西北師范大學知行學院 ■ 魏晉軍

物電學院 ■ 馬書懿

大型垂直單軸槽式太陽能聚光器的工程設(shè)計研究

西北師范大學知行學院 ■ 魏晉軍*

物電學院 ■ 馬書懿

提出了大型垂直單軸槽式太陽能聚光器的設(shè)計思路，通過對設(shè)計結(jié)構(gòu)的受力分析，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的詳細介紹，表明該設(shè)計能夠有效改善系統(tǒng)的受力狀態(tài)，提高工質(zhì)的出口工作溫度，降低集熱管的熱損，同時能夠提高系統(tǒng)的運行可靠性。

太陽能；槽式聚光器；工程設(shè)計

0　引言

太陽能是可再生的清潔能源，太陽輻射的跟蹤與聚焦是太陽能開發(fā)利用的先導條件，太陽能聚光器在整個開發(fā)系統(tǒng)中占有重要的地位，它不僅影響系統(tǒng)造價，而且影響整個系統(tǒng)的運行效率。開發(fā)設(shè)計高效能的太陽能聚光器一直是太陽能開發(fā)領(lǐng)域的重要課題。

1　槽式太陽能聚光器的受力分析

目前，太陽能聚光器布置樣式主要有平面反光鏡塔式布置、條形面反光鏡槽式布置、拋物面反光鏡蝶式布置、菲涅爾透光陣列布置等，其中槽式太陽能聚光器較為成熟，應(yīng)用較廣[1,2]。槽式聚光器所聚焦的太陽輻射強度可由式(1)表示：

式中，H為拋物反射面焦距；W為拋物反射面開口尺寸；D為集熱管外徑；θ為太陽入射光線與反射器開口面間的夾角；x為輻射角校驗函數(shù)值；Imax為最大太陽輻射強度。Imax可由(2)式表示：

式中，Ib,c為開口面的太陽輻射強度；Cr為反射面的聚光比；D0為拋物反射面開口尺寸與反射面聚光比之比的校驗值。

工程應(yīng)用中，主流的槽式聚光器基本都采用水平單軸布置，即聚光器回轉(zhuǎn)軸呈水平狀態(tài)，反射器通過改變俯仰角跟蹤太陽位置。這種結(jié)構(gòu)聚光器的框架結(jié)構(gòu)由于重力臂較長，且實際作用距離處于變化狀態(tài)，在回轉(zhuǎn)過程中所受重力矩M變化較大，可由式(3)表示：

式中，G為框架重量；L為重力臂長度；θ1為支架與水平面最大夾角；θ2為支架與水平面最小夾角。

聚光器所承載的風荷載及風荷載力矩在三維體軸坐標系下，有6個分量：軸向力FA、橫向力Fc1、橫向力Fc2、翻滾力矩MR、俯仰力矩ME、偏轉(zhuǎn)力矩MC。各分量的表達式見式(4)：

式中，F(xiàn)、M風別為聚光器所受的力及力矩；CF為風力系數(shù)；CM為風力矩系數(shù)；q為動壓頭；A為聚光器面積；D1為聚光器表征尺寸[3,4]。

水平單軸槽式聚光器在橫風作用下，由于受風面積大，風荷載及荷載力矩都較大，且變化較為復雜；為了保證框架具有足夠的穩(wěn)定性及剛度，無論扭力箱結(jié)構(gòu)還是扭力架結(jié)構(gòu)都存在結(jié)構(gòu)重量較大、支撐的高度受限、聚光器的開口尺寸有限、細長結(jié)構(gòu)的光熱管在熱量損失方面劣勢難以克服等諸多難題[5]。

2　垂直單軸槽式太陽能聚光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

垂直單軸槽式太陽能聚光器回轉(zhuǎn)軸垂直布置，反射面始終呈水平狀態(tài)，通過水平角旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽位置，保持太陽入射光線與聚光器反射面對稱軸相平行，適當控制反射面的形狀就可使反射光線匯聚于一條直線，光熱管位于該焦線處。聚光器在轉(zhuǎn)動過程中支架整體始終處于水平狀態(tài)，框架結(jié)構(gòu)受力基本保持不變，橫風截面相比于水平單軸結(jié)構(gòu)明顯減小。支撐高度保持固定且極低，這都為大型反射面的設(shè)計制造創(chuàng)造了有利條件。

轉(zhuǎn)動軸承在設(shè)計上保證具有足夠的回轉(zhuǎn)半徑，并應(yīng)采用錐形滾軸及保險彎頭等結(jié)構(gòu)，以便平衡長臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較大不平衡力矩，以及抵消橫風荷載，保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止反射面發(fā)生位移或失穩(wěn)，如圖1所示。

圖1　錐形滾軸推力軸承剖視圖

支架整體結(jié)構(gòu)采用主梁加副梁方式。主梁由于跨度大、承重大，可采用立柱加斜拉索的結(jié)構(gòu)，以便控制主梁的撓度，保證其結(jié)構(gòu)承載力，同時能夠大幅減輕結(jié)構(gòu)重量，如圖2、圖3所示。

圖2　主梁的斜拉索結(jié)構(gòu)主視圖

圖3　主梁結(jié)構(gòu)整體軸測圖

副梁的數(shù)量較多，能夠有效分擔結(jié)構(gòu)重量，且具有一定的結(jié)構(gòu)彎度，可采用數(shù)根內(nèi)置的水平拉索結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5所示。

圖4　副梁的水平斜拉索結(jié)構(gòu)主視圖

圖5　副梁裝配軸測圖

垂直單軸槽式太陽能集熱器的集熱管安裝在主軸的正上方，處于縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)的焦線位置，具有較高的聚焦溫度，如圖6所示。為彌補由于聚光器安裝及使用過程中的受力形變造成的聚焦誤差，在集熱管上方設(shè)計了小型二次聚光器。

圖6　反射面與集熱管配合的裝配軸測圖

3　結(jié)論

垂直單軸槽式太陽能聚光器的設(shè)計能夠改善系統(tǒng)的受力狀態(tài)，降低支架高度，減輕結(jié)構(gòu)重量，使整個系統(tǒng)能夠采用大開口直徑，具有較高的聚光比，既能提高工質(zhì)的出口工作溫度，也能有效降低集熱管的熱損，同時提高系統(tǒng)的運行可靠性，為全面開發(fā)太陽能創(chuàng)造有利條件。

[1] 劉四洋, 伍春生, 彭燕昌, 等. 主動式雙軸太陽跟蹤控制器[J]. 可再生能源, 2007, (6): 69－72.

[2] 陳維, 李戩洪．拋物柱面聚焦的幾種跟蹤方式的光學性能分析[J]. 太陽能學報, 2003, 24(4): 477－482．

[3] 張相庭. 工程抗風設(shè)計計算手冊(第一版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1998: 1－18.

[4] 萬福龍. 圓拋物面二維平面風載荷和三維空間風載荷的關(guān)系[J]. 通信與測控, 1994, (2): 62－65.

[5] 劉赟, 張紅, 陳興元, 等. 用于槽式太陽能電站的熱管式集熱器開發(fā)及傳熱分析[J]. 華北電力大學學報(自然科學版), 2009, (3): 92－97.

2016-01-11

魏晉軍(1970—)，男，副教授，主要從事新能源新材料方面的研究。weijinjun3@163.com