一種太陽能集熱管被動偏置方法及裝置
1.本發明屬于太陽能集熱器領域，更具體地，涉及一種太陽能集熱管被動偏置方法及裝置。
背景技術：
2.太陽能發電技術中，光伏發電技術發電成本低，裝機容量大，但受太陽輻射影響較大，常表現出波動性和間歇性。光伏發電采用高成本電化學儲能可在一定程度上緩解波動性，但無法解決晝夜間歇性。相較而言，太陽能熱發電技術的優勢可彌補光伏發電的不足。槽式太陽能熱發電技術是目前商業化程度最高的太陽能熱發電技術，占全球太陽能熱發電總裝機的76％以上。槽式太陽能系統主要采用呈拋物線型的反射鏡，使拋物面的軸線對準太陽，并把集熱管放在焦點處。只要反射鏡足夠大，只利用聚集太陽光將集熱管中的介質加熱到預定溫度。
3.因槽式太陽能集熱器的結構特點，入射太陽光線主要被拋物反射鏡匯聚到集熱管底部，使集熱管上下表面的太陽能流密度分布不均，導致集熱管壁產生較大溫度梯度。溫度梯度導致集熱管產生較大的熱變形，戳破玻璃管，造成真空失效等安全問題。
技術實現要素：
4.針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種太陽能集熱管被動偏置方法及裝置，其目的在于，確定集熱器的理想臨界偏置量，并考慮集熱器受其他因素的影響，對時刻處于變化的集熱管偏置量進行被動調節，提高太陽能流分布均勻性和集熱管安全性。
5.為實現上述目的，按照本發明的一方面，提出了一種太陽能集熱管被動偏置方法，包括如下步驟：
6.當集熱管偏置時，集熱管內的吸熱管幾何軸心向下偏離焦線，當集熱管下方的拋物反射鏡端點反射光束的邊緣剛好與吸熱管相切時，以此時對應的偏置量作為理想臨界偏置量；
7.按照理想臨界偏置量安裝集熱管，然后逐次向上移動集熱管，使偏置量減小，并相應測量集熱管的進出口流體溫度差，當進出口流體溫度差不再上升時，集熱管偏置量到達實際臨界偏置量附近，完成集熱管安裝和偏置量調整。
8.作為進一步優選的，完成集熱管安裝和偏置量調整后，在集熱管工作過程中，先向下移動一次集熱管，實時獲取集熱管的進出口流體溫度差，若進出口流體溫度差上升，則繼續向上一次移動方向移動集熱管；若進出口流體溫度差下降，則向上一次移動相反的方向移動集熱管。
9.作為進一步優選的，所述理想臨界偏置量的計算式為：
[0010][0011]
其中，δz*為理想臨界偏置量，d
ab,o
為吸熱管的外徑；|op|為偏置量為0時，集熱管中心與拋物反射鏡一端的距離；w為拋物反射鏡兩個端點間的距離；α為集熱管位于理想臨界偏置量時，拋物反射鏡端點反射光束的邊緣與吸熱管的切線與拋物反射鏡兩端點間連線的夾角。
[0012]
作為進一步優選的，角度α的計算方式為：
[0013][0014]
其中，β為半太陽張角。
[0015]
作為進一步優選的，每次移動集熱管的時間間隔為2min～5min。
[0016]
作為進一步優選的，每次移動集熱管的距離為0.5mm～1mm。
[0017]
按照本發明的另一方面，提供了一種用于實現上述太陽能集熱管被動偏置方法的裝置，包括支架、集熱管支柱、絲桿螺母機構、管卡和流體溫度計，其中：
[0018]
所述支架用于安裝拋物反射鏡，所述集熱管支柱設置在支架上；所述絲桿螺母機構包括步進電機、絲桿和調節螺母，所述步進電機安裝在集熱管支柱上，該電機用于驅動絲桿旋轉，從而使調節螺母上下運動，所述調節螺母與所述管卡相連；所述管卡用于固定集熱管；所述流體溫度計安裝在集熱管進出口，用于測量進出口流體溫度差。
[0019]
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：
[0020]
1.當吸熱管向下偏離焦線時，部分反射的太陽光束可以擴散到吸熱管的上表面，改善了整個吸熱管表面太陽能流分布的均勻性；只要偏離距離合適，槽式太陽能集熱系統的光效率就不會發生明顯變化。據此本發明確定保障光學效率下的集熱器的理想臨界偏置量，同時考慮到集熱器受重力、復雜地理條件等影響，該臨界偏置量偏大，故進一步以傳感器數據為依據進行被動式集熱管偏置量調節，提高太陽能流分布均勻性和集熱管安全性。
[0021]
2.由于集熱管不同位置受重力引起的形變量不同，太陽能系統追蹤太陽的旋轉角度與其所處地理位置和布置方法相關，實際臨界偏置量應小于理想臨界偏置量，并隨時處于變化中，難以精確計算實際臨界偏置量的具體數值；因此本發明通過集熱管的進出口流體溫度差來判斷系統的熱經濟性，并據此實時調整集熱管的偏置量以適應系統變化，實現對集熱管偏置量的準確、實時調整。
[0022]
3.本發明還設計了具體的偏置調節裝置，絲桿步進電機在脈沖信號輸入時工作，其旋轉角度由脈沖信號個數確定，可以精確控制集熱管上升的高度，精度可達微米級，足以響應微小的偏置量變化，精度高、空間小且可靠性高。
附圖說明
[0023]
圖1為本發明實施例未偏置的槽式太陽能聚光集熱器示意圖；
[0024]
圖2為本發明實施例達到理想臨界偏置量的槽式太陽能聚光集熱器示意圖；
[0025]
圖3為本發明實施例達到理想臨界偏置量的槽式太陽能聚光集熱器數學模型圖；
[0026]
圖4為本發明實施例槽式太陽能熱發電站的太陽鏡場示意圖；
[0027]
圖5為本發明實施例槽式太陽能聚光集熱器的結構圖；
[0028]
圖6為本發明實施例簡支梁示意圖；
[0029]
圖7中(a)、(b)為本發明實施例綜合影響下的槽式太陽能聚光集熱系統旋轉角度為0和不為0時的偏置示意圖；
[0030]
圖8為本發明實施例偏置過程的進出口溫度差和熱應力變化示意圖；
[0031]
圖9為本發明實施例加裝偏置裝置的太陽能集熱器示意圖；
[0032]
圖10為本發明實施例加裝偏置裝置的太陽能集熱器剖面圖；
[0033]
圖11為本發明實施例太陽能集熱管被動偏置方法技術路線圖。
[0034]
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-支架、2-拋物反射鏡、3-集熱管支柱、4-管卡、5-集熱管、6-步進電機、7-調節螺母。
具體實施方式
[0035]
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0036]
本發明實施例提供的一種太陽能集熱管被動偏置方法，如圖11所示，計算保障光學效率下的集熱器的理想臨界偏置量，考慮集熱器受重力、復雜地理條件等影響，形成以傳感器數據為依據的被動式集熱管偏置量被動調節方法，設計精確的傳動機構，保障偏置方法準確實施。
[0037]
具體包括如下步驟：
[0038]
1、槽式太陽能集熱器的偏置需求分析
[0039]
如圖5所示，現有商用槽式太陽能聚光集熱系統主要由拋物反射鏡和真空集熱管組成，其中真空集熱管位于拋物反射鏡的焦線處。真空集熱管由圓心向外依次包括：傳熱流體、吸熱管、真空間隙和玻璃管。
[0040]
如圖1所示，當集熱管不偏置時，即偏置量δz＝0，入射太陽光線主要被拋物反射鏡匯聚到集熱管底部，太陽光線垂直入射到反射鏡上任意一點p(xi,yi)，都會被反射到吸熱管底部。
[0041]
如圖2所示，當集熱管偏置時，吸熱管幾何軸心向下偏離焦線，將反射鏡邊緣點反射光束的邊緣p-c’剛好與吸熱管相切時對應的偏置量記為：理想臨界偏置量δz*，此時，若偏置量繼續增大，即|δz|＞|δz
*
|(δz＜0,δz
*
＜0)時，上述反射光束的部分光線將逸散到環境中，不能聚集在吸熱管表面上，導致槽式太陽能集熱系統的光學效率下降。因此，為保證槽式系統的光學效率不損失，吸熱管的偏置量不應大于|δz
*
|(δz
*
＜0)。
[0042]
2、理想臨界偏置量計算
[0043]
抽象圖2中的數學模型，計算理想臨界偏置量。如圖3所示，圓o沿y軸向下平移δz*得到圓o’，p和p’為拋物反射鏡的兩個端點，線段pp’的長度為w，q為圓o’與反射光線pq的交點，以線段pp’的中點s為原點建立笛卡爾坐標系，os的長度即為f，則p點坐標為p(-w/2,0)，定義qpp’為α，可得：
[0044][0045]
式中，β為半太陽張角，β＝4.65mrad。
[0046]
可得直線pq的方程為：
[0047][0048]
o’的坐標為：
[0049][0050]
圓o’與直線pq相切與點q，即為o’與直線pq的距離為圓o’的半徑，根據點到直線距離公式可得：
[0051][0052]
式中：d
ab,o
為吸熱管(o’)的外徑。
[0053]
綜上所述，可得理想臨界偏置量δz*為：
[0054][0055]
3、實際情況下的臨界偏置量分析
[0056]
考慮到集熱管自重和管內流體的重力作用，吸熱管不可避免將發生形變。按照現有槽式系統的設計規律，商用槽式太陽能熱發電站的太陽鏡場如圖4所示，多個反射鏡，支架和吸熱管拼接成一個完整的鏡場。
[0057]
槽式太陽能聚光集熱器單個單元的結構如圖5所示。集熱管包括玻璃管和吸熱管，內部有傳熱流體，可忽略玻璃管的形變，只考慮吸熱管在重力作用下的形變。實際工程中，相鄰兩支架間的吸熱管所受重力包括吸熱管自重和管內傳熱流體自重，則：相鄰兩支架及其之間的吸熱管可視為均布載荷簡支梁，如圖6所示，根據結構力學理論易得，吸熱管在重力作用下產生形變，其最大形變位于兩個支架的中間位置。因此受重力影響，集熱管會產生豎直向下的形變，實際臨界偏置量絕對值應小于最大臨界偏置量絕對值。
[0058]
同時，槽式太陽能集熱系統整體會隨太陽移動而轉動，在重力和轉動的雙重影響下，其實際臨界偏置量δz
#
如圖7所示(θ為太陽跟蹤角)。
[0059]
因此，由于集熱管不同位置受重力引起的形變量不同，槽式太陽能系統追蹤太陽的旋轉角度與其所處地理位置和布置方法相關，實際臨界偏置量δz
#
應小于理想臨界偏置量δz*，且實際臨界偏置量會在系統工作中發生變化，難以精確計算實際臨界偏置量的具體數值。
[0060]
4、被動偏置分析
[0061]
集熱管偏置放置的目的就是為了提升集熱管的安全性，同時保障其經濟性，集熱
管從初始安裝位置到實際臨界偏置量δz
#
，繼續偏置到理想臨界偏置量δz*，再繼續偏置全過程的主要經濟性指標(集熱管進出口流體溫差)和安全性指標(熱應力)的變化趨勢情況，如圖8所示：
[0062]
(1)初始安裝位置(偏置量為0)——實際臨界偏置位置
[0063]
在這一階段，反射光線全部照射在集熱管表面，且照射面積變大，熱流更加均勻，管壁處的溫度梯度減小，熱應力和應變減小，安全性上升，同時更均勻的熱流也使得系統的熱經濟性有很小幅度的上升，體現在圖中，就是進出口流體溫度差小幅度上升。
[0064]
(2)實際臨界偏置位置——理想臨界偏置位置
[0065]
此時開始有少量反射光線從集熱管頂部逸散，系統光學效率下降，同時熱經濟性下降，熱量的流失使得管壁的整體溫度下降，管壁處溫度梯度減小，熱應力和應變減小，安全性上升。此階段熱經濟性雖然下滑，但下滑較小，進出口工質的溫差變化也較小。
[0066]
(3)理想臨界偏置位置——嚴重過偏置位置
[0067]
這一階段內，集熱管繼續向反射鏡移動，大量光線從集熱管頂部逸散，系統的熱經濟性顯著下降，與此同時，熱量流失使得管壁的整體溫度下降，管壁處溫度梯度減小，熱應力和應變減小，安全性上升。在此階段內，系統熱經濟性嚴重下滑，進出口流體溫差也明顯下降，將產生巨大經濟損失。
[0068]
因此，實際臨界偏置位置具有如下特點：該位置接近系統熱經濟性的最頂點，集熱管進出口流體的溫度差也最大；且在該點周圍，系統的安全性持續上升，管壁的熱應變、應力和溫度梯度持續下降。
[0069]
基于以上內容，追蹤實際臨界偏置位置只需要進出口流體溫度差一個指標，本發明提出一種被動偏置方法：在小于理想臨界偏置量的范圍內通過被動方法追蹤實際臨界偏位置。調節依據為，在實際臨界偏置位置附近，系統的熱經濟性最高，流入管內的工質可以獲得更多的熱量，溫度上升也會更加明顯，因此，可以測量集熱管進出口的溫度差作為指標，追蹤臨界偏置位置。
[0070]
5、被動偏置裝置設計
[0071]
為實現上述太陽能集熱管被動偏置方法，相應設計了被動偏置裝置，如圖9所示，包括支架1、集熱管支柱3、絲桿螺母機構和管卡4，其中：
[0072]
絲桿螺母機構包括步進電機6、絲桿和調節螺母7。集熱管5由管卡4固定，管卡4與調節螺母7相連。調節螺母7與步進電機6配合，當步進電機6工作時，通過絲桿使調節螺母7上下運動，控制集熱管5做偏置運動。步進電機6安裝于集熱管支柱3上，并與支架1相連。拋物反射鏡2安裝于支架1之上。
[0073]
絲桿步進電機是實現集熱管偏置運動的主要執行元件，它在脈沖信號輸入時工作，其旋轉角度由脈沖信號個數確定，可以精確控制集熱管上升的高度，精度可達微米級，足以響應微小的偏置量變化，適合本發明所需要的精度高、空間小和可靠性高要求。
[0074]
加裝被動偏置裝置的太陽能集熱器如圖10所示，流體溫度計安裝在集熱管進出口，用于測量進出口流體溫度；分析處理器的作用為分析傳感器的測量數據，判斷偏置值是否達到臨界偏置量；脈沖信號發生器負責將分析處理器的分析結果轉換為脈沖信號，控制步進電機工作。
[0075]
此外，本發明的驅動機構不限于采用步進電機+螺桿的配合，還包括推桿驅動、油
壓缸驅動等能驅動集熱管偏置的裝置。
[0076]
6、被動偏置過程
[0077]
開始時集熱管按照理想臨界偏置量安裝，安裝后分析處理器讀取流體溫度計溫度，并計算進出口流體溫度差，隨后脈沖信號發生器發出信號，控制步進電機工作，使偏置量減小1毫米(偏置量一般為毫米級別)，分析處理器讀取此時的流體溫度計數據，并與上次讀取的數據進行比較，如果進出口流體溫度差上升，則繼續控制步進電機運動，使偏置量減小。重復上述過程，直到某次調節后，進出口流體溫度差不再上升，此時集熱管到達當前的實際臨界偏置量附近。然后控制集熱管偏置量增加1毫米，分析處理器繼續讀取傳感器數據并分析，如果進出口流體溫度差上升，則繼續向該方向調節偏置量，如果進出口流體溫度差下降，則向反方向調節偏置量。
[0078]
分析處理器每間隔3分鐘，讀取一次數據，這樣時刻讀取數據，并改變集熱管的偏置量，使得集熱管的偏置量始終在實際臨界偏置量附近，達到最高的經濟性，在此基礎上最大限度提升系統的安全性。
[0079]
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種太陽能集熱管被動偏置方法，其特征在于，包括如下步驟：當集熱管偏置時，集熱管內的吸熱管幾何軸心向下偏離焦線，當集熱管下方的拋物反射鏡端點反射光束的邊緣剛好與吸熱管相切時，以此時對應的偏置量作為理想臨界偏置量；按照理想臨界偏置量安裝集熱管，然后逐次向上移動集熱管，使偏置量減小，并相應測量集熱管的進出口流體溫度差，當進出口流體溫度差不再上升時，集熱管偏置量到達實際臨界偏置量附近，完成集熱管安裝和偏置量調整。2.如權利要求1所述的太陽能集熱管被動偏置方法，其特征在于，完成集熱管安裝和偏置量調整后，在集熱管工作過程中，先向下移動一次集熱管，實時獲取集熱管的進出口流體溫度差，若進出口流體溫度差上升，則繼續向上一次移動方向移動集熱管；若進出口流體溫度差下降，則向上一次移動相反的方向移動集熱管。3.如權利要求1所述的太陽能集熱管被動偏置方法，其特征在于，所述理想臨界偏置量的計算式為：其中，δz*為理想臨界偏置量，d
ab,o
為吸熱管的外徑；|op|為偏置量為0時，集熱管中心與拋物反射鏡一端的距離；w為拋物反射鏡兩個端點間的距離；α為集熱管位于理想臨界偏置量時，拋物反射鏡端點反射光束的邊緣與吸熱管的切線與拋物反射鏡兩端點間連線的夾角。4.如權利要求3所述的太陽能集熱管被動偏置方法，其特征在于，角度α的計算方式為：其中，β為半太陽張角。5.如權利要求1-4任一項所述的太陽能集熱管被動偏置方法，其特征在于，每次移動集熱管的時間間隔為2min～5min。6.如權利要求1-4任一項所述的太陽能集熱管被動偏置方法，其特征在于，每次移動集熱管的距離為0.5mm～1mm。7.一種用于實現如權利要求1-6任一項所述的太陽能集熱管被動偏置方法的裝置，其特征在于，包括支架、集熱管支柱、絲桿螺母機構、管卡和流體溫度計，其中：所述支架用于安裝拋物反射鏡，所述集熱管支柱設置在支架上；所述絲桿螺母機構包括步進電機、絲桿和調節螺母，所述步進電機安裝在集熱管支柱上，該電機用于驅動絲桿旋轉，從而使調節螺母上下運動，所述調節螺母與所述管卡相連；所述管卡用于固定集熱管；所述流體溫度計安裝在集熱管進出口，用于測量進出口流體溫度差。
技術總結
本發明屬于太陽能集熱器領域，并具體公開了一種太陽能集熱管被動偏置方法及裝置，其包括步驟：當集熱管偏置時，集熱管內的吸熱管幾何軸心向下偏離焦線，當集熱管下方的拋物反射鏡端點反射光束的邊緣剛好與吸熱管相切時，以此時對應的偏置量作為理想臨界偏置量；按照理想臨界偏置量安裝集熱管，然后逐次向上移動集熱管，使偏置量減小，并相應測量集熱管的進出口流體溫度差，當進出口流體溫度差不再上升時，集熱管偏置量到達實際臨界偏置量附近，并根據進出口流體溫度差繼續跟蹤變化的臨界偏置量。本發明先確定集熱器的理想臨界偏置量，并考慮集熱器受其他因素的影響，對集熱管偏置量進行被動調節，提高太陽能流分布均勻性和集熱管安全性。熱管安全性。熱管安全性。
