一种太阳能集热管被动偏置方法及装置

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被动偏置方法及装置。


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被动偏置方法及装置，其目的在于，确定集热器的理想临界偏置量，并考虑集热器受其他因素的影响，对时刻处于变化的集热管偏置量进行被动调节，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被动偏置方法，包括如下步骤：
6.当集热管偏置时，集热管内的吸热管几何轴心向下偏离焦线，当集热管下方的抛物反射镜端点反射光束的边缘刚好与吸热管相切时，以此时对应的偏置量作为理想临界偏置量；
7.按照理想临界偏置量安装集热管，然后逐次向上移动集热管，使偏置量减小，并相应测量集热管的进出口流体温度差，当进出口流体温度差不再上升时，集热管偏置量到达实际临界偏置量附近，完成集热管安装和偏置量调整。
8.作为进一步优选的，完成集热管安装和偏置量调整后，在集热管工作过程中，先向下移动一次集热管，实时获取集热管的进出口流体温度差，若进出口流体温度差上升，则继续向上一次移动方向移动集热管；若进出口流体温度差下降，则向上一次移动相反的方向移动集热管。
9.作为进一步优选的，所述理想临界偏置量的计算式为：
[0010][0011]
其中，δz*为理想临界偏置量，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；α为集热管位于理想临界偏置量时，抛物反射镜端点反射光束的边缘与吸热管的切线与抛物反射镜两端点间连线的夹角。
[0012]
作为进一步优选的，角度α的计算方式为：
[0013][0014]
其中，β为半太阳张角。
[0015]
作为进一步优选的，每次移动集热管的时间间隔为2min～5min。
[0016]
作为进一步优选的，每次移动集热管的距离为0.5mm～1mm。
[0017]
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被动偏置方法的装置，包括支架、集热管支柱、丝杆螺母机构、管卡和流体温度计，其中：
[0018]
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；所述流体温度计安装在集热管进出口，用于测量进出口流体温度差。
[0019]
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：
[0020]
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。据此本发明确定保障光学效率下的集热器的理想临界偏置量，同时考虑到集热器受重力、复杂地理条件等影响，该临界偏置量偏大，故进一步以传感器数据为依据进行被动式集热管偏置量调节，提高太阳能流分布均匀性和集热管安全性。
[0021]
2.由于集热管不同位置受重力引起的形变量不同，太阳能系统追踪太阳的旋转角度与其所处地理位置和布置方法相关，实际临界偏置量应小于理想临界偏置量，并随时处于变化中，难以精确计算实际临界偏置量的具体数值；因此本发明通过集热管的进出口流体温度差来判断系统的热经济性，并据此实时调整集热管的偏置量以适应系统变化，实现对集热管偏置量的准确、实时调整。
[0022]
3.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
[0023]
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；
[0024]
图2为本发明实施例达到理想临界偏置量的槽式太阳能聚光集热器示意图；
[0025]
图3为本发明实施例达到理想临界偏置量的槽式太阳能聚光集热器数学模型图；
[0026]
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；
[0027]
图5为本发明实施例槽式太阳能聚光集热器的结构图；
[0028]
图6为本发明实施例简支梁示意图；
[0029]
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；
[0030]
图8为本发明实施例偏置过程的进出口温度差和热应力变化示意图；
[0031]
图9为本发明实施例加装偏置装置的太阳能集热器示意图；
[0032]
图10为本发明实施例加装偏置装置的太阳能集热器剖面图；
[0033]
图11为本发明实施例太阳能集热管被动偏置方法技术路线图。
[0034]
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
[0035]
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。
[0036]
本发明实施例提供的一种太阳能集热管被动偏置方法，如图11所示，计算保障光学效率下的集热器的理想临界偏置量，考虑集热器受重力、复杂地理条件等影响，形成以传感器数据为依据的被动式集热管偏置量被动调节方法，设计精确的传动机构，保障偏置方法准确实施。
[0037]
具体包括如下步骤：
[0038]
1、槽式太阳能集热器的偏置需求分析
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
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：理想临界偏置量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)。
[0042]
2、理想临界偏置量计算
[0043]
抽象图2中的数学模型，计算理想临界偏置量。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：
[0044][0045]
式中，β为半太阳张角，β＝4.65mrad。
[0046]
可得直线pq的方程为：
[0047][0048]
o’的坐标为：
[0049][0050]
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：
[0051][0052]
式中：d
ab,o
为吸热管(o’)的外径。
[0053]
综上所述，可得理想临界偏置量δz*为：
[0054][0055]
3、实际情况下的临界偏置量分析
[0056]
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。按照现有槽式系统的设计规律，商用槽式太阳能热发电站的太阳镜场如图4所示，多个反射镜，支架和吸热管拼接成一个完整的镜场。
[0057]
槽式太阳能聚光集热器单个单元的结构如图5所示。集热管包括玻璃管和吸热管，内部有传热流体，可忽略玻璃管的形变，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包括吸热管自重和管内传热流体自重，则：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产生形变，其最大形变位于两个支架的中间位置。因此受重力影响，集热管会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。
[0058]
同时，槽式太阳能集热系统整体会随太阳移动而转动，在重力和转动的双重影响下，其实际临界偏置量δz
#
如图7所示(θ为太阳跟踪角)。
[0059]
因此，由于集热管不同位置受重力引起的形变量不同，槽式太阳能系统追踪太阳的旋转角度与其所处地理位置和布置方法相关，实际临界偏置量δz
#
应小于理想临界偏置量δz*，且实际临界偏置量会在系统工作中发生变化，难以精确计算实际临界偏置量的具体数值。
[0060]
4、被动偏置分析
[0061]
集热管偏置放置的目的就是为了提升集热管的安全性，同时保障其经济性，集热
管从初始安装位置到实际临界偏置量δz
#
，继续偏置到理想临界偏置量δz*，再继续偏置全过程的主要经济性指标(集热管进出口流体温差)和安全性指标(热应力)的变化趋势情况，如图8所示：
[0062]
(1)初始安装位置(偏置量为0)——实际临界偏置位置
[0063]
在这一阶段，反射光线全部照射在集热管表面，且照射面积变大，热流更加均匀，管壁处的温度梯度减小，热应力和应变减小，安全性上升，同时更均匀的热流也使得系统的热经济性有很小幅度的上升，体现在图中，就是进出口流体温度差小幅度上升。
[0064]
(2)实际临界偏置位置——理想临界偏置位置
[0065]
此时开始有少量反射光线从集热管顶部逸散，系统光学效率下降，同时热经济性下降，热量的流失使得管壁的整体温度下降，管壁处温度梯度减小，热应力和应变减小，安全性上升。此阶段热经济性虽然下滑，但下滑较小，进出口工质的温差变化也较小。
[0066]
(3)理想临界偏置位置——严重过偏置位置
[0067]
这一阶段内，集热管继续向反射镜移动，大量光线从集热管顶部逸散，系统的热经济性显著下降，与此同时，热量流失使得管壁的整体温度下降，管壁处温度梯度减小，热应力和应变减小，安全性上升。在此阶段内，系统热经济性严重下滑，进出口流体温差也明显下降，将产生巨大经济损失。
[0068]
因此，实际临界偏置位置具有如下特点：该位置接近系统热经济性的最顶点，集热管进出口流体的温度差也最大；且在该点周围，系统的安全性持续上升，管壁的热应变、应力和温度梯度持续下降。
[0069]
基于以上内容，追踪实际临界偏置位置只需要进出口流体温度差一个指标，本发明提出一种被动偏置方法：在小于理想临界偏置量的范围内通过被动方法追踪实际临界偏位置。调节依据为，在实际临界偏置位置附近，系统的热经济性最高，流入管内的工质可以获得更多的热量，温度上升也会更加明显，因此，可以测量集热管进出口的温度差作为指标，追踪临界偏置位置。
[0070]
5、被动偏置装置设计
[0071]
为实现上述太阳能集热管被动偏置方法，相应设计了被动偏置装置，如图9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：
[0072]
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。
[0073]
丝杆步进电机是实现集热管偏置运动的主要执行元件，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。
[0074]
加装被动偏置装置的太阳能集热器如图10所示，流体温度计安装在集热管进出口，用于测量进出口流体温度；分析处理器的作用为分析传感器的测量数据，判断偏置值是否达到临界偏置量；脉冲信号发生器负责将分析处理器的分析结果转换为脉冲信号，控制步进电机工作。
[0075]
此外，本发明的驱动机构不限于采用步进电机+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。
[0076]
6、被动偏置过程
[0077]
开始时集热管按照理想临界偏置量安装，安装后分析处理器读取流体温度计温度，并计算进出口流体温度差，随后脉冲信号发生器发出信号，控制步进电机工作，使偏置量减小1毫米(偏置量一般为毫米级别)，分析处理器读取此时的流体温度计数据，并与上次读取的数据进行比较，如果进出口流体温度差上升，则继续控制步进电机运动，使偏置量减小。重复上述过程，直到某次调节后，进出口流体温度差不再上升，此时集热管到达当前的实际临界偏置量附近。然后控制集热管偏置量增加1毫米，分析处理器继续读取传感器数据并分析，如果进出口流体温度差上升，则继续向该方向调节偏置量，如果进出口流体温度差下降，则向反方向调节偏置量。
[0078]
分析处理器每间隔3分钟，读取一次数据，这样时刻读取数据，并改变集热管的偏置量，使得集热管的偏置量始终在实际临界偏置量附近，达到最高的经济性，在此基础上最大限度提升系统的安全性。
[0079]
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。