本发明涉及太阳能槽式集热器领域,尤其是基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料制备系统。
背景技术：
天然染料的提取方法主要有：
捣碎过滤法：捣碎过滤法是靠机械外力的作用，将染材揭碎之后再经过过滤将染料提取出来的方法。此法不足之处在于染料杂质较多、织物染色不均，成品质量低下。
有机溶剂浸出法：根据染料的性质等的不同，所选用的溶剂也不同，常见的有乙醇、丙酮、甲醇、苯或油脂类。该方法的提取工艺与水浸出法大致相同，例如将指甲花磨成粉末状，称取适量的干粉末加在萃取器中分别使用不同的溶剂(丙酮、氯仿和水)进行萃取，处理四个小时后，用水浴蒸干，再干燥后即可得指甲花天然染料。
溶剂法虽然可提高染料的提取效率，且比较适用于提取难溶于水的染料，但是在萃取过程中需要大量使用有机溶剂，且水浴蒸干过程能耗较高，回收困难，致其生产成本高，还易造成环境污染。
超声波提取法：超声波提取的主要作用原理是超声波的空化效应及机械振动效应。通常来说，液体内部分布着一些真空或者存在少许气体的小泡，当大量的一定频率超声波作用于液体时，液体内部适宜尺寸的小泡便可发生共振运动。在声波的平衡点附近小泡迅速膨胀，在波峰位置附近又迅速为绝热所压缩，直至其煙灭。在小泡从胀大到煙灭的过程中，生成大量高温、高压冲击波，它们能使溶于液体中的物料破碎，即直接破坏了动植物的细胞壁，故能起到使植物有效成分的释放、扩散及溶解过程加速推进之效果。不足之处在于设备精度要求高，工艺复杂，难于进行大规模工业化生产。
微波提取法：微波提取(mae)的原理是，染材中的各种组分对微波的吸收能力不同，微波处理时，染材的某些区域或者部分组分被选择性的加热，使得被染料色素从染材中分离而转移到提取溶剂中。由于微波的穿透性强且是选择性加热，该提取方法的提取效率较高。
在天然染料的提取上，微波提取法具有速度快、能耗低、提取效率高、重现性好、节能环保、不破坏染料结构等一系列优点。但在微波提取设备方面，目前，发达国家所生产的比较先进、安全可靠，而国产提取设备无论是在精密性还是在安全性上均相差较远；由于色素及染材的复杂性和微波提取法的特殊性，应该深入进行微波提取机理的进一步研究，扩大试验范围，以便更充分的发挥该方法在天然染料提取中的效用；微波法提取天然染料的应用较少，主要是该方法目前尚未能达到工业化生产，仍停留在实验室阶段，但其效率高、耗时少的优点使其具有较为可观的发展前景。
超临界co2提取法：超临界co2提取法的作用原理是：co2处于临界压力和临界温度以上时，具有特异增加的溶解能力，进而对提取物质起到分离的效用。在天然染料提取中，以超临界状态下具有高溶解能力和高渗透能力的co2为溶剂来进行非极性混合物的提取分离。超临界co2提取法发展迅速，现已应用于化工、食品、生物工程、医药、环保等多个行业，但在染料提取方面尚未产业化应用。
水浸法：多数天然植物染料在水中可完全溶解，因此可通过浸渍法或煎煮法以水为溶剂直接提取出色素，然后即可取植物的浸液或煮汁作染液，上染织物。该种方法优势在于设备工艺简单，易于大规模工业化生产；最大的弊病在于通过蒸煮浓缩制取天然植物染料浸膏(色素浓缩溶液)、天然植物染料浸膏通过湿热交换获取色素干粉这两个生产过程需要消耗大量能源，导致生产成本飙升。
如果利用太阳能作为天然植物染料以水浸法提取染料色素的热源，可大幅降低染料生产过程中的能耗，不仅节能环保，还可显著降低制造成本。因此，对于上述问题有必要提出基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料制备系统。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单，制备效果显著的基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料制备系统。
基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料制备系统，包括蒸煮系统和干燥系统，所述蒸煮系统包括太阳能槽式集热器、蒸煮釜、浓缩釜、冷凝塔、氮封装置、蓄热油罐、膨胀罐和染料制作控制系统，所述太阳能槽式集热器分别为蒸煮釜和浓缩釜提供热源，所述蒸煮釜依次通过浓缩釜、冷凝塔、氮封装置和蓄热油罐连接膨胀罐，所述染料制作控制系统分别与太阳能槽式集热器、蒸煮釜、浓缩釜、冷凝塔、氮封装置、蓄热油罐和膨胀罐连接，所述干燥系统包括用于低温喷雾干燥制取染料干粉的空气集热器和旋风干燥塔，所述空气集热器与旋风干燥塔连接，所述旋风干燥塔对浓缩釜产生的浓缩液进行干燥处理。
优选地，所述太阳能槽式集热器包括若干个并排设置的集热器单元，每个所述集热器单元包括两个基础桩，其中一基础桩上设置有立柱，另一基础桩上设置有驱动塔，所述驱动塔与立柱的上端之间连接有支架组件。
优选地，所述支架组件包括扭矩横梁、反射板和真空管，所述扭矩横梁的两端架设在立柱和驱动塔之间，所述反射板固定安装扭矩横梁上，所述真空管设置在反射板的凹面一侧并通过真空管支撑臂固定在扭矩横梁上。
优选地，所述反射板的凹面侧设置有发射镜，所述反射板的凸面侧设置有若干个纵向分布发射板支撑肋板。
优选地，所述真空管包括玻璃透光罩管和金属吸热管，所述金属吸热管设置在玻璃透光罩管的内部，所述金属吸热管的外壁与玻璃透光罩管内壁之间形成有真空夹层。
优选地，所述驱动塔的上部设置有减速机和驱动电机，所述驱动电机通过减速机与扭矩横梁的一端传动连接。
优选地，所述真空管的外径为38-45mm，长度为2m，所述真空管的工作温度小于350摄氏度，所述发射镜的开口为2m或2.5m，所述集热器单元长度为8m，所述集热器单元单列可扩展总长度50或62.5m。
优选地，所述减速机额定扭矩不小于5000nm，最大破坏扭矩不小于10000nm，所述减速机的回程间隙不大于0.05度，效率不小于30％，传动比不小于10000，两个所述基础桩采用钢筋混凝土地基，所述基础桩最大承载重量不低于3吨，抗上拔力不低于4吨，抗侧倾力不低于3吨，所述立柱和驱动塔的下端均通过地脚螺栓固定在基础桩上，所述地脚螺栓露出地面不小于150mm，并进行镀锌防腐处理。
基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料浸膏中试装置的研制方法，其步骤为：(1)对槽式太阳能集热器风载荷计算和结构力学计算；(2)对槽式太阳能集热器机械结构计算分析；(3)槽式太阳能集热器的传热学机理分析；(4)太阳能蒸煮反应釜设计分析；(5)自动控制系统设计分析；(6)进入pid控制的基本算法分析。
优选地，其中风载荷计算，风为沿着不同高度速度为变化值，风的速度公式如公式1所示，
公式中，v10为10米高风速；v为风速，随测量位置的高度变化而变化，y10为10米高，y为槽式集热器反射面距离地面的高度，随镜面位置的变化而变化，
对槽式太阳能集热器进行结构受力分析，首先进行强度计算，边界条件为瞬时风速40m/s，根据公式2计算风载荷力，直接加载在反射镜支撑臂上，计算集热器支架结构的应力和变形，
公式中，f为风载荷力，v为瞬时风速，m为集热器聚光面积。
由于采用上述技术方案，本发明染料制备的聚光型中温太阳能集热器制造工艺和集成技术，集热器出口温度可达150℃，满足染料制备过程热能温度需求，集热效率达到45％，制备效果显著，安全可靠，同时具有很强的实用性。
附图说明
图1是本发明的太阳能槽式集热器结构示意图；
图2是本发明的左视图；
图3是本发明实施例的真空管示意图；
图4是本发明实施例的真空管截面示意图；
图5是本发明实施的抛物面槽式吸热管热阻分析图；
图6是本发明实施例的入射角示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2至6所示，实施案例一：基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料制备系统，包括蒸煮系统和干燥系统，所述蒸煮系统包括太阳能槽式集热器、蒸煮釜、浓缩釜、冷凝塔、氮封装置、蓄热油罐、膨胀罐和染料制作控制系统，所述太阳能槽式集热器分别为蒸煮釜和浓缩釜提供热源，所述蒸煮釜依次通过浓缩釜、冷凝塔、氮封装置和蓄热油罐连接膨胀罐，所述染料制作控制系统分别与太阳能槽式集热器、蒸煮釜、浓缩釜、冷凝塔、氮封装置、蓄热油罐和膨胀罐连接，所述干燥系统包括用于低温喷雾干燥制取染料干粉的空气集热器和旋风干燥塔，所述空气集热器与旋风干燥塔连接，所述旋风干燥塔对浓缩釜产生的浓缩液进行干燥处理。
建成的基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料蒸煮系统，该系统由4组8米长2.5米开口槽式集热系统(热效率为0.55)为染料原料蒸煮、浓缩提供热源，在太阳直接辐照800w/m2，日照时间为8小时情况下，每日可输出150℃以上的热能1843.2mj，建成的基于太阳能空气集热器的植物染料低温喷雾干燥系统
进一步的，所述太阳能槽式集热器包括若干个并排设置的集热器单元，每个所述集热器单元包括两个基础桩，其中一基础桩上设置有立柱4，另一基础桩上设置有驱动塔1，所述驱动塔1与立柱4的上端之间连接有支架组件2。只需要更换反射镜5和反射镜支撑片，其它零部件均不需要更换，即可从2.5m开口集热器转换为2.0m开口集热器。
进一步的，所述支架组件2包括扭矩横梁、反射板和真空管3，所述扭矩横梁的两端架设在立柱4和驱动塔1之间，所述反射板5固定安装扭矩横梁上，所述真空管设置在反射板5的凹面一侧并通过真空管支撑臂固定在扭矩横梁上，所述反射板的凹面侧设置有发射镜，所述反射板5的凸面侧设置有若干个纵向分布发射板支撑肋板。
进一步的，所述真空管3包括玻璃透光罩管6和金属吸热管7，所述金属吸热管7设置在玻璃透光罩管6的内部，所述金属吸热管7的外壁与玻璃透光罩管7内壁之间形成有真空夹层8。
进一步的，所述驱动塔1的上部设置有减速机和驱动电机，所述驱动电机通过减速机与扭矩横梁的一端传动连接。
进一步的，所述真空管3的外径为38-45mm，长度为2m，所述真空管3的工作温度小于350摄氏度，所述发射镜的开口为2m或2.5m，所述集热器单元长度为8m，所述集热器单元单列可扩展总长度50或62.5m，所述减速机额定扭矩不小于5000nm，最大破坏扭矩不小于10000nm，所述减速机的回程间隙不大于0.05度，效率不小于30％，传动比不小于10000。
进一步的，两个所述基础桩采用钢筋混凝土地基，所述基础桩最大承载重量不低于3吨，抗上拔力不低于4吨，抗侧倾力不低于3吨，所述立柱和驱动塔的下端均通过地脚螺栓固定在基础桩上，所述地脚螺栓露出地面不小于150mm，并进行镀锌防腐处理。
实施案例二：正常日光条件下(每日不少于8小时日照)，日产染料浸膏20kg，同时研制出一套太阳能低温喷雾干燥系统，正常日光条件下(每日不少于8小时日照)，日产染料干粉4kg，最后设计开发出年产500kg天然染料中试生产线。以30公斤茜草为测试样品，按照料液比1:4的比例经常温水8小时浸泡再投入提取釜，经连续加热并在真空条件下1小时后获得提取液；再经蒸煮浓缩釜经过3小时的蒸煮浓缩，获得60kg浓缩溶液。
实施案例三：基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料浸膏中试装置的研制方法，其步骤为：(1)对槽式太阳能集热器风载荷计算和结构力学计算；(2)对槽式太阳能集热器机械结构计算分析；(3)槽式太阳能集热器的传热学机理分析；(4)太阳能蒸煮反应釜设计分析；(5)自动控制系统设计分析；(6)进入pid控制的基本算法分析。
另外对槽式太阳能集热器设计时，首先要进行风载荷计算，通常槽式太阳能集热器要求6级风速下正常工作，8级风速下不破坏，而槽式集热器工作中主要受风载荷的影响，因此对槽式集热器的风载荷进行了计算，风为沿着不同高度速度为变化值，风的速度公式如公式1所示，
公式中，v10为10米高风速；v为风速，随测量位置的高度变化而变化，y10为10米高，y为槽式集热器反射面距离地面的高度，随镜面位置的变化而变化，采用计算流体动力学软件fluent计算槽式集热器在归位工况下的承受的最大风载荷。采用二维简化模型，风沿着集热器反射面的对称面水平直接吹向反射镜，瞬时风速40m/s。槽式集热器附近的空气流场分布，可以看到由于槽式集热器的影响，在集热器反射面的顶部和底部的风速均高于给定的计算风速，集热器背面有一个低风速区，距离集热器越远，集热器对风的遮挡效应越小。集热器反射面正面有一个高压区，这会导致集热器产生风载荷，并且风载荷可以分解为一个向上的升力和一个沿着风速方向的拖拽力，同时产生一个沿着旋转中心产生扭转力矩。计算结果表明，对于2m开口的集热器，每米长的扭转力矩为250nm，拖拽力为970n，升力为1960n。
结构受力分析，首先进行强度计算，边界条件为瞬时风速40m/s，根据公式2计算风载荷力，直接加载在反射镜支撑臂上，计算集热器支架结构的应力和变形，
公式中，f为风载荷力，v为瞬时风速，m为集热器聚光面积。
槽式集热器分解为立柱、扭矩横梁和反射镜支撑臂三部分主要结构，为了节省计算时间和保证计算精度，将集热器简化为梁板结构模型，删除细小零部件，其中立柱和反射镜支撑臂采用梁单元，扭矩梁采用板单元。
图x为计算的支架结构的mises应力分布，可以看到最大mises应力为91.67mpa，小于结构钢q235的许用应力，图中还可以看到立柱和扭转横梁的应力均小于80mpa，可以认为槽式集热器在大风条件下结构不会被破坏。槽式集热器最大工作风速为6级，由于此工况下，集热器结构安全，所以只计算变形结果。根据公式2-2计算风载荷力，同时加载重力。图x为10m/s风速和重力载荷下，集热器支架结构的变形分布。可以看到，由于集热器为两边支撑的梁结构，因此梁的中心区域变形最大，最大变形出现在梁的中心区域的反射镜支撑臂的端部，最大变形量为2.66mm，折合成角度为0.665mrad，可以满足集热器的工作要求。
槽式太阳能集热器的传热学机理分析,抛物面槽式太阳能集热器的传热现象主要发生在其吸热管上，涉及到得热量和损失热量的物理机理非常复杂。从槽式集热器热性能测试的角度，采用一维稳态能量平衡方法对其传热学机理进行分析，只考虑抛物面槽式吸热管径向的温度变化，而认为轴向和周向的传热对整体的影响不重要，可以被忽略，这个简化分析也会得到合理的结果。图3-1给出了抛物面槽式吸热管的截面上径向的一维稳态能量平衡分析。
s是被金属吸热管外壁面吸收的太阳直接辐照度部分；
qbi-f-conv是金属吸热管内壁面到传热流体的对流热流密度；
qbo-bi-cond是金属吸热管外壁面到金属吸热管内壁面的导热热流密度；
qbo-gi-rad是金属吸热管外壁面到玻璃透光罩管内壁面的辐射热流密度；
qbo-gi-conv是金属吸热管外壁面到玻璃透光罩管内壁面的对流热流密度；
qgi-go-cond是玻璃透光罩管内壁面到玻璃透光罩管外壁面的导热热流密度；
qgo-s-rad是玻璃透光罩管外壁面到天空的辐射热流密度；
qgo-a-conv是玻璃透光罩管外壁面到周围环境的对流热流密度。
相应地，给出抛物面槽式吸热管的截面上径向的热阻网络分析，如图3-2所示。
图中，tf是金属吸热管内传热流体(htf)的温度；
tbi是金属吸热管内壁面温度；
tbo是金属吸热管外壁面温度；
tgi是玻璃透光罩管内壁面温度；
tgo是玻璃透光罩管外壁面温度；
ts是天空温度；
ta是环境空气温度；
rbi-f-conv是金属吸热管内壁面到传热流体的对流热阻；
rbo-bi-cond是金属吸热管外壁面到金属吸热管内壁面的导热热阻；
rbo-gi-rad是金属吸热管外壁面到玻璃透光罩管内壁面的辐射热阻；
rbo-gi-conv是金属吸热管外壁面到玻璃透光罩管内壁面的对流热阻；
rgi-go-cond是玻璃透光罩管内壁面到玻璃透光罩管外壁面的导热热阻；
rgo-s-rad是玻璃透光罩管外壁面到天空的辐射热阻；
rgo-a-conv是玻璃透光罩管外壁面到周围环境的对流热阻。
为了更清晰地表达抛物面槽式吸热管的得到热量和损失热量及其内部各主要部件之间的传热过程，下面将分别以玻璃透光罩管、真空夹层和金属吸热管作为研究对象进行描述和分析。
太阳能蒸煮反应釜设计分析,太阳能蒸煮反应釜是以一定压力的导热油为热源，蒸煮反应釜应具有加热均匀、液料沸腾时间短、加热温度容易控制等特点。蒸煮反应釜内层锅体(内锅)采用耐酸耐热的奥氏型不锈钢制造,配有压力表和安全阀,外型美观、安装容易、操作方便、安全可靠。
太阳能蒸煮反应釜容积：200l，采用可倾式带搅拌的结构形式。锅体材质内外全不锈钢。搅拌器在顶部中心搅拌，减速机输出轴与搅拌桨轴采用活套连接，方便拆装与清洗。搅拌转速：36r/min；搅拌桨形式：刮底搅拌。支脚形式：槽形支架式。设备配置：表盘指针式温度计、蒸汽进口、出料口等(立式结构)。可倾式蒸煮反应釜最大可倾转90°，倾转方式为手动式翻转。根据太阳的运行轨迹及当地的时间，可以计算出每一时刻的太阳的高度角和方位角；以此作为依据，我们可以知道在任意时刻集热器平面与此时太阳光线正交时，跟踪器所处的方位,算法可将这个角度转换成跟踪器达到该位置所需要走的脉冲数，驱动装置发送相应数目的脉冲，通过传动机构执行就可以达到实时跟踪的目的。
其中自动控制系统设计分析,根据太阳的运行轨迹及当地的时间，可以计算出每一时刻的太阳的高度角和方位角；以此作为依据，我们可以知道在任意时刻集热器平面与此时太阳光线正交时，跟踪器所处的方位。算法可将这个角度转换成跟踪器达到该位置所需要走的脉冲数，驱动装置发送相应数目的脉冲，通过传动机构执行就可以达到实时跟踪的目的。
在同一地点、同一时刻，不同日期的太阳高度不一样。同理，同一日期、同一时刻，不同地点的太阳高度也不一样。这表明θ还和太阳在天球上的纬度(赤纬角δ)及观察者的地理纬度φ有关。δ和φ在天球上的表示如下图所示，δ是用时圈上赤道与太阳间的弧长所度量。根据球面三角形zps可求得太阳高度角(即倾角)与φ、δ、ω间的关系如下：
上式可以计算任何纬度(φ)、任何日期(δ)、任何时刻(ω)太阳高度的公式。
任一日期的赤纬角δ，可以按照下式(1)计算：
式中d——北半球自春分之日算起到该计算日的天数；或者按照式(2)计算：
式中n——由1月1日起算的天数。
进入pid控制的基本算法分析，pid控制是一种适应性很强且较成熟的方法，其基本算法为：
式中，e＝t0-t,t0、t分别为设定温度和实际温度；e为温度偏差；kp为比例控制系数；ti、td分别为积分和微分时间常数。
以上是常用的传统模拟式pid调节器所采用的基本算法。通过计算机的软件算法，可实现对温度等高精度的控制对象的快速精确控制。数字式pid控制基本算法为：
式中，ei＝t0-ti,
本发明染料制备的聚光型中温太阳能集热器制造工艺和集成技术，集热器出口温度可达150℃，满足染料制备过程热能温度需求，集热效率达到45％，制备效果显著，安全可靠，同时具有很强的实用性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。