太阳能模拟电加热器的研究＊

魏毅立，高 敏，杨 勇

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010）

1 引言

可再生能源的利用程度反映了一个国家能源利用水平的高低。碟式斯特林太阳热发电技术是目前被广泛关注的研究方向，美国及欧洲一些发达国家已经将该项技术投入了实际的应用。我国在上个世纪的八十年代已经开始了碟式斯特林热发电技术的研究，由于许多关键技术问题需要解决，目前仍处于探索研究阶段。

碟式斯特林太阳热发电系统中，抛物面聚光镜反射汇聚入射的太阳光能驱动斯特林发动机带动发电机发电。太阳能斯特林发动机的吸热器是将聚焦后的太阳光能量收集、转化并提供给发动机的部件，在整个热发电系统中起关键作用。碟式太阳能热发电的两大技术问题是双轴跟踪聚光镜和斯特林发动机，为了独立地研究斯特林发动机，而不受限于双轴跟踪聚光镜，研制了太阳能模拟电加热器，采用太阳模拟装置代替实际太阳光，以便在实验室内进行斯特林发动机的研究。

2 温升的计算

为了模拟碟式太阳能热发电系统吸热器的工作情况，达到在实验室有限条件下替代太阳能热源的目的，采用电加热的模式制作了太阳能模拟电加热器（以下简称太阳能模拟器），如图1所示，为斯特林发动机提供热源。热流量与温升的关系为：

图1 太阳能模拟器

式中：Q为热流量，λ为导热系数，δ为两导热表面间的距离，F为导热面积。

2.1 计算钢板温升

钢导热系数λ为40w／m·℃，δ为6mm，导热圆面半径为11mm，钢板温升与热流量的关系为：

如表1所示，当热流量从1kW上升到3kW时，钢板的温度也从3.9℃以0.0039的斜率线性上升到11.8℃。如图2所示为温升与热流量的关系。

2.2 计算水泥温升

水泥导热系数 λ 为 1.5w／m·℃，δ为 20mm，导热圆面半径为11mm，水泥温升与热流量的关系为：

如表2所示，当热流量从1kW上升到3kW时，水泥的温度也从 350.9℃以 0.3509的斜率线性上升到1052.8℃。图3所示为水泥温升与热流量的关系。

表1 热流量与温升

图2 温升与热流量的关系

表2 水泥热流量与温升

图3 水泥温升与热流量的关系

3 太阳能模拟电加热器电路

图4 太阳能模拟电加热器电路实物图

图5 太阳能模拟电加热器电路

表3 热流量与电压

表4 实验数据

3.1 电路

太阳能模拟电加热器的电路实物图、电路图，分别如图4、5所示。

3.2 计算电压

输出电压与输出功率的关系为：

式中：额定功率 Pe＝3kW，额定电压 Ue＝220V，P1为输出功率，U1为输出电压。

3.3 实验数据

实验数据如表3、4所示。

4 保温绝热

在太阳能模拟电加热器的内表面与里面的交接处填充了硅酸铝绝热板进行绝热保温。该产品是用加有粘结剂的硅酸铝棉制成的具有一定刚度的平面制品。具体技术参数如表5所示。规格为600mm×400mm×40mm，执行标准是 GB／T16400-2003。

表5 具体技术参数

5 最小二乘法确定热惯性时间常数

定义Ti，i＝1，2，……n，为模拟器实测温升，模拟器估计值

模拟器实测值与估计值误差为：

定义判据：

其中：εT＝［ε1，ε2，……，εn］。

由式（5）与（6）可得：

上式为实测温升与估计值之差的平方和，对τ求导

6 结束语

从温升计算到电路模拟及实验论证，显示出该模拟器充分模拟了碟式太阳能热发电系统吸热器的工作情况，设计合理，具有较好的吸热效果，达到了在实验室有限条件下替代太阳能热源的目的。

［1］刘志刚，张春平，赵耀华，唐大伟.一种新型腔式吸热器的设计与实验研究［J］.太阳能学报，2005，6，26（3）：332-337.

［2］杜景龙，唐大伟，李 铁，苏国萍.碟式太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究［J］.工程热物理学报，2010，11，31（11）：1883-1885.

［3］夏天长.系统辨识［M］.北京：清华大学出版社，1983，10：73-84.

［4］李铁，张璟，唐大伟.太阳能斯特林机用新型吸热器的设计与模拟［J］.工程热物理学报，2010，3，31（3）：451-453.