太陽能模擬電加熱器的研究＊

魏毅立，高 敏，楊 勇

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭 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電技術是目前被廣泛關注的研究方向，美國及歐洲一些發達國家已經將該項技術投入了實際的應用。我國在上個世紀的八十年代已經開始了碟式斯特林熱發電技術的研究，由于許多關鍵技術問題需要解決，目前仍處于探索研究階段。

碟式斯特林太陽熱發電系統中，拋物面聚光鏡反射匯聚入射的太陽光能驅動斯特林發動機帶動發電機發電。太陽能斯特林發動機的吸熱器是將聚焦后的太陽光能量收集、轉化并提供給發動機的部件，在整個熱發電系統中起關鍵作用。碟式太陽能熱發電的兩大技術問題是雙軸跟蹤聚光鏡和斯特林發動機，為了獨立地研究斯特林發動機，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際太陽光，以便在實驗室內進行斯特林發動機的研究。

2 溫升的計算

為了模擬碟式太陽能熱發電系統吸熱器的工作情況，達到在實驗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，為斯特林發動機提供熱源。熱流量與溫升的關系為：

圖1 太陽能模擬器

式中：Q為熱流量，λ為導熱系數，δ為兩導熱表面間的距離，F為導熱面積。

2.1 計算鋼板溫升

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

如表1所示，當熱流量從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系。

2.2 計算水泥溫升

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

如表2所示，當熱流量從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系。

表1 熱流量與溫升

圖2 溫升與熱流量的關系

表2 水泥熱流量與溫升

圖3 水泥溫升與熱流量的關系

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 實驗數據

3.1 電路

太陽能模擬電加熱器的電路實物圖、電路圖，分別如圖4、5所示。

3.2 計算電壓

輸出電壓與輸出功率的關系為：

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 實驗數據

實驗數據如表3、4所示。

4 保溫絕熱

在太陽能模擬電加熱器的內表面與里面的交接處填充了硅酸鋁絕熱板進行絕熱保溫。該產品是用加有粘結劑的硅酸鋁棉制成的具有一定剛度的平面制品。具體技術參數如表5所示。規格為600mm×400mm×40mm，執行標準是 GB／T16400-2003。

表5 具體技術參數

5 最小二乘法確定熱慣性時間常數

定義Ti，i＝1，2，……n，為模擬器實測溫升，模擬器估計值

模擬器實測值與估計值誤差為：

定義判據：

其中：εT＝［ε1，ε2，……，εn］。

由式（5）與（6）可得：

上式為實測溫升與估計值之差的平方和，對τ求導

6 結束語

從溫升計算到電路模擬及實驗論證，顯示出該模擬器充分模擬了碟式太陽能熱發電系統吸熱器的工作情況，設計合理，具有較好的吸熱效果，達到了在實驗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計與實驗研究［J］.太陽能學報，2005，6，26（3）：332-337.

［2］杜景龍，唐大偉，李 鐵，蘇國萍.碟式太陽熱發電系統太陽模擬器的設計與實驗研究［J］.工程熱物理學報，2010，11，31（11）：1883-1885.

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