劉英玉，肖洪，朱天宇

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

太陽能作為一種新能源其利用形式主要有三種:光—熱轉(zhuǎn)換、光—電轉(zhuǎn)換、光—化學(xué)轉(zhuǎn)換。其中以光—熱轉(zhuǎn)換為主的槽式太陽能電站已經(jīng)是技術(shù)發(fā)展最為成熟的一種，目前槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是唯一可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作的系統(tǒng)，其投資成本相對較低，在白天用電高峰時(shí)可以提供穩(wěn)定的電能。因此，槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展必將具有十分廣闊的前景。

西方國家對太陽能的利用較早，在1985～1991 年間美國魯茲公司先后建立了9 座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量達(dá)到了354 MW。其中最為典型的是80 MW 裝機(jī)容量的SEGSVII 電站，主要特征為:槽式拋物面反射鏡東西放置，采用單軸跟蹤技術(shù)。真空管集熱器的直徑為70 mm的不銹鋼管裝在直徑為115 mm 的圓柱形玻璃套內(nèi)。不銹鋼管外壁涂有高溫選擇性吸收涂層，玻璃管內(nèi)抽成真空，以減少熱量的流失。南京春暉科技實(shí)業(yè)有限公司和河海大學(xué)新材料新能源開發(fā)研究所聯(lián)合組成攻關(guān)小組，在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的槽式拋物面反射鏡、槽式太陽能接收器研究方面取得了一定的進(jìn)展。

為了實(shí)現(xiàn)槽式太陽能熱發(fā)電站的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用，需要進(jìn)一步降低發(fā)電成本，提高太陽能利用率。因此，需要對聚光器的聚光比與支架的變形進(jìn)行研究，通過研究支架變形前后與聚光比的關(guān)系，提出支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式。目前國內(nèi)外許多學(xué)者對支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與優(yōu)化，Schlaich 等人開發(fā)了新一代的槽式拋物面聚光器，對聚光器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的支架零件數(shù)量較少，質(zhì)量減輕。Solargenix 公司開發(fā)了全鋁框架的槽式拋物面太陽能聚光器。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對聚光器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并測試了聚光器在不同條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，支架優(yōu)化后的質(zhì)量明顯減輕。南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院模擬了支架在不同風(fēng)速、不同角度下的運(yùn)行結(jié)果，并對優(yōu)化后的聚光特性進(jìn)行了分析。帥永等運(yùn)用蒙特卡洛射線法研究了槽式和碟式兩種拋物面集熱器的焦距、邊界角之間的關(guān)系;yang 等應(yīng)用蒙特卡羅光線追蹤法模擬了拋物面槽式系統(tǒng)的聚光特性，獲得了較高的精度。

1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)簡介

槽式太陽能熱發(fā)電站由六大子系統(tǒng)組成分別是:太陽輻射熱能采集系統(tǒng)(鏡場)、熱交換系統(tǒng)、補(bǔ)充能源系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)。其中太陽輻射熱能采集系統(tǒng)由支架、反光鏡、集熱器等組成。聚光器占整個(gè)槽式太陽能熱發(fā)電的發(fā)電成本的40%以上，因此，降低發(fā)電成本成了當(dāng)務(wù)之急，其中有效途徑之一就是采用合理的聚光系統(tǒng)。聚光系統(tǒng)應(yīng)使用合理的支架結(jié)構(gòu)形式，有效控制反射鏡面和支架的變形，提高太陽能輻射的利用率，這將對降低聚光槽式熱發(fā)電的成本有著十分重要的意義。

由于太陽輻射的能量密度較低，要想得到較高的集熱溫度，必須通過聚光手段來實(shí)現(xiàn)。槽式太陽能熱發(fā)電聚光器，將太陽光匯聚形成高能量密度的光束。首先太陽光經(jīng)鏡面反射到集熱器上，通過集熱器加熱管內(nèi)的傳熱工質(zhì)(油或者水)，被加熱的工質(zhì)通過熱交換器產(chǎn)生過熱蒸汽，過熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電(圖1)。

圖1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理框圖

目前在聚光器中主要使用的支架形式有扭矩盒式支架、扭管式支架和間隙式。扭矩盒式支架的核心部分是底部的一個(gè)盒子狀的結(jié)構(gòu)，用來給拋物面鏡的懸臂提供支撐。扭矩盒式支架制作簡單、安裝方便、質(zhì)量較輕、變形較小，能夠承載靜負(fù)載和風(fēng)載的能力(支架結(jié)構(gòu)如圖2 所示)。在工作過程中降低了支架結(jié)構(gòu)的彎曲變形，從而具有較高的光學(xué)性能。

圖2 槽式太陽能聚光支架

2 槽形拋物面聚光器

拋物線是唯一可將平行光聚焦于一點(diǎn)的型線。槽形拋物面的光孔就是槽的開口寬度，其大小決定了聚光器輸入的總能量，其焦距的距離決定了太陽像的大小，在聚光系統(tǒng)的焦平面上，像的能量密度和光孔寬度以及焦距大小密切相關(guān)。拋物面聚光器的聚光比，主要決定于相對光孔，并與接收器的形狀也有一定關(guān)系。

幾何聚光比表示聚光接收器接收的陽光開口面積與吸熱管表面積的比值。太陽輻射經(jīng)光孔進(jìn)入聚光器，由反射面將其聚焦到接收器。一般來說聚光器的聚光比越高，則聚焦中心達(dá)到的最高溫度就越高。

槽形拋物面聚光器光孔寬度設(shè)為b，槽長為l，聚光集熱器的即熱效率為η，單臺(tái)集熱器可獲得的有用能量收益為q(圖3)。則:

圖3 槽式真空集熱器截面示意圖

其中:I 為太陽直射輻射強(qiáng)度(kW/m2)，bl 為拋物面聚光器的光孔面積。

能量聚光比是聚焦到接收器上的平均太陽輻射能對入射太陽輻射能的比值。若投射到光孔上的入射太陽輻射能為I，由于鏡面存在誤差，導(dǎo)致最終匯聚到接收器上的平均太陽輻射能降低為IR。

式中:CE為能量聚光比，I 為投射到光孔上的入射太陽輻射能，IR為最終匯聚到接收器上的平均太陽輻射能。

理想聚光器聚光比的公式為:

式中:Aa為光孔面積，Ar為接收器的面積;

若令光孔面積Aa →∞，接收器的面積Ar →0，則有C→∞。

聚光器光孔的半采光角為Ф，則聚光器的最大采光角為2Фmax，在該角度內(nèi)投射到光孔上的太陽輻射，能夠完全被接收器接收。即聚光器線聚焦的最大聚光比為

3 矩形扭矩盒式聚光器支架受力分析

隨著槽式太陽能熱發(fā)電的商業(yè)運(yùn)行，各國都意識(shí)到太陽能聚光器對太陽輻射利用的重要性，對太陽能聚光技術(shù)進(jìn)行了研究，研究人員對支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。20 世紀(jì)90 年代，Schlaich 等人開發(fā)了拋物槽式聚光器，該聚光器在結(jié)構(gòu)上增加了矩形扭矩盒。扭矩盒是通過焊接和螺釘連接起來的金屬結(jié)構(gòu)，中間有一個(gè)正方形十字交叉部件，這種支架零件數(shù)量較少，安裝維護(hù)方便。

聚光器是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，反射鏡安裝在支架上，入射光經(jīng)反射鏡反射后到達(dá)接收器。反射鏡的安裝直接影響太陽能的利用率，因此，支架在運(yùn)行過程中要有足夠的剛度和良好的抗疲勞能力;支架質(zhì)量盡量減輕傳動(dòng)容易、能耗小制造成本低，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。

支架設(shè)計(jì)要求為:1)正常工作最大風(fēng)速為6 級(jí)風(fēng)，可抵御8 級(jí)風(fēng);2)在有相關(guān)措施的情況下，10 級(jí)風(fēng)以下具有不損壞反射鏡的功能;3)支架在自重和風(fēng)載的條件下變形要小。

表1 優(yōu)化前、后槽式集熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過對支架的分析從圖4 可以看到，支架的應(yīng)力主要集中在兩邊的斜支撐上面，特別是在支架的端部。從圖5可以看出支架由于承受自身質(zhì)量和外載荷、風(fēng)載等，支架變形明顯，支架端部變形位移較大，結(jié)合表1 從結(jié)構(gòu)參數(shù)可以看出支架變形后嚴(yán)重影響了聚光器的聚光比。圖6對支架的一些參數(shù)進(jìn)行了敏感度分析，從圖中可以看出，該參數(shù)對支架的影響為線性關(guān)系，圖7 是單個(gè)支架的結(jié)構(gòu)示意圖。從表1 可以看出優(yōu)化后的支架聚光比變大，開口寬度變大，焦距變小。這都有利于提高支架的聚光比，符合支架優(yōu)化的要求。

4 反射式聚光器設(shè)計(jì)

槽型拋物面聚光器的焦距尺寸決定了聚光器的焦線位置，由此決定了拋物面的加工型線，接收器為圓管的槽形拋物面聚光集熱器，其集熱管存在一個(gè)最佳直徑尺寸(Dmin)，能夠完全接收來自反射鏡的反射光線。如果集熱管的直徑D＜Dmin，則會(huì)出現(xiàn)漏光現(xiàn)象，即集熱管只能接收到一部分太陽反射光。

理想光學(xué)系統(tǒng)，在鏡面沒有加工誤差和跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確的情況下，求太陽反射光線完全落到接收器上的平均光線長度，

對式(4)進(jìn)行積分運(yùn)算求的平均光跡長度。

式中，m 為聚光器的相對光孔寬度，f 為聚光器的焦距，對式(5)是進(jìn)行求導(dǎo)得當(dāng)m=4√3 時(shí)聚光器的最大采光角為φmax=120o，這表明拋物面的焦點(diǎn)落在聚光器光孔平面以內(nèi)。

聚光太陽能集熱器有聚光器和接收器組成。聚光器一般由反射鏡或透鏡組成，主要有拋物面式反射鏡、菲涅爾式透鏡、菲涅爾式反射鏡等。聚光器主要有圓形接收器和拋物槽式聚光器等，其中拋物槽接收器已經(jīng)在電站實(shí)際應(yīng)用。

槽型拋物面聚光器，太陽輻射從鏡面頂點(diǎn)和鏡面邊緣點(diǎn)(xn，yn)反射出去的光線到達(dá)焦點(diǎn)出的尺寸分別為W和W/.從鏡面頂點(diǎn)到邊緣點(diǎn)的全部鏡面反射輻射均可落到接收器上，接收器的長短軸分別為:

式中:W/和W 分別為聚光器的長軸和短軸，xn為鏡面邊緣上的一點(diǎn)，f 為聚光器的焦距，δs為圓面張角，θ 為邊界角。

當(dāng)W/＞W(wǎng) 在滿足上述條件時(shí)，太陽光從各個(gè)點(diǎn)反射出去的光線完全能夠落在拋物面接收器上的條件下，槽式拋物面聚光集熱器集熱管的形狀可以為圓形、橢圓形和橄欖形。

5 結(jié)論

1)優(yōu)化后支架的焦距明顯變小，開口寬度變大，采光口面積變大，聚光比增大，提高了太陽輻射的利用率。支架變形更小，為進(jìn)一步分析聚光器的光學(xué)性能分析提供了條件。2)通過對支架進(jìn)行優(yōu)化，支架的材料減少，同時(shí)滿足了支架的強(qiáng)度和剛度要求，使支架更容易運(yùn)輸、安裝維護(hù)。3)支架變形后，開口寬度變大，焦距變小，可能會(huì)發(fā)生反射光有一部分被集熱光吸收，有一部分偏出，可以通過對優(yōu)化后支架的開口寬度與焦距重新設(shè)計(jì)集熱管的直徑，使設(shè)計(jì)的集熱管能夠完全接受來自反射鏡的光線，從而充分利用了太陽能輻射。

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