毕业论文（设计）程序控温模拟盐梯度太阳池的实验研究

1、程序控温模拟盐梯度太阳池的实验研究摘 要：本文基于自制的程序控温实验台，设定不同时间、经度、纬度，可以模拟对不同条件下太阳能加 热盐梯度太阳池的实验研究。实验将相变材料石蜡添加于太阳池底部形成新型盐梯度太阳池，当外部条件 一致的情况下，分别进行了不加石蜡组和添加石蜡组的实验，得出结果表明：该实验台运行稳定，能够得 出较为合理、准确的实验结果；石蜡对盐梯度太阳池具冇增加储热层、梯度层温度的作用，并冇减缓夜晚 温度下降趋势的缓冲效果。关键词：程序控制；盐梯度太阳池；模拟实验；相变材料石蜡 i 刖弓1980年，f.zangrando提出搭建盐梯度太阳池的简易方法。随着太阳能技术的不断发 展，盐梯度太

2、阳池引起越來越多国家和地区学者宀的关注。目前対盐梯度太阳池进行实验 研究的模拟盐梯度太阳池的大小一般约在几平方米左右2442】，根据光源不同，主要有：一 是建立在室外的以实际太阳光为热源这种方法虽然是真实太阳光，但是由于往往a阳 池规模佼小，实验周期较短，所以不确定天气因素对其影响较大；二是在室内建立，以 模拟光源（如孫灯）的照射为热源，该方法中所采用的模拟光源都是以恒定不变的功率。当 然也有少数研究基于大型实际盐梯度太阳池进行实验研究6jj4j51,这样做的优点在于能够模 拟真实情况，缺点是投资大，运行和维护复杂，运行周期氏，时间效率低。实际上，很多科研单位并不具备条件采用实际的盐梯度太阳池

3、进行实验研究的条件，采用 实际的盐梯度太阳池进行实验，则其太阳能数据只能采用当地数据，局限于当地地理位置和 当吋的季节。这些限制了盐梯度太阳池技术的研究和发展。因此，本研究提出一种可以有效 模拟太阳能光热转换的经济性、时间效率高的实验方法，并且能够用于其它地理位置情况的 实验测定对盐梯度太阳池的发展具有很重要的意义。王华吶提出在太阳池储热层添加锅炉 渣从而增加太阳池储热层温度的方法，并从实验上加以验证。mohammad reza assari等人小" 建立一个太阳池，研究了加入相变材料石蜡对太阳池热扩散影响的实验研究。基于上述情况，首先，本文提出一种模拟太阳能加热盐梯度太阳池的方法，

4、通过程序控 制模拟太阳池运行时间及加热功率；其次，我们对以前做的实验研究进行了改进创新，用自 行设计的程序控制模拟太阳池作为试验台，在盐梯度太阳池底部加入相变蓄热材料石蜡（熔 点为50°c左右），通过空白实验和底部添加石蜡的两组实验，对该方法的可行性进行验证和 讨论，并对实验数据进行分析讨论。1实验装置及方法1.1实验装置该试验台是模拟太阳能加热盐梯度太阳池的实验装置,装置包括实验水箱、盐水、加热 模块、温度传感器、电源、显示终端、plc控制模块、功率控制传输、功率反馈传输、温 度反馈传输。实验水箱为具有三层不同盐度分布的模拟盐梯度太阳池结构，即底层为浓盐水 为主的储热层，储热层上层

5、为盐度自下而上逐渐减小的盐梯度层，盐梯度层上层为清水层即 上对流层。实验水箱（长宽高）尺寸为0.6mx0.8mxl.0m,四周设有0.1m厚的保温层。距离 底面0.10m高度设置有加热电阻用于模拟盐梯度太阳池的热源，实验水箱中间有一竖杆，竖 杆上面有多个热电偶温度传感器测温点。反馈数据线装有温度传感器竖杆显示终端电脑命令输入实验水箱温度传输线 i-控制箱（plc）加热功率传输线加热棒图1实验装置系统流程图实验中温度传感器测定数据通过温度传输线传输给plc控制模块，控制箱（plc）通 过加热功率传输线控制实验水箱下部的加热棒加热功率，控制箱（plc）通过反馈数据线与 电脑相连，所有数据记录、命令

6、和操作在电脑上即可完成。图2实验装置实际图1.2 plc加热模块控制的实现方法该实验系统的程序加热控制主要是根据地理位置（纬度）、盐水浊度、加热模块在水中 所处的深度、设定的模拟h期和时间等条件作为己知条件输入计算出理论功率，根据该理论 功率实现对加热功率的控制。具体计算公式及方法如下：1）根据日期和时间确定当地赤纬角6、时角0）、日出时间力s和日照时长厶d：2）确定加热功率。设/?为一年从1月1日起算起的天数；h为一天以24小时计算的小时数；（p为纬 度。若力人或者hhs+ld,则片0；否则当谆心叽 加热功率按下述方法计算：公式中，严为加热电阻所处深度的太阳辐射透射率;e = rtxh ,其

7、中，八为小时总辐射量与全天总辐射量z比，h为月平均fi水平而上接受的总辐射量（kj/n?）何；z为加热电阻所处的深度;“为水浊度;，in(q-g)<sin(f +g)0.4f tan(d(sin(0 + 2)丿其中, sin 3t6v - arcsin1.330i = arccos(cos5 coscos69 + sin s sin (p)0 = 10.63）到达某个深度处水中的太阳辐射量的比例为：血）=朋咕，其中，/为加热电阻所处深度的太阳辐射透射率，z为加热电阻所处的深度，为水的浊度。4）根据2）的计算结果，通过plc控制所需的加热功率并输出相应的功率。2实验材料及方法制作两批次如图

8、3所示的圆柱形钢管，一批（20个）空钢管，另一批（20个）内部装 有石蜡的钢管。实验分两组进行：第一组为空白实验，首先在实验水箱下部放入图4所示钢 丝架，钢丝架上面绑有空钢管。配制20%的浓盐水加入水箱至0.40m处，配制18%的盐水 缓慢加在平铺在最上层水面的塑料平板（随水位缓慢上升）上升至0.47m处，同理配制14%、 10%、6%的盐水缓慢加至水槽0.54m、0.61m和0.68m处,最后缓慢加入清水至0.8m处。图3圆柱形钢管图4绑有钢管的铁丝架笫二组实验将空钢管换成内部装有石蜡的钢管，其他所有实验条件与笫一组一致。水箱 中心位置插入一竖杆，竖杆从下到上除了在0.1m处的加热棒位置外，

9、每隔0.05m 一个单位 绑定一根热电阻（共15个）。热电阻与竖杆接触点用隔热材料（泡沫橡胶）做垫衬。热电阻 从下到上分别标记为115点，通过plc将温度导入到显示终端（电脑）上，实时监控盐梯 度太阳池各点的温度情况。实验水箱剖血图入下图5所示。两组实验设定模拟的吋间均为 2016年3月19 0 6时至2016年3月24日6时。实验热电阻有15个点，每个点从运行开 始每分钟导出一个温度数据，为了更好清晰的对比实验结果，我们分别提取两个储热层 （lcz）点：0.20m处（3点）、0.30m处（5点）,非对流层0.55m处（10点）,清水层0.75m 处（14点），共4个点导出的温度数据进行数据分

10、析。图6水箱内部实际图3实验结果与分析实验模拟时间从6月1日中午6时开始到6月6日6时结束，共144小时。图7给出两 组实验各个测点的温度随时i'可的发展情况。由图7两个图可见，对于同一时刻深度方向的温 度分布具有以下规律：由于热对流的作用，从加热棒位置开始温度升高明显，储热层中加热 棒至储热层顶端温度最高，并且大小均匀。热量向上扩散并沿盐梯度层逐步降低；随着时间 的延长，热逐渐向上层扩散，但上层清水层始终保持较低的温度。图8给出实验期间未添加 石蜡和添加石蜡两组实验情况下距底面不同深度处的温度发展情况。我们取得合适位置的四 个点.0.20m （3点）处位于储热层中部；0.30m （5

11、点）处位于储热层上部；0.55m （10点） 为盐梯度层中部，盐度为10%；0.75m （14点）为清水层，分别对这4个点做温度对比图:100908070深度：0.75m （14点）添加石蜡组空白组图7空白组和添加石蜡太阳池取点温度对比实验数据分析：1）从图中可以看出，在最后一天由于没有提热装置，太阳池内部盐梯度层受温度影响 发生扰乱，温度层出现了不稳定性破坏。2）添加相变材料具有明显增加储热层温度的作用。在盐梯度层破坏z前，无论是哪个 深度，加入相变材料石蜡后各点温度都不低于同深度的不加相变材料的各点温度，而加入相 变材料石蜡对升温速率的提高没有明显的作用。分析4组的数据，温差（除去升温段）

12、如下 表1所示。表1不同深度处在运行期间的平均温差深度（m）0.200.300.5500.75ar (°c)3.282.916.161.563）在笫二天夜晚的降温阶段，可以观察到加入相变材料石蜡组的降温速率小于空白组 的降温速率，这是因为在55°c左右时石蜡开始凝固放热，减缓了储热层降温的趙势，而在 后几天的运行中没有出现这种情况，是因为即使在夜晚降温段，最低温度也高于石蜡凝固温 度很多，石蜡并没有凝固放热，故起不到减缓降温趋势的效杲。若是加入提热装置，在晚上 提取储热层温度，加速降温，使其温度降低至石蜡凝固点以下，那么加入相变材料石蜡组的 缓冲降温效果会更加明显。4总结本

13、文首先基于程序控温的办法自制了盐梯度太阳池实验室内模拟实验台，并进行了添加 相变材料石蜡的初步实验，该实验台能够客观和较准确地模拟保温状况较好的大面积盐梯度 太阳池的运行情况。实验台运行期间工作连续、稳定，测得数据可信度、连续性较高。对添加相变材料石蜡的实验研究证明了实验前设想的正确性，而本次在实验台中没有加 入提热装置，导致出现了在实验最后阶段由于温度的升高而引起的盐梯度层有破坏趋势的问 题，我们会在下次实验中对试验台进行优化改进，避免出现类似的问题。参考文献1 zangrando,technical note. a simple method to establish salt gradi

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