳感器(27)(28)在集熱器平面一側的中間位置安裝一總日射表(24)，在同一平面內安裝一日冕(26)。在測試臺的附近安裝一風機(22)和風速儀(25)。在據測試臺15m內，據地面大于1m的范圍內安裝白色百葉箱(23)，內裝測環境溫度的溫度計(29)。集熱器的進口(17)和出口(18)都要做保溫。
打開數據采集儀；起動水箱(1)的水泵(8)以保證循環水泵(11)吸入口的壓力，使流量穩定，啟動循環水泵(11)調整調整旁通閥(12)和針閥(13)的開度，以使流量到設定值。
測量方法的理論模型按θ0(n)=Σm=0Nθi(n-m)h1(m)+Σm=0NG^(n-m)h2(m)+Σm=0Nθa(n-m)h3(m)]]>其中G^=G-G‾,θ^b=Tb-T‾b,θ^a=Ta-T‾a,θ‾i=Ti-T‾i,θ‾o=To-T‾o]]>G太陽輻照度，W/m2；Tb太陽能真空內玻璃管壁面的溫度，℃；Ti集熱器流體入口溫度，℃；Ta環境溫度，℃；To集熱器流體出口溫度，℃；G，Tb，Ti，Ta，To平衡狀態下G，Tb，Ti，Ta，To的值；n，m-n，m指變量在n，m-n，m時刻的值。
h1，h2，h3傳遞函數；太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法的優點是該裝置的溫度控制及測量單元利用鉑電阻溫度計測量流經集熱器的傳熱工質進、出口溫度，環境溫度。流量測量及控制單元是利用電磁流量計測量流經集熱器的傳熱工質的流量，利用針閥，旁通閥調節流量大小并使其保持穩定。太陽輻照度測量單元和跟蹤單元用于測定太陽直射輻射和散射輻射，調整集熱器的入射角度。數據采集系統可以采集并整理各項測量數據。由此來確定集熱器的熱性能。另外該測量方法考慮到了集熱器本身的熱容及集熱器內水的熱容所引起的熱延遲現象，且測試過程中太陽輻照，環境溫度及集熱器進口溫度均可變，因而測試更接近集熱器真實的工況。因而由此得到的結果更有效。


圖1太陽能集熱器熱性能快速測量裝置示意圖由圖1測試裝置的測試臺由傳熱工質強制循環單元，溫度控制單元，流量控制單元，溫度測量單元，流量測量單元，太陽輻射控制、測量單元，太陽位置跟蹤控制單元等7部分組成。
水箱(1)是型號140升，其內有一擋板(30)，頂部連接補水管和一閘閥(3)，水箱(1)側面裝有溢流管(4)和熱交換器(5)，水箱(1)底部裝有泄水管(帶一閘閥)(6)和管路其依次連接閘閥(7)水泵(8)和閘閥(9)，水箱(1)左側又連接一調節閥(10)再連接循環水泵(11)，又并列連接一旁通閥(12)，然后連接過濾器(13)、一流量控制閥(即針閥)(14)、和流量計(2)，經過觀察孔(15)連接于集熱器(16)的進口(17)，其出口(18)連接一放氣閥(19)和閘閥(20)，同時又并連另一閘閥(21)而連接于水箱(1)。
在進口(17)和出口(18)處安裝有測溫傳感器(27)(28)在集熱器平面一側的中間位置安裝一總日射表(24)，在同一平面內安裝一日冕(26)。在測試臺的附近安裝一風機(22)和風速儀(25)。在據測試臺15m內，據地面大于1m的范圍內安裝白色百葉箱(23)，內裝測環境溫度的溫度計(29)。集熱器的進口(17)和出口(18)都要做保溫。
溫度控制單元包括水箱(1)、補水管(3)及換熱器(5)。溫度測量單元包括鉑電阻溫度計(Pt100型)它用于測量集熱器(16)進口(17)，出口(18)的溫度，另一個用于測量環境溫度；流量測量單元包括電磁流量計(型號COPA-XE DE43F型)用于測量集熱器(16)的流量；流量控制單元包括針閥(14)用于調節流量，循環水泵(11)(型號Wilo-Star-RS 25/6)以及水泵(8)。太陽輻射控制及測量單元包括遮陽板(圖未表示)、總日射表(型號TBQ-2-B)用于測量落在集熱器(16)上的總的太陽輻射。太陽位置跟蹤控制單元包括日冕(26)旋轉臺架和量角規(圖未表示)。數據采集系統采用HP34970A型惠普采集儀。
理論建模是本發明最重要的部分，導出的新模型如下θ0(n)=Σm=0Nθi(n-m)h1(m)+Σm=0NG^(n-m)h2(m)+Σm=0Nθa(n-m)h3(m)]]>其中G^=G-G‾,θ^b=Tb-T‾b,θ^a=Ta-T‾a,θ‾i=Ti-T‾i,θ‾o=To-T‾o]]>G太陽輻照度，W/m2；Tb太陽能真空內玻璃管壁面的溫度，℃；Ti集熱器流體入口溫度，℃；Ta環境溫度，℃；To集熱器流體出口溫度，℃；G，Tb，Ti，Ta，To平衡狀態下G，Tb，Ti，Ta，To的值；n，m-n，m指變量在n，m-n，m時刻的值。
h1，h2，h3傳遞函數；本模型放寬了集熱器熱性能測試的室外條件，使得一年中適合測試的天數大大增加；降低了在集熱器熱性能測試中對輸入變量的控制要求，依據本模型在測試過程中除流經集熱器的流量需保持恒定外，其于輸入變量如太陽輻照度，集熱器流體入口溫度及環境溫度等均可任意變化。利用本模型可預測在不同的地區及不同氣象條件下集熱器產熱的效果。
具體實施例方式
開啟水箱(1)的水泵(8)使與水箱出口連接的一側水與擋板(30)頂平齊。保證系統循環水泵(11)吸入口壓力不變，有利于流量穩定，打開放氣閥(19)開啟循環水泵(11)，等到放氣閥(19)排出的水不帶氣時，就關閉放氣閥(19)。初調系統的流量到設定值(如果設定的流量比較小，可以調整旁通閥的開度)在進一步調節針閥(14)的開度來達到設定的流量，然后啟動數據采集儀(圖中未畫出)檢查各個傳感器的工作是否正常，過20分鐘檢查該系統的流量在這段時間內是否穩定在設定的流量范圍內，如果流量合適就可以開始實驗，否則應該重新調整流量。(這時也可用計算機控制自動調整流量到設定值)由于實驗要求包含盡可能的系統信息，在測試過程中要使落在集熱器(16)上太陽輻照強度，集熱器入口溫度的變化要盡可能大，所以在測試過程中每隔5～20分鐘要掀開(蓋上)遮光板(圖中未畫出)，而且要不停的打開(關上)換熱器(5)以調節集熱器入口溫度使它在不停的工作范圍內變化。
權利要求
1.一種太陽能集熱器熱性能快速測試裝置，其特征是，其測試臺的水箱(1)內有一擋板(30)，頂部連接補水管和一閘閥(3)，側面裝有溢流管(4)和熱交換器(5)，水箱(1)底部裝有泄水管和一閘閥(6)，依次連接閘閥(7)和水泵(8)，閘閥(9)，水箱(1)左側連接閘閥(10)和循環水泵(11)，同時又連接并列的旁通閥(12)，然后連接過濾器(13)、流量計(2)和針閥(14)，通過一觀察孔(15)連接于集熱器(16)的進口(17)，其出口(18)連接一放氣閥(19)和閘閥(20和21)后又接于水箱(1)，在進口(17)和出口(18)處安裝有測溫傳感器(27)(28)在集熱器平面一側的中間位置安裝一總日射表(24)，在同一平面內安裝一日冕(26)，在測試臺的附近安裝一風機(22)和風速儀(25)，在據測試臺15m內，據地面高不小于1m的范圍內安裝白色百葉箱(23)，內裝測量環境溫度的溫度計(29)，集熱器的進口(17)和出口(18)都要做保溫。
2.按權利要求1的測量裝置的測量方法，其特征是打開數據采集儀；起動水箱(1)的水泵(8)以保證循環水泵(11)吸入口的壓力，使流量穩定，啟動循環水泵(11)調整調整旁通閥(12)和針閥(13)的開度，以使流量到設定值。
3.根據權利要求2所述的測量方法，其特征是理論模型為θ0(n)=Σm=0Nθi(n-m)h1(m)+Σm=0NG^(n-m)h2(m)+Σm=0Nθa(n-m)h3(m)]]>其中G^=G-G‾,θ^b=Tb-T‾b,θ^a=Ta-T‾a,θ^i=Ti-T‾i,θ^o=To-T‾o]]>G太陽輻照度，W/m2；Tb太陽能真空內玻璃管壁面的溫度，℃；Ti集熱器流體入口溫度，℃；Ta環境溫度，℃；To集熱器流體出口溫度，℃；G，Tb，Ti，Ta，To平衡狀態下G，Tb，Ti，Ta，To的值；n，m-n，m指變量在n，m-n，m時刻的值。h1，h2，h3傳遞函數；
全文摘要
一種太陽能集熱器熱性能快速測量裝置及測量方法。該裝置的測試臺，其水箱底部連接泄水管和水泵，水箱側面裝有溢流管和熱交換器，水箱左側通過閘閥連接循環水泵和并列的旁通閥，然后接到過濾器、流量計和針閥，再連接到集熱器，集熱器的出口又連接一個放氣閥和兩個閘閥，其中一路再接于水箱。在集熱器附近安置風機，風速儀，白色百葉箱。在集熱器平面上安裝總日射表和日冕。利用上述系統可調整控制流量保持恒定。由數據采集儀采集有關流量、總輻射強度、集熱器進、出口溫度、環境溫度、風速。用日冕調整集熱器，使得太陽直射輻射與集熱器法線的夾角＜5°。測量方法主要考慮了真空集熱管的玻璃及集熱器內的金屬和水有較大的熱延遲。
文檔編號G01M99/00GK1808094SQ20051000221
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月18日 優先權日2005年1月18日
發明者王志峰, 侯宏娟 申請人:黃鳴