一种太阳能集热管主动偏置方法及装置

1.本发明属于太阳能集热器领域，更具体地，涉及一种太阳能集热管主动偏置方法及装置。


背景技术：

2.太阳能发电技术中，光伏发电技术发电成本低，装机容量大，但受太阳辐射影响较大，常表现出波动性和间歇性。光伏发电采用高成本电化学储能可在一定程度上缓解波动性，但无法解决昼夜间歇性。相较而言，太阳能热发电技术的优势可弥补光伏发电的不足。槽式太阳能热发电技术是目前商业化程度最高的太阳能热发电技术，占全球太阳能热发电总装机的76％以上。槽式太阳能系统主要采用呈抛物线型的反射镜，使抛物面的轴线对准太阳，并把集热管放在焦点处。只要反射镜足够大，只利用聚集太阳光将集热管中的介质加热到预定温度。
3.因槽式太阳能集热器的结构特点，入射太阳光线主要被抛物反射镜汇聚到集热管底部，使集热管上下表面的太阳能流密度分布不均，导致集热管壁产生较大温度梯度。温度梯度导致集热管产生较大的热变形，戳破玻璃管，造成真空失效等安全问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太阳能集热管主动偏置方法及装置，其目的在于，考虑集热器受重力影响的形变，以及太阳位置改变而带来的系统旋转，确定集热管的偏置量，提高太阳能流分布均匀性和集热管安全性。
5.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种太阳能集热管主动偏置方法，包括如下步骤：
6.确定集热管内的吸热管在重力作用下的最大挠度z
max
；
7.考虑太阳移动，根据太阳方位角确定整个集热系统的旋转角度θ；
8.根据最大挠度z
max
和旋转角度θ确定集热管的实际偏置量，按照实际偏置量安装集热管，并根据旋转角度θ的变化，确定对应的实际偏置量，并实时调整集热管的位置。
9.作为进一步优选的，所述实际偏置量δz
#
的计算式如下：
[0010][0011]
其中，d
ab,o
为吸热管的外径；|op|为偏置量为0时，集热管中心与抛物反射镜一端的距离；w为抛物反射镜两个端点间的距离；角度α的确定方法为：将集热管偏置一定量，使得抛物反射镜边缘点反射光束的边缘与吸热管相切，该切线与抛物反射镜两端点间连线的夹角即为α。
[0012]
作为进一步优选的，角度α的计算式为：
[0013][0014]
其中，β为半太阳张角。
[0015]
作为进一步优选的，吸热管在重力作用下的最大挠度通过如下方式计算得到：
[0016]
槽式太阳能真空集热管所属的太阳镜场中设置多个等距分布的支架，将相邻两支架及其之间集热管作为均布载荷简支梁；
[0017]
均布载荷与相邻两支架间的集热管的长度相乘得到相邻两支架间的集热管内的吸热管所受重力，由此计算吸热管在重力作用下的最大挠度。
[0018]
作为进一步优选的，所述吸热管在重力作用下的最大挠度z
max
为：
[0019][0020]
其中，l为相邻两支架间的集热管的长度，g为相邻两支架间的集热管内的吸热管所受重力，e
ab
为吸热管弹性模量，i
ab,o
为吸热管的截面惯性矩。
[0021]
作为进一步优选的，所述吸热管为空心圆管，吸热管的截面惯性矩i
ab,o
计算式为：
[0022][0023]
其中，d
ab,o
和d
ab,i
分别为吸热管的外径和内径。
[0024]
作为进一步优选的，所述太阳方位角βs的计算方式如下：
[0025][0026]
其中，h为太阳高度角，ω为太阳时角，δ为太阳赤纬。
[0027]
按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述太阳能集热管主动偏置方法的装置，包括支架、集热管支柱、丝杆螺母机构和管卡，其中：
[0028]
所述支架用于安装抛物反射镜，所述集热管支柱设置在支架上；所述丝杆螺母机构包括步进电机、丝杆和调节螺母，所述步进电机安装在集热管支柱上，该电机用于驱动丝杆旋转，从而使调节螺母上下运动，所述调节螺母与所述管卡相连；所述管卡用于固定集热管。
[0029]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0030]
1.当吸热管向下偏离焦线时，部分反射的太阳光束可以扩散到吸热管的上表面，改善了整个吸热管表面太阳能流分布的均匀性；只要偏离距离合适，槽式太阳能集热系统的光效率就不会发生明显变化。据此本发明提出主动偏置安装集热管，同时考虑了集热器受重力影响的形变，以及太阳位置改变而带来的系统旋转，确定集热管的实际偏置量，从而提高太阳能流分布均匀性和吸热管安全性。
[0031]
2.本发明考虑了实际应用中集热系统随太阳移动的情况，基于太阳位置追踪方法，确定太阳能集热系统的实时旋转角度，并给出其与实际偏置量的具体关系，便于指导控制机构调节集热管位置，实用性更强。
[0032]
3.集热管由玻璃管和吸热管组成，由于玻璃管的形变较小，吸热管的形变量较大，
本发明忽略玻璃管的形变，只考虑吸热管在重力作用下的形变。将相邻两支架及其之间的吸热管视为均布载荷简支梁，计算吸热管在重力作用下的最大挠度，可以在保证计算准确率的情况下简化计算过程。
[0033]
4.本发明还设计了具体的偏置调节装置，丝杆步进电机在脉冲信号输入时工作，其旋转角度由脉冲信号个数确定，可以精确控制集热管上升的高度，精度可达微米级，足以响应微小的偏置量变化，精度高、空间小且可靠性高。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例未偏置的槽式太阳能聚光集热器示意图；
[0035]
图2为本发明实施例达到最大临界偏置量的槽式太阳能聚光集热器示意图；
[0036]
图3为本发明实施例达到最大临界偏置量的槽式太阳能聚光集热器数学模型图；
[0037]
图4为本发明实施例槽式太阳能热发电站的太阳镜场示意图；
[0038]
图5为本发明实施例槽式太阳能聚光集热器的结构图；
[0039]
图6为本发明实施例简支梁示意图；
[0040]
图7中(a)、(b)为本发明实施例综合影响下的槽式太阳能聚光集热系统旋转角度为0和不为0时的偏置示意图；
[0041]
图8为本发明实施例综合影响下槽式太阳能聚光集热系统偏置数学模型；
[0042]
图9为本发明实施例太阳光线角度图；
[0043]
图10为本发明实施例加装偏置装置的太阳能集热器示意图；
[0044]
图11为本发明实施例加装偏置装置的太阳能集热器剖面图；
[0045]
图12为本发明实施例太阳能集热管主动偏置方法技术路线图。
[0046]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-支架、2-抛物反射镜、3-集热管支柱、4-管卡、5-集热管、6-步进电机、7-调节螺母。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0048]
本发明实施例提供的一种太阳能集热管主动偏置方法，如图12所示，通过计算保障光学效率下的集热器的最大临界偏置量，考虑集热器受重力影响的形变，计算重力作用下的临界偏置量，追踪太阳位置，建立完整的偏置量数据库，设计精确的传动机构，保障偏置方法准确实施。
[0049]
具体包括如下步骤：
[0050]
一、计算最大临界偏置量
[0051]
如图5所示，现有商用槽式太阳能聚光集热系统主要由抛物反射镜和真空集热管组成，其中真空集热管位于抛物反射镜的焦线处。真空集热管由圆心向外依次包括：传热流体、吸热管、真空间隙和玻璃管。
[0052]
如图1所示，当集热管不偏置时，即偏置量δz＝0，入射太阳光线主要被抛物反射镜
汇聚到集热管底部，太阳光线垂直入射到反射镜上任意一点p(xi,yi)，都会被反射到吸热管底部。
[0053]
如图2所示，当集热管偏置时，吸热管几何轴心向下偏离焦线，将反射镜边缘点反射光束的边缘p-c’刚好与吸热管相切时对应的偏置量记为：最大临界偏置量δz*，此时，若偏置量继续增大，即|δz|＞|δz
*
|(δz＜0,δz
*
＜0)时，上述反射光束的部分光线将逸散到环境中，不能聚集在吸热管表面上，导致槽式太阳能集热系统的光学效率下降。因此，为保证槽式系统的光学效率不损失，吸热管的偏置量不应大于|δz
*
|(δz
*
＜0)。
[0054]
抽象此时的数学模型，计算最大临界偏置量。如图3所示，圆o沿y轴向下平移δz*得到圆o’，p和p’为抛物反射镜的两个端点，线段pp’的长度为w，q为圆o’与反射光线pq的交点，以线段pp’的中点s为原点建立笛卡尔坐标系，os的长度即为f，则p点坐标为p(-w/2,0)，定义qpp’为α，可得：
[0055][0056]
式中，β为半太阳张角，β＝4.65mrad。
[0057]
可得直线pq的方程为：
[0058][0059]
o’的坐标为：
[0060][0061]
圆o’与直线pq相切与点q，即为o’与直线pq的距离为圆o’的半径，根据点到直线距离公式可得：
[0062][0063]
式中：d
ab,o
为吸热管(o’)的外径。
[0064]
综上所述，可得最大临界偏置量δz*为：
[0065][0066]
二、计算重力引发的集热管型变量
[0067]
考虑到集热管自重和管内流体的重力作用，吸热管不可避免将发生形变。如图4所示，设商用槽式太阳能热发电站的太阳镜场设计总长度为l
tot
，按照现有槽式系统的设计规律，若该太阳镜场设置n个等距分布的支架，将集热管支承于槽式反射镜(抛物线型状如槽，所以抛物反射镜也称槽式反射镜)的焦线处，则该太阳镜场由n-1个图5所示的的长度为l的槽式太阳能集热器组成。单个槽式太阳能集热器长度l与太阳镜场总长度l
tot
存在以下关系：
[0068]
相邻两支架间的集热管的长度亦为l。集热管由玻璃管和吸热管组成，本发明忽略玻璃管的形变，只考虑吸热管在重力作用下的形变。实际工程中，相邻两支架间的吸热管所受重力g包括吸热管自重g1和管内传热流体自重g2，则：
[0069][0070]
式中：d
ab,o
和d
ab,i
为吸热管的内外直径；ρ1为吸热管密度；ρ2为管内传热流体密度；g为重力加速度；l为相邻两支架间的集热管的长度。
[0071]
相邻两支架及其之间的吸热管可视为均布载荷简支梁，如图6所示，根据结构力学理论易得，吸热管在重力作用下的最大挠度z
max
为：
[0072][0073]
式中：g为相邻两支架间的吸热管所受重力，q为均布载荷，ql＝g；e
ab.o
为吸热管弹性模量，i
ab,o
为吸热管的截面惯性矩。由于吸热管为空心圆管，其截面惯性矩i
ab,o
可由下式求得：
[0074][0075]
三、计算重力影响下的临界偏置量
[0076]
受重力影响时，集热管产生竖直向下的形变，实际临界偏置量绝对值应小于最大临界偏置量绝对值。当槽式太阳能聚光集热系统整体随太阳移动而转动时，其实际临界偏置量δz
#
如图7所示，图中o1为重力作用导致的集热管圆心位置，o2为重力作用下，偏置后的圆心位置(θ为集热系统旋转角度)。
[0077]
抽象旋转后的集热器系统的数学模型，并将其向原方向旋转θ，如图8所示。图中箭头k方向为原竖直地面方向，旋转后的建立坐标系方法及直线pq方程与前文相同，不赘述。
[0078]
点o1坐标为：
[0079]
点o2坐标为：
[0080][0081]
根据点到直线距离公式可得：
[0082][0083]
综上所述，槽式太阳能激光集热管的实际偏置量δz
#
为：
[0084][0085]
四、太阳位置追踪方法
[0086]
如图9所示，根据地理、天文条件等因素计算太阳高度角、方位角，确定太阳的准确位置，确定槽式太阳能集热系统的旋转角度，为偏置数据库提供数据来源。
[0087]
1.太阳高度角测定
[0088]
太阳高度角的计算如式：
[0089][0090]
式中：地理纬度用φ表示；太阳赤纬用δ表示；太阳时角用ω出表示。需要用gps接收器定位纬度，下面给出太阳赤纬和太阳时角的计算方法。
[0091]
太阳赤纬随季节变化，其变化按照coper方程如式:
[0092][0093]
式中：n表示季节在每年之中的天数。
[0094]
太阳时角计算方法如下：
[0095][0096]
式中，ω为太阳时角，单位是弧度(rad)；t为真太阳时，单位是小时(h)。
[0097]
平太阳时，表示我们通常意义上理解的时间概念。真太阳时，表示太阳在某点连续两次经过上中天的间隔时间。人们假想出一个平太阳时帮助计算时间。现假设地球是等速绕太阳旋转，此时一天的真实时间就由24小时表示即平太阳时。真太阳时和平太阳时的关系可以用下式表示：
[0098]
t＝t
p
+e
of
＝tg+e
of
[0099]
式中,t
p
为平太阳时，e
of
为时差，tg为格林尼治时间。
[0100]
时差e
of
的计算公式如下：
[0101][0102]
式中ф为每天的光照时间长度。
[0103][0104]
式中k是一年中的第k天。
[0105]
2.太阳方位角测定：
[0106]
方位角是太阳光垂直照射在地平面上光线的投影线与地平面上正南方向射线之间的夹角。其计算公式为:
[0107][0108]
式中βs为太阳方位角，h为太阳高度角。
[0109]
五、偏置量数据库
[0110]
基于太阳位置追踪方法，确定位于不同地理位置的槽式太阳能集热系统的旋转角度，根据实际偏置量计算方法，确定不同型号的太阳能电站的集热管临界偏置量，指导控制机构调节集热管位置。
[0111]
为实现上述太阳能集热管主动偏置方法，本发明还相应设计了太阳能集热器偏置机装置，如图10所示，包括支架1、集热管支柱3、丝杆螺母机构和管卡4，其中：
[0112]
丝杆螺母机构包括步进电机6、丝杆和调节螺母7。集热管5由管卡4固定，管卡4与调节螺母7相连。调节螺母7与步进电机6配合，当步进电机6工作时，通过丝杆使调节螺母7上下运动，控制集热管5做偏置运动。步进电机6安装于集热管支柱3上，并与支架1相连。抛物反射镜2安装于支架1之上。
[0113]
丝杆步进电机是控制集热管偏置量的核心元件，它在脉冲信号输入时工作，其旋转角度由脉冲信号个数确定，可以精确控制集热管上升的高度，精度可达微米级，足以响应微小的偏置量变化，适合本发明所需要的精度高、空间小和可靠性高要求。
[0114]
如图11所示，分析处理器从偏置数据库中调取偏置数据，并分析数据，转化成脉冲信号数，再通过脉冲信号发生器产生脉冲信号，并向丝杆步进电机发送相脉冲信号，最后丝杆步进电机带动调节螺母，控制集热管进行偏置运动。
[0115]
需要说明的是，本装置步进电机可以采用开环或闭环控制，开环控制进电机控制脉冲的输入并不依赖于转子的位置,而是按一个固定的规律发出控制脉冲,步进电机仅依靠这一系列既定的脉冲而工作,此时采用间歇式追踪，即完成一次偏置量调节后，装置复位回到初始位置，装置延迟一段时间后，重新进行太阳跟踪，重复上述步骤。闭环控制则增加偏置量传感器，实时监测集热管的位置，每次调节偏置量都建立在上一次的基础上，精度更高、启动稳定，但结构更复杂、可靠性有所下降。
[0116]
此外，本发明的驱动机构不限于采用步进电机与螺杆的配合，还包括推杆驱动、油压缸驱动等能驱动集热管偏置的装置。
[0117]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。