陶嘉煒，龔 俊，寧會(huì)峰

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

太陽(yáng)能作為綠色可再生能源，對(duì)解決當(dāng)今環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題具有顯著的優(yōu)勢(shì)。其中槽式光熱發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電的一種重要實(shí)現(xiàn)方式。其具有裝容規(guī)模大、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在聚光熱發(fā)電技術(shù)[1-2]中得到廣泛的應(yīng)用。但槽式光熱發(fā)電也存在一些缺陷。其中槽式聚光面作為光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心部件，與懸臂連接板直接相連，連接板在制造時(shí)存在誤差，導(dǎo)致相連集熱面的成型精度嚴(yán)重受損，影響集熱器聚光性能。

近兩年，張琛等[3]從光斑實(shí)狀及焦斑能量分布角度，使新能TRP-B集熱器的聚光性能得到改進(jìn)。馬宗瑞等[4]從計(jì)算SNT-1槽式懸臂法線約束條件角度，增強(qiáng)了集熱曲面的聚光效率。程效軍等[5]從曲面方程平差算法角度，給槽式拋物面的變形對(duì)聚光精度的影響提供了理論依據(jù)。但以上研究都未從槽式懸臂加工誤差對(duì)集熱器聚光性能影響的角度進(jìn)行分析。而懸臂加工誤差[6]對(duì)集熱器聚光性能的影響是必然存在且需要研究的。

本文采用理論和仿真相結(jié)合的研究方法，建立槽式懸臂連接板高度誤差影響集熱器聚光性能的數(shù)學(xué)模型。分析懸臂連接板在不同誤差下集熱面變形情況。利用光線追蹤技術(shù)手段，最終得到懸臂連接處高度誤差與集熱器聚光性能的關(guān)系。研究結(jié)果對(duì)懸臂的生產(chǎn)加工工藝有一定指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)可完善槽式懸臂與集熱面連接處的制造評(píng)價(jià)體系。

1 誤差Δh影響/l數(shù)學(xué)建模

模型以現(xiàn)有的一種扭矩管結(jié)構(gòu)光熱發(fā)電集熱設(shè)備為基本參照對(duì)象。以槽式光熱發(fā)電懸臂連接板為基本研究對(duì)象，懸臂連接板與懸臂貼合平面垂直方向的位移為高度誤差±Δh。單側(cè)懸臂上設(shè)計(jì)有6塊同規(guī)格槽式懸臂支架連接板(1-6)以固定集熱面，1、3連接板和4、6連接板分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)水平面，2連接板默認(rèn)低于1、3連接板，5連接板默認(rèn)低于4、6連接板。建立懸臂連接板高度誤差±Δh影響聚光性能數(shù)學(xué)模型。如圖1所示。

圖1 槽式光熱發(fā)電懸臂支架連接板高度誤差

2 誤差Δh與/l關(guān)系理論計(jì)算

2.1 /l定義及影響因素

性能較好的槽式光熱發(fā)電集熱設(shè)備，其聚光峰值約為73.68%。集熱設(shè)備的聚光量由4個(gè)影響[7-9]因素確定：集熱面的板面反射率/p；集熱玻璃管外層的透射率TMc；集熱金屬管材料的吸收率αc；集熱面的光線反射效率/l。其中/l為平行太陽(yáng)光入射至槽式光熱發(fā)電集熱面再反射至集熱金屬管的光線數(shù)量[10-11]與平行太陽(yáng)光入射至槽式光熱發(fā)電集熱面光線數(shù)量的比值。光線數(shù)量初始值越大，最后得到光線反射效率越準(zhǔn)確。

2.2 光線反射效率/l分析計(jì)算

太陽(yáng)能集熱器光線反射效率/l不同，主要是因?yàn)椴凼焦鉄岚l(fā)電集熱面在與加工精度較低的懸臂連接板連接定位后，槽式集熱面異于理論位置，且裝配式樣不同于理論式樣，使實(shí)際反射并被集熱管利用的光線小于理論值。

若slj>rlj，即光線反射損失量；

若slj≤rlj，即有效光線反射量。

圖2 空間異面直線確定光線反射效率/l

(1)

可得

(2)

其中

(3)

并且

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

可得理論光線反射效率/l。

3 形變集熱面有限元模擬

3.1 集熱子單元定義

為得到單一槽式懸臂連接板對(duì)其集熱面的影響區(qū)域范圍，需對(duì)單一集熱子單元進(jìn)行形變模擬分析，以得到不能被集熱管吸收的光線反射無(wú)效區(qū)。所采用的集熱子單元規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)于其它規(guī)格的集熱子單元，可采用類(lèi)比模擬的分析手段得到。

表1 槽式光熱發(fā)電集熱子單元規(guī)格參數(shù)

內(nèi)容數(shù)據(jù)槽式光熱發(fā)電懸臂連接板/mm100×45×20(長(zhǎng)×寬×厚)槽式光熱發(fā)電內(nèi)側(cè)集熱面一/mm1 640×1 700×4(長(zhǎng)×寬×厚)槽式光熱發(fā)電外側(cè)集熱面二/mm1 500×1 700×4(長(zhǎng)×寬×厚)

槽式光熱發(fā)電單側(cè)懸臂支架上焊接有6塊槽式懸臂連接板，每3塊連接板與一種集熱子面相連；每一種集熱子面處于邊沿位置的槽式懸臂連接板稱(chēng)為“邊沿連接板”，處于中心位置的連接板稱(chēng)為“中心連接板”；其平行并列的兩件單側(cè)槽式懸臂支架固定兩塊集熱子面，一塊集熱子面與6塊懸臂連接板相連。如圖3所示。

圖3 集熱子單元不同連接板基本構(gòu)成示意圖

其單一集熱子單元中包括外側(cè)集熱子面和內(nèi)側(cè)集熱子面，兩種集熱子面分別存在邊沿和中心兩種連接板。在槽式光熱發(fā)電懸臂連接板與其集熱面連接后，要求對(duì)應(yīng)集熱子面上邊沿連接板處于同一水平面。

3.2 誤差Δh分組及位移節(jié)點(diǎn)分析

4種連接板對(duì)應(yīng)其集熱面的位置不同，對(duì)光線反射效率/l的影響也不同。根據(jù)上述情況，對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行單因素方案分組見(jiàn)表2。

表2 單因素方案分組分析

分析內(nèi)容方案一a.外側(cè)集熱面邊沿連接板分析:外側(cè)邊沿單一誤差+其余理想b.內(nèi)側(cè)集熱面邊沿連接板分析:內(nèi)側(cè)邊沿單一誤差+其余理想方案二c.外側(cè)集熱面中心連接板分析:外側(cè)中心單一誤差+其余理想d.內(nèi)側(cè)集熱面中心連接板分析:內(nèi)側(cè)中心單一誤差+其余理想

利用Ansys有限元軟件模擬形變，分別分析槽式光熱發(fā)電懸臂連接板處于-2 mm，-1.5 mm，-1 mm…+1 mm，+1.5 mm，+2 mm高度誤差Δh下，對(duì)應(yīng)槽式光熱發(fā)電集熱子面形變區(qū)，記錄其在網(wǎng)格劃分下的各個(gè)節(jié)點(diǎn)位移量，總形變量，等效應(yīng)力云圖。

分析a，b，c，d方案時(shí)，每種方案分析9組數(shù)據(jù)。槽式光熱發(fā)電集熱面的材料為超白浮法玻璃，屬性需同時(shí)考慮，見(jiàn)表3。

表3 槽式集熱面變形分析材料屬性

內(nèi)容集熱面材料屬性彈性模量/GPa73.1泊松比0.2密度/kg·m-32 507.6強(qiáng)度極限/MPa41.4

基于上述模型，在集熱部件制造過(guò)程中，高度誤差未加工量記作高誤差+Δh，過(guò)加工量記作低誤差-Δh。分析數(shù)據(jù)，得到各個(gè)高度誤差±Δh的節(jié)點(diǎn)位移量。提取數(shù)據(jù)，為下一步仿真準(zhǔn)備。

通過(guò)得到總形變量，采集最大節(jié)點(diǎn)位移、較密集的形變節(jié)點(diǎn)位移值和對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍，利用Origin分析數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。

圖4 高誤差+Δh變形量位移節(jié)點(diǎn)區(qū)域分布

圖5 低誤差-Δh變形量位移節(jié)點(diǎn)區(qū)域分布

可得槽式光熱發(fā)電懸臂連接板在高度誤差0～0.5 mm處節(jié)點(diǎn)分布密集，對(duì)集熱器聚光性能影響較大。

4 形變集熱面光線追蹤仿真

4.1 集熱屬性定義

為得到節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)影響槽式光熱發(fā)電集熱子面區(qū)域，最終降低集熱器聚光性能。采用光線模擬分析軟件TracePro，對(duì)變形后的集熱部件進(jìn)行光學(xué)仿真。得到光線反射效率/l隨槽式懸臂連接板位置加工誤差變化的影響規(guī)律，分析總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果。

為得到準(zhǔn)確的光學(xué)仿真過(guò)程，需對(duì)太陽(yáng)光線追蹤程序中的光源及各集熱部件材料屬性定義，見(jiàn)表4。

表4 光源定義及各集熱部件材料屬性示意

內(nèi)容材料屬性槽式光熱發(fā)電集熱面空氣中折射系數(shù):1.07,表面反射率:93%,表面曲率精度:3/(mrad)集熱玻璃罩管空氣中折射系數(shù):1.50,表面透射率:91.5%,表面曲率精度:0.000 1/(mrad),表面反射率:9%,外(內(nèi))徑:102(99)/mm集熱金屬吸熱管空氣中折射系數(shù):1.10 表面吸收率:96% 表面曲率精度:0.000 1/(mrad),表面反射率:4% ,外(內(nèi))徑:63.5(61.5)/mm

采集在不同位置誤差下各個(gè)節(jié)點(diǎn)位移，輸入至TracePro分析軟件中。設(shè)置內(nèi)側(cè)集熱子面基點(diǎn)至集熱管位移量為1 710.592 mm。光源為格點(diǎn)光源，射入光線為存儲(chǔ)能量相同的等距離平行光線。

設(shè)置太陽(yáng)光半張角/為4.65 mrad，輻射能量為均勻分布，輻照度為1 000 W/m2，光線總數(shù)量為1×105按單側(cè)集熱子面和集熱管的光源占比分配。太陽(yáng)入射角為0°，忽略追蹤誤差模擬計(jì)算。

4.2 邊沿連接板誤差對(duì)聚光性能影響

設(shè)定單一外側(cè)邊沿連接板存在高度誤差，其余連接板為理想精度。當(dāng)光線入射至外側(cè)集熱子面，其高度誤差±Δh對(duì)集熱器單因素光線反射效率/l和單因素基礎(chǔ)聚光效率η的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 外側(cè)邊沿板誤差對(duì)聚光性能影響

可得集熱器聚光性能/l和/均隨外側(cè)集熱子面邊沿連接板位置高度誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。當(dāng)影響聚光性能其它因素為恒值，/l和/依次為99.68%和73.45%。根據(jù)效率與誤差量之間關(guān)系。

結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，外側(cè)邊沿板未加工量誤差比過(guò)加工量誤差對(duì)集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(2)加工誤差在0～0.5 mm時(shí)，集熱器聚光性能損失更加明顯。

內(nèi)外側(cè)集熱子面邊沿連接板變形對(duì)聚光量的影響程度不同，分析內(nèi)側(cè)集熱面邊沿連接板對(duì)集熱器聚光性能/l和/影響變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 內(nèi)側(cè)邊沿板誤差對(duì)聚光性能影響

集熱器聚光性能/l和/均隨內(nèi)側(cè)集熱子面邊沿連接板位置誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。/l和/依次為98.10%和72.28%。在高度誤差Δh同為未加工量+2 mm時(shí)，內(nèi)外側(cè)邊沿板對(duì)集熱器聚光性能/l和/分別相差1.58%和1.17%。

結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，內(nèi)側(cè)邊沿板較外側(cè)邊沿板對(duì)集熱器聚光性能損失影響更加明顯。

(2)等量誤差下，內(nèi)側(cè)邊沿板未加工量誤差比過(guò)加工量誤差對(duì)集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(3)加工誤差在0～0.5 mm時(shí)，集熱器聚光性能損失較明顯。過(guò)加工量誤差達(dá)到1.5 mm時(shí)，集熱器聚光量損失較大。

4.3 中心連接板誤差對(duì)聚光性能影響

設(shè)定單一外側(cè)中心連接板存在高度誤差，其余連接板為理想精度。當(dāng)光線入射至外側(cè)集熱面，其高度誤差±Δh對(duì)集熱器單因素光線反射效率/l和單因素基礎(chǔ)聚光效率/的影響規(guī)律如圖8所示。

圖8 外側(cè)中心板誤差對(duì)聚光性能影響

可得集熱器聚光性能/l和/隨位置誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。/l和/依次為99.67%和73.44%。根據(jù)效率與誤差量之間關(guān)系。結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，外側(cè)中心板過(guò)加工量誤差比未加工量誤差對(duì)集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(2)加工誤差在0～0.5 mm時(shí)，集熱器聚光性能損失更加明顯。

(3)外側(cè)中心板過(guò)加工量誤差每增大0.5 mm，聚光性能有明顯變化。

內(nèi)外側(cè)集熱子面中心連接板變形對(duì)聚光量的影響程度不同。分析內(nèi)側(cè)集熱面中心連接板對(duì)集熱器聚光性能損失影響變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 內(nèi)側(cè)中心板誤差對(duì)聚光性能影響

得到，/l和/均隨內(nèi)側(cè)集熱子面中心連接板位置高度誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。集熱器聚光性能/l和/依次為97.92%和72.15%。

結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，內(nèi)側(cè)中心板較外側(cè)中心板對(duì)集熱器聚光性能損失影響更加明顯。

(2)等量誤差下，內(nèi)側(cè)中心板未加工量誤差比過(guò)加工量誤差對(duì)集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(3)加工誤差在0～0.5 mm時(shí)，集熱器聚光性能損失較明顯。未加工量誤差超過(guò)1 mm時(shí)，集熱器聚光量損失較大。

5 結(jié)論

(1)等量誤差下，內(nèi)側(cè)集熱面較外側(cè)集熱面聚光性能損失更嚴(yán)重，在加工時(shí)應(yīng)對(duì)內(nèi)側(cè)連接板精度要求更嚴(yán)格。內(nèi)外側(cè)集熱面聚光性能相差1.75%和1.29%。等量誤差下，集熱面中心區(qū)域較集熱面邊沿區(qū)域聚光性能損失更大，在加工時(shí)應(yīng)更精確控制中心連接板的制造誤差。中心和邊沿區(qū)域影響性能相差0.18%和0.13%。

(2)內(nèi)外側(cè)邊沿連接板在加工時(shí)，應(yīng)盡量控制誤差為過(guò)加工量誤差，且誤差盡量在0～0.5 mm，若不能保證在此范圍，應(yīng)盡量控制誤差小于1 mm。

(3)內(nèi)側(cè)中心連接板在加工時(shí)，應(yīng)盡量控制誤差為過(guò)加工量誤差，且誤差應(yīng)在0～0.5 mm，若不能保證在此范圍，可將誤差調(diào)放至2 mm。若加工誤差為未加工量誤差，應(yīng)盡量控制誤差小于1 mm；

(4)外側(cè)中心連接板在加工時(shí)，應(yīng)盡量控制誤差為未加工量誤差，且誤差應(yīng)在0～0.5 mm；若不能保證在此范圍，可將誤差調(diào)放至1 mm。若加工誤差為過(guò)加工量誤差，應(yīng)盡量控制誤差小于0.5 mm；在此研究的基礎(chǔ)上，多誤差狀態(tài)連接板對(duì)聚光性能的影響分析是未來(lái)工作進(jìn)一步提升集熱性能的研究方向。