一种太阳能集热器热性能参数及循环流量测量装置和方法

摘要

本发明公开了属于太阳能集热技术领域的一种全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环流量测量装置和方法。该测量装置不需要使用复杂、昂贵的流量传感器，由第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、辐照计、数据记录处理模块组成；通过现场测量真空管内流体温度、集热器进出口温度、环境温度、集热器平面的辐照量、数据采集时间计算求得全玻璃真空管太阳能集热器的热损系数、有效得热系数和循环流量。测量过程简单方便，能够实现现场测量，具有很强的实用性和普遍性。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能集热技术领域，尤其是涉及一种全玻璃真空管太阳能集 热器热性能参数及循环流量测量装置和方法。

背景技术

全玻璃真空管太阳能集热器的热性能参数主要包括热损系数和有效得热系 数，采用实验台实验测量热性能参数具有局限性，其局限性主要体现在价格昂 贵；不能对现场的所有集热器完成热性能检测；无法反映实际现场的真实工况。 如果需要对某一工程规模应用中的太阳能集热器性能进行评价，考量其实用性、 经济性，就不能单纯依靠实验室的测量数据。

对于实际工程，加设流量传感器需与系统管道连接成一体，因而会增加系 统成本；另外，由于工程现场环境条件不佳，流量传感器容易由于堵塞问题而 损坏，进而造成测量数据的不准确；因此，采用加设流量传感器现场测量全玻 璃真空管太阳能集热器热损系数、有效得热系数及循环流量的方法具有很大的 缺陷。

本发明提出了一种太阳能集热器热性能参数及循环流量测量装置和方法， 不需要使用复杂、昂贵的流量传感器，其测量仪器仅由温度传感器、辐照计、 数据记录处理模块及显示屏组成。通过现场测量真空管内流体温度、集热器进 出口温度、环境温度、集热器平面的辐照量、数据采集时间获得并显示全玻璃 真空管太阳能集热器的热损系数、有效得热系数以及循环流量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环 流量测量装置和方法。

本发明提出一种全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环流量测量装 置，包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感 器、辐照计、数据记录处理模块、太阳能集热器、第一阀门、储热水箱、第二 阀门、循环水泵、第三阀门；其中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三 温度传感器、第四温度传感器、辐照计分别连接数据记录处理模块，数据记录 处理模块中连接有显示屏；太阳能集热器、第一阀门、储热水箱、第二阀门、 循环水泵、第三阀门通过连接管路相互连接，太阳能集热器的出口经由第一阀 门连接到储热水箱的入口，储热水箱的出口经由第二阀门连接到循环水泵的入 口，循环水泵的出口经由第三阀门连接到太阳能集热器的入口。

所述数据记录处理模块用于测量数据的记录、存储及处理计算，该模块中 连接有显示屏，将计算得到的太阳能集热器热性能参数及循环流量数据显示在 显示屏上。

本发明提出了一种基于全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环流量 测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1)采用温度传感器分别测量不同位置的温度值，第一温度传感器用于测量 环境温度，第二温度传感器和第三温度传感器分别用于测量集热器的进出口温 度，第四温度传感器用于测量真空管内流体温度；

2)辐照计固定在与集热器相同平面的支架上，通过辐照计测量得到集热器 平面的辐照量，同时记录获得以上数据的时间；

3)数据记录处理模块接收、存储、处理由步骤1)、2)测量得到的不同位 置的温度值和辐照量；

4)利用测量得到的真空管内流体温度、集热器进出口温度、环境温度和集 热器平面的辐照量、数据采集时间，计算并显示出全玻璃真空管太阳能集热器 的热损系数、有效得热系数和循环流量。

所述热损系数的测量是在没有太阳辐照的工况下进行的；第四温度传感器 和第一温度传感器测量获得的数据由与它们连接的数据记录处理模块(6)接收、 存储并处理；利用集热器内流体热平衡方程，通过数据处理求得热损系数，具 体公式如下：

$T_{f(t+\tau )}=(T_{f\left(t\right)}-T_{\mathrm{amb}})e^{-\frac{U}{C}\tau }+T_{\mathrm{amb}}$

$U=-C\ln \left(\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{f,\mathrm{amb}(t+\tau )}}{\Delta T_{f,\mathrm{amb}\left(t\right)}}\right)/\tau$

式中，T_f—真空管内流体的温度，℃；T_amb—环境温度，℃；τ—采温时间 间隔；t—采温时间；U—热损系数，W/℃；ΔT_f,amb—T_f与T_amb的温度差。

所述有效得热系数是在计算出热损系数的基础上求得的，有效得热系数的 测量是在有太阳辐照且水泵不开(手动关闭水泵)的工况下进行的；第四温度 传感器、第一温度传感器以及辐照计(5)测量获得的数据由数据记录处理模块 (6)接收、存储并处理；通过集热器内流体热平衡方程并利用测得的数据处理 后得出有效得热系数，具体公式如下：

$T_{f(t+\tau )}=(T_{f\left(t\right)}-\frac{{\mathrm{UT}}_{\mathrm{amb}}+k_{\mathrm{eff}}{I}_{\perp }}{U})e^{-\frac{U}{C}\tau }+\frac{{\mathrm{UT}}_{\mathrm{amb}}+k_{\mathrm{eff}}{I}_{\perp }}{U}$

$k_{\mathrm{eff}}=U(\frac{T_{f(t+\tau )}-T_{f\left(t\right)}{e}^{-\frac{U}{C}\tau }}{1-e^{-\frac{U}{C}\tau }}-T_{\mathrm{amb}})/I_{\perp }$

式中，T_f—真空管内流体的温度，℃；T_amb—环境温度，℃；τ—采温时间 间隔；t—采温时间；U—热损系数，W/℃；I_⊥—集热器平面的辐照量，W；k_eff— 有效得热系数。

所述循环流量是在得到热损系数和有效得热系数的基础上求得的，循环流 量的测量是在太阳能集热器水泵正常开启的时候进行的；第二温度传感器和第 三温度传感器分别测出集热器进出口温度，利用集热器内流体热平衡方程求得 流量及数据处理，具体公式如下：

G_m＝[k_effI_⊥-U(T_f-T_amb)]/[3600C_p(T_out-T_in)]

式中，T_f—真空管内流体的温度，℃；T_amb—环境温度，℃；U—热损系数， W/℃；I_⊥—集热器平面的辐照量，W；k_eff—有效得热系数；T_in、T_out—集热器的 进出口温度，℃；G_m—流过集热器的流体质流率，kg/h。

本发明的有益效果是该测量装置及方法摆脱了实验台测量的局限性，实现 了现场测量，具有很强的实用性和普遍性；不需要使用流量传感器，只需测量 记录温度传感器、辐照计及相应数据时间，降低了成本，具有很强的可行性； 数据测量完毕后测量装置能够从被测太阳能集热器系统中取走，测量过程简单 方便。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图；

图中标号：

1-第一温度传感器、2-第二温度传感器、3-第三温度传感器、4-第四温度传感器、 5-辐照计、6-数据记录处理模块、7-太阳能集热器、8-第一阀门、9-储热水箱、 10-第二阀门、11-循环水泵、12-第三阀门、13-连接管路。

具体实施方式

本发明提出一种全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环流量测量装 置和方法。下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明提出一种全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环流量测量装 置，图1所示为全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环流量测量装置示 意图，包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传 感器、辐照计、数据记录处理模块、太阳能集热器、第一阀门、储热水箱、第 二阀门、循环水泵、第三阀门；其中，第一温度传感器、第二温度传感器、第 三温度传感器、第四温度传感器、辐照计分别连接数据记录处理模块，第一温 度传感器用于测量环境温度，第二温度传感器和第三温度传感器分别用于测量 集热器的进出口温度，第四温度传感器用于测量真空管内流体温度，辐照计固 定在与集热器相同平面的支架上，用于测量集热器平面的辐照量，同时记录获 得以上数据的时间，数据记录处理模块用于测量数据的记录、存储及处理计算， 该模块中连接有显示屏，将计算得到的太阳能集热器热性能参数及循环流量数 据显示在显示屏上，太阳能集热器、第一阀门、储热水箱、第二阀门、循环水 泵、第三阀门通过连接管路相互连接，太阳能集热器的出口经由第一阀门连接 到储热水箱的入口，储热水箱的出口经由第二阀门连接到循环水泵的入口，循 环水泵的出口经由第三阀门连接到太阳能集热器的入口。

本发明提出了一种基于全玻璃真空管太阳能集热器热性能参数及循环流量 测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1)采用温度传感器分别测量不同位置的温度值，第一温度传感器用于测量 环境温度，第二温度传感器和第三温度传感器分别用于测量集热器的进出口温 度，第四温度传感器用于测量真空管内流体温度；

2)辐照计固定在与集热器相同平面的支架上，通过辐照计测量得到集热器 平面的辐照量，同时记录获得以上数据的时间；

3)数据记录处理模块接收、存储、处理由步骤1)、2)测量得到的不同位 置的温度值和辐照量；

4)利用测量得到的真空管内流体温度、集热器进出口温度、环境温度和集 热器平面的辐照量、数据采集时间，计算并显示出全玻璃真空管太阳能集热器 的热损系数、有效得热系数和循环流量。

其中，热损系数的测量是在没有太阳辐照的工况下进行的；第四温度传感 器和第一温度传感器测量获得的数据由与它们连接的数据记录处理模块(6)接 收、存储并处理；利用集热器内流体热平衡方程，通过数据处理求得热损系数， 具体公式如下：

$T_{f(t+\tau )}=(T_{f\left(t\right)}-T_{\mathrm{amb}})e^{-\frac{U}{C}\tau }+T_{\mathrm{amb}}$

$U=-C\ln \left(\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{f,\mathrm{amb}(t+\tau )}}{\Delta T_{f,\mathrm{amb}\left(t\right)}}\right)/\tau$

式中，T_f—真空管内流体的温度，℃；T_amb—环境温度，℃；τ—采温时间 间隔；t—采温时间；U—热损系数，W/℃；ΔT_f,amb—T_f与T_amb的温度差。

其中，有效得热系数是在计算出热损系数的基础上求得的，有效得热系数 的测量是在有太阳辐照且水泵不开(手动关闭水泵)的工况下进行的；第四温 度传感器、第一温度传感器以及辐照计(5)测量获得的数据由数据记录处理模 块(6)接收、存储并处理；通过集热器内流体热平衡方程并利用测得的数据处 理后得出有效得热系数，具体公式如下：

$T_{f(t+\tau )}=(T_{f\left(t\right)}-\frac{{\mathrm{UT}}_{\mathrm{amb}}+k_{\mathrm{eff}}{I}_{\perp }}{U})e^{-\frac{U}{C}\tau }+\frac{{\mathrm{UT}}_{\mathrm{amb}}+k_{\mathrm{eff}}{I}_{\perp }}{U}$

$k_{\mathrm{eff}}=U(\frac{T_{f(t+\tau )}-T_{f\left(t\right)}{e}^{-\frac{U}{C}\tau }}{1-e^{-\frac{U}{C}\tau }}-T_{\mathrm{amb}})/I_{\perp }$

式中，T_f—真空管内流体的温度，℃；T_amb—环境温度，℃；τ—采温时间 间隔；t—采温时间；U—热损系数，W/℃；I_⊥—集热器平面的辐照量，W；k_eff— 有效得热系数。

其中，循环流量是在得到热损系数和有效得热系数的基础上求得的，循环 流量的测量是在太阳能集热器水泵正常开启的时候进行的；第二温度传感器和 第三温度传感器分别测出集热器进出口温度，利用集热器内流体热平衡方程求 得流量及数据处理，具体公式如下：

G_m＝[k_effI_⊥-U(T_f-T_amb)]/[3600C_p(T_out-T_in)]

式中，T_f—真空管内流体的温度，℃；T_amb—环境温度，℃；U—热损系数， W/℃；I_⊥—集热器平面的辐照量，W；k_eff—有效得热系数；T_in、T_out—集热器的 进出口温度，℃；G_m—流过集热器的流体质流率，kg/h。

本发明提出的一种全玻璃真空管太阳能集热器热损系数、有效得热系数以 及循环流量测量装置及方法摆脱了实验台测量的局限性，能够实现现场测量， 具有很强的实用性和普遍性；不需要使用流量传感器，只需要测量记录温度传 感器、辐照计及相应数据时间，降低了成本，具有很强的可行性；数据测量完 毕后测量装置能够从被测太阳能集热器系统中取走，测量过程简单方便；该测 量方法通过测量真空管内流体温度、集热器进出口温度、环境温度、集热器平 面的辐照量、数据采集时间通过计算获得并显示全玻璃真空管太阳能集热器的 热损系数、有效得热系数以及循环流量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权力要求的保护范围为准。