歐陽(yáng)海玉，牛玉剛，王浩林，閆柏玲

(1.華東理工大學(xué) 化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237;2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070;3.河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050051)

0 引言

線性菲涅爾反射式(Linear Fresnel Reflector，簡(jiǎn)稱(chēng)LFR)集熱器由微弧反射鏡、吸收器和跟蹤器組成。集熱器有多排反射鏡，而且每一面反射鏡都按照一定的角度跟蹤太陽(yáng)，并將反射光線匯聚到固定的接收器上。LFR系統(tǒng)反射鏡均采用平面鏡，在太陽(yáng)能中高溫利用中具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?-2］。然而，由于平面鏡反射光斑的寬度較寬，在某種程度上削弱了聚光效果，因此，為了改善集熱器的聚光效果，應(yīng)采用具有一定弧度的鏡面，如較小弧度的柱面鏡［3-4］。

鏡場(chǎng)一般采用南北方向布置，接收器固定安裝在鏡場(chǎng)中心上方。但是由于反射鏡的間距以及接收器的體積和位置的影響，LFR系統(tǒng)普遍存在遮擋和陰影現(xiàn)象，如何減小遮擋和陰影對(duì)于系統(tǒng)的影響，是線性菲涅爾集熱器設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。Mills等［5］提出了緊湊型LFR聚光裝置的概念，可以減小遮擋和陰影造成的反射鏡間距。杜春旭等［6-7］研究了線性菲涅爾聚光系統(tǒng)無(wú)遮擋鏡場(chǎng)布置的矢量分析和光學(xué)幾何方法，給出了無(wú)遮擋和陰影的條件。該文提出了在沒(méi)有遮擋的臨界情況下微弧反射鏡鏡場(chǎng)的布置方法，設(shè)計(jì)了帶有光電式單軸太陽(yáng)跟蹤器的微弧線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器。在該集熱器中，反射鏡都能在跟蹤器的控制下追蹤太陽(yáng)，將太陽(yáng)光線反射到吸收器上，達(dá)到良好的聚光集熱的效果。

1 LFR集熱器鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)

1.1 LFR集熱器鏡場(chǎng)布置原理

LFR集熱系統(tǒng)鏡場(chǎng)布置原理圖1所示。假設(shè)每一排反射鏡都能跟蹤太陽(yáng)并將入射到反射鏡面的陽(yáng)光反射到吸收器上。吸收器開(kāi)口寬度為W，距離鏡場(chǎng)中心O的高度為H。為防止相鄰微弧反射鏡之間的遮擋現(xiàn)象，相鄰的反射鏡應(yīng)該保持適當(dāng)?shù)木嚯xSn。設(shè)等弦長(zhǎng)反射鏡的弦長(zhǎng)為D，拱高為d，第n面反射鏡與鏡場(chǎng)中心O的水平距離為Qn，反射鏡中心切線與水平面夾角為βn，下端點(diǎn)切線與水平面夾角 βn，d。

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，可以得到鏡場(chǎng)布置所需要的關(guān)鍵參數(shù)的表達(dá)式:

圖1 鏡場(chǎng)布置設(shè)計(jì)原理圖

式中 α 由式(4)［8］求得:

其中δ為太陽(yáng)赤緯角;ψ為當(dāng)?shù)鼐暥?，北半球取正?ω為太陽(yáng)時(shí)角。設(shè)弧面鏡弧面半徑為R，根據(jù)幾何關(guān)系可以求得βn，d:

當(dāng)太陽(yáng)直射光線與水平x軸垂直時(shí)，α為90°，此時(shí)鏡場(chǎng)的初始條件為:

1.2 腔體吸收器寬度確定

腔體吸收器開(kāi)口寬度W的范圍由D、H和邊緣反射鏡距接收器中心水平距離QN決定。開(kāi)口寬度W必須大于最邊緣反射鏡光斑寬度才能保證將所有反射光線吸收。在實(shí)際應(yīng)用中，吸收器開(kāi)口寬度應(yīng)取最小值，即開(kāi)口寬度等于最邊緣反射鏡光斑寬度。因此，根據(jù)圖1中幾何關(guān)系可以得到吸收器開(kāi)口寬度W的表達(dá)式:

由(1)～(8)式可以求得集熱器鏡場(chǎng)的布置參數(shù)。由(8)式計(jì)算腔體吸收器開(kāi)口W時(shí)所用到的初始寬度為D，可能導(dǎo)致接收器的陰影寬度大于Q1，使得吸收器在鏡場(chǎng)的陰影對(duì)反射鏡產(chǎn)生遮擋，因此需要將此時(shí)的開(kāi)口寬度W進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化計(jì)算時(shí)，將求得的腔體吸收器開(kāi)口寬度W帶入(9)式中，重新計(jì)算鏡場(chǎng)的各參數(shù)。

整個(gè)集熱器布置參數(shù)的確定邏輯如圖2所示。首先根據(jù)(1)～(8)式計(jì)算出鏡場(chǎng)參數(shù)，然后將求得的開(kāi)口寬度W按照?qǐng)D中判斷關(guān)系式進(jìn)行判別，如果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求則得到的是正確的鏡場(chǎng)布置參數(shù)，如果不滿(mǎn)足，則將求得的開(kāi)口寬度帶入(9)式重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，直到滿(mǎn)足判斷關(guān)系式，得出正確結(jié)果。

圖2 鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)邏輯圖

1.3 LFR集熱器鏡場(chǎng)布置設(shè)計(jì)

由于三角形腔體吸收器內(nèi)部能量分布均勻，而且吸收器內(nèi)壁能量密度高，對(duì)于線聚焦菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱器有較好的熱性能［9］，所以本文設(shè)計(jì)的集熱器采用高4 000 mm，腔體開(kāi)口寬度為230 mm的三角形腔體吸收器，集熱器兩邊分別布置5面弦長(zhǎng)為400 mm、長(zhǎng)6 000 mm、拱高為1 mm的反射鏡。根據(jù)上文提出的設(shè)計(jì)方法，求出集熱器設(shè)計(jì)的所需要的布置參數(shù)如表1所示。

表1 集熱器布置參數(shù)表

根據(jù)表1中的鏡場(chǎng)布置參數(shù)，利用TracePro光學(xué)仿真軟件建立鏡場(chǎng)模型。其中，反射鏡(超白玻璃)反射率為0.97，吸收率為0.03，腔體吸收器反射率為 0.03，吸收率為 0.97。通過(guò)仿真，可以得到本文所設(shè)計(jì)的集熱器鏡場(chǎng)光線追跡和能量分布圖，如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)太陽(yáng)入射角為90度時(shí)，本文設(shè)計(jì)的集熱器鏡場(chǎng)中，相鄰反射鏡沒(méi)有遮擋和陰影現(xiàn)象，而且由于吸收器下方陰影處沒(méi)有布置反射鏡，所以吸收器陰影對(duì)系統(tǒng)也無(wú)影響，從仿真分析結(jié)果來(lái)看，本文提出的設(shè)計(jì)方法是正確可靠的。

2 單軸跟蹤器的設(shè)計(jì)

LFR集熱器鏡場(chǎng)中每一面反射鏡都要實(shí)時(shí)追蹤太陽(yáng)，并且將放射光線匯聚到固定位置的接收器上。鏡場(chǎng)在設(shè)定好鏡場(chǎng)初始角度后，太陽(yáng)每轉(zhuǎn)動(dòng)α°時(shí)，鏡場(chǎng)反射鏡相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)α°/2即可以實(shí)現(xiàn)將反射光匯聚到接收器上［10］。為滿(mǎn)足上述要求，本文設(shè)計(jì)了一種光電式單軸太陽(yáng)跟蹤器。其原理是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放電路控制繼電器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)日跟蹤。圖4為跟蹤器控制電路圖。

圖3 集熱器光線追跡圖和吸收器能量分布圖

電路中光敏電阻分別置于隔光板的兩側(cè)，當(dāng)兩個(gè)光敏電阻受到太陽(yáng)光照強(qiáng)度有變化時(shí)阻值發(fā)生相應(yīng)改變，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)輸入到LM741運(yùn)算放大器上，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放電路處理后，通過(guò)控制Q1、Q2兩個(gè)三極管開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)控制繼電器K1、K2的開(kāi)關(guān)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使反射鏡追蹤太陽(yáng)東西反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 跟蹤器控制電路圖

圖5 跟蹤器工作流程圖

控制電路調(diào)試時(shí)先取下隔光板，將兩個(gè)光敏電阻置于相同光照強(qiáng)度環(huán)境下，調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻R1使LM741輸入電壓為零。調(diào)零后，加上隔光板，將光敏電阻置于不同光照強(qiáng)度環(huán)境下，根據(jù)放大器的工作原理，將放大電路調(diào)整到最佳的放大倍數(shù)，使得電路既有可靠的控制精度又具有高的靈敏度，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。圖5為跟蹤器工作流程圖，跟蹤器開(kāi)始工作時(shí)，光敏電阻采集光照信息，當(dāng)R2光照強(qiáng)度大于R1時(shí)，Q2導(dǎo)通，K2控制電機(jī)往東轉(zhuǎn)，反之則Q1導(dǎo)通，K1控制電機(jī)往西轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)日跟蹤。

圖6為Multisim仿真的電壓波形。(a)為R2處于陽(yáng)光下，R1處于陰影下時(shí)，K1和K2回路電壓波形圖。此時(shí)Q1斷路，Q2導(dǎo)通，K2控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，使得反射鏡往東運(yùn)動(dòng)。(b)中Q1導(dǎo)通，Q2斷路，此時(shí)K1控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，反射鏡往西運(yùn)動(dòng)，直到LM741a輸入電壓為0，即滿(mǎn)足跟蹤要求時(shí)，Q1、Q2都斷路，電機(jī)無(wú)動(dòng)作。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖6 控制電路電壓波形圖

本文研究了微弧線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器鏡場(chǎng)布置原則，通過(guò)分析LFR集熱器的一些重要參數(shù)之間的幾何關(guān)系，推導(dǎo)出該類(lèi)系統(tǒng)接收器高度、鏡場(chǎng)的布置范圍、相鄰反射鏡間距等參數(shù)的關(guān)系，提出了微弧反射鏡在鏡場(chǎng)布置的最佳初始角度、接收器開(kāi)口寬度的確定方法，并且按照該方法設(shè)計(jì)了一套帶有光電式單軸太陽(yáng)跟蹤器的微弧線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器，對(duì)微弧線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的模型參考。

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