太陽能模擬電加熱器的研究＊

魏毅立，高 敏，楊 勇

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

1 引言

可再生能源的利用程度反映了一個國家能源利用水平的高低。碟式斯特林太陽熱發(fā)電技術(shù)是目前被廣泛關(guān)注的研究方向，美國及歐洲一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將該項(xiàng)技術(shù)投入了實(shí)際的應(yīng)用。我國在上個世紀(jì)的八十年代已經(jīng)開始了碟式斯特林熱發(fā)電技術(shù)的研究，由于許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，目前仍處于探索研究階段。

碟式斯特林太陽熱發(fā)電系統(tǒng)中，拋物面聚光鏡反射匯聚入射的太陽光能驅(qū)動斯特林發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。太陽能斯特林發(fā)動機(jī)的吸熱器是將聚焦后的太陽光能量收集、轉(zhuǎn)化并提供給發(fā)動機(jī)的部件，在整個熱發(fā)電系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。碟式太陽能熱發(fā)電的兩大技術(shù)問題是雙軸跟蹤聚光鏡和斯特林發(fā)動機(jī)，為了獨(dú)立地研究斯特林發(fā)動機(jī)，而不受限于雙軸跟蹤聚光鏡，研制了太陽能模擬電加熱器，采用太陽模擬裝置代替實(shí)際太陽光，以便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行斯特林發(fā)動機(jī)的研究。

2 溫升的計(jì)算

為了模擬碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)吸熱器的工作情況，達(dá)到在實(shí)驗(yàn)室有限條件下替代太陽能熱源的目的，采用電加熱的模式制作了太陽能模擬電加熱器（以下簡稱太陽能模擬器），如圖1所示，為斯特林發(fā)動機(jī)提供熱源。熱流量與溫升的關(guān)系為：

圖1 太陽能模擬器

式中：Q為熱流量，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，δ為兩導(dǎo)熱表面間的距離，F(xiàn)為導(dǎo)熱面積。

2.1 計(jì)算鋼板溫升

鋼導(dǎo)熱系數(shù)λ為40w／m·℃，δ為6mm，導(dǎo)熱圓面半徑為11mm，鋼板溫升與熱流量的關(guān)系為：

如表1所示，當(dāng)熱流量從1kW上升到3kW時，鋼板的溫度也從3.9℃以0.0039的斜率線性上升到11.8℃。如圖2所示為溫升與熱流量的關(guān)系。

2.2 計(jì)算水泥溫升

水泥導(dǎo)熱系數(shù) λ 為 1.5w／m·℃，δ為 20mm，導(dǎo)熱圓面半徑為11mm，水泥溫升與熱流量的關(guān)系為：

如表2所示，當(dāng)熱流量從1kW上升到3kW時，水泥的溫度也從 350.9℃以 0.3509的斜率線性上升到1052.8℃。圖3所示為水泥溫升與熱流量的關(guān)系。

表1 熱流量與溫升

圖2 溫升與熱流量的關(guān)系

表2 水泥熱流量與溫升

圖3 水泥溫升與熱流量的關(guān)系

3 太陽能模擬電加熱器電路

圖4 太陽能模擬電加熱器電路實(shí)物圖

圖5 太陽能模擬電加熱器電路

表3 熱流量與電壓

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 電路

太陽能模擬電加熱器的電路實(shí)物圖、電路圖，分別如圖4、5所示。

3.2 計(jì)算電壓

輸出電壓與輸出功率的關(guān)系為：

式中：額定功率 Pe＝3kW，額定電壓 Ue＝220V，P1為輸出功率，U1為輸出電壓。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、4所示。

4 保溫絕熱

在太陽能模擬電加熱器的內(nèi)表面與里面的交接處填充了硅酸鋁絕熱板進(jìn)行絕熱保溫。該產(chǎn)品是用加有粘結(jié)劑的硅酸鋁棉制成的具有一定剛度的平面制品。具體技術(shù)參數(shù)如表5所示。規(guī)格為600mm×400mm×40mm，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是 GB／T16400-2003。

表5 具體技術(shù)參數(shù)

5 最小二乘法確定熱慣性時間常數(shù)

定義Ti，i＝1，2，……n，為模擬器實(shí)測溫升，模擬器估計(jì)值

模擬器實(shí)測值與估計(jì)值誤差為：

定義判據(jù)：

其中：εT＝［ε1，ε2，……，εn］。

由式（5）與（6）可得：

上式為實(shí)測溫升與估計(jì)值之差的平方和，對τ求導(dǎo)

6 結(jié)束語

從溫升計(jì)算到電路模擬及實(shí)驗(yàn)論證，顯示出該模擬器充分模擬了碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)吸熱器的工作情況，設(shè)計(jì)合理，具有較好的吸熱效果，達(dá)到了在實(shí)驗(yàn)室有限條件下替代太陽能熱源的目的。

［1］劉志剛，張春平，趙耀華，唐大偉.一種新型腔式吸熱器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.太陽能學(xué)報，2005，6，26（3）：332-337.

［2］杜景龍，唐大偉，李 鐵，蘇國萍.碟式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)太陽模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報，2010，11，31（11）：1883-1885.

［3］夏天長.系統(tǒng)辨識［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1983，10：73-84.

［4］李鐵，張璟，唐大偉.太陽能斯特林機(jī)用新型吸熱器的設(shè)計(jì)與模擬［J］.工程熱物理學(xué)報，2010，3，31（3）：451-453.