大型垂直单轴槽式太阳能聚光器的工程设计研究

2016-11-22 08:03西北师范大学知行学院魏晋军
太阳能 2016年10期
关键词:槽式反射面单轴

西北师范大学知行学院 ■ 魏晋军

物电学院 ■ 马书懿

大型垂直单轴槽式太阳能聚光器的工程设计研究

西北师范大学知行学院 ■ 魏晋军*

物电学院 ■ 马书懿

提出了大型垂直单轴槽式太阳能聚光器的设计思路,通过对设计结构的受力分析,以及结构设计的详细介绍,表明该设计能够有效改善系统的受力状态,提高工质的出口工作温度,降低集热管的热损,同时能够提高系统的运行可靠性。

太阳能;槽式聚光器;工程设计

0 引言

太阳能是可再生的清洁能源,太阳辐射的跟踪与聚焦是太阳能开发利用的先导条件,太阳能聚光器在整个开发系统中占有重要的地位,它不仅影响系统造价,而且影响整个系统的运行效率。开发设计高效能的太阳能聚光器一直是太阳能开发领域的重要课题。

1 槽式太阳能聚光器的受力分析

目前,太阳能聚光器布置样式主要有平面反光镜塔式布置、条形面反光镜槽式布置、抛物面反光镜蝶式布置、菲涅尔透光阵列布置等,其中槽式太阳能聚光器较为成熟,应用较广[1,2]。槽式聚光器所聚焦的太阳辐射强度可由式(1)表示:

式中,H为抛物反射面焦距;W为抛物反射面开口尺寸;D为集热管外径;θ为太阳入射光线与反射器开口面间的夹角;x为辐射角校验函数值;Imax为最大太阳辐射强度。Imax可由(2)式表示:

式中,Ib,c为开口面的太阳辐射强度;Cr为反射面的聚光比;D0为抛物反射面开口尺寸与反射面聚光比之比的校验值。

工程应用中,主流的槽式聚光器基本都采用水平单轴布置,即聚光器回转轴呈水平状态,反射器通过改变俯仰角跟踪太阳位置。这种结构聚光器的框架结构由于重力臂较长,且实际作用距离处于变化状态,在回转过程中所受重力矩M变化较大,可由式(3)表示:

式中,G为框架重量;L为重力臂长度;θ1为支架与水平面最大夹角;θ2为支架与水平面最小夹角。

聚光器所承载的风荷载及风荷载力矩在三维体轴坐标系下,有6个分量:轴向力FA、横向力Fc1、横向力Fc2、翻滚力矩MR、俯仰力矩ME、偏转力矩MC。各分量的表达式见式(4):

式中,F、M风别为聚光器所受的力及力矩;CF为风力系数;CM为风力矩系数;q为动压头;A为聚光器面积;D1为聚光器表征尺寸[3,4]。

水平单轴槽式聚光器在横风作用下,由于受风面积大,风荷载及荷载力矩都较大,且变化较为复杂;为了保证框架具有足够的稳定性及刚度,无论扭力箱结构还是扭力架结构都存在结构重量较大、支撑的高度受限、聚光器的开口尺寸有限、细长结构的光热管在热量损失方面劣势难以克服等诸多难题[5]。

2 垂直单轴槽式太阳能聚光器的结构设计

垂直单轴槽式太阳能聚光器回转轴垂直布置,反射面始终呈水平状态,通过水平角旋转跟踪太阳位置,保持太阳入射光线与聚光器反射面对称轴相平行,适当控制反射面的形状就可使反射光线汇聚于一条直线,光热管位于该焦线处。聚光器在转动过程中支架整体始终处于水平状态,框架结构受力基本保持不变,横风截面相比于水平单轴结构明显减小。支撑高度保持固定且极低,这都为大型反射面的设计制造创造了有利条件。

转动轴承在设计上保证具有足够的回转半径,并应采用锥形滚轴及保险弯头等结构,以便平衡长臂结构产生的较大不平衡力矩,以及抵消横风荷载,保证整体结构稳定性,防止反射面发生位移或失稳,如图1所示。

图1 锥形滚轴推力轴承剖视图

支架整体结构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结构,以便控制主梁的挠度,保证其结构承载力,同时能够大幅减轻结构重量,如图2、图3所示。

图2 主梁的斜拉索结构主视图

图3 主梁结构整体轴测图

副梁的数量较多,能够有效分担结构重量,且具有一定的结构弯度,可采用数根内置的水平拉索结构,如图4、图5所示。

图4 副梁的水平斜拉索结构主视图

图5 副梁装配轴测图

垂直单轴槽式太阳能集热器的集热管安装在主轴的正上方,处于纵向对称平面内的焦线位置,具有较高的聚焦温度,如图6所示。为弥补由于聚光器安装及使用过程中的受力形变造成的聚焦误差,在集热管上方设计了小型二次聚光器。

图6 反射面与集热管配合的装配轴测图

3 结论

垂直单轴槽式太阳能聚光器的设计能够改善系统的受力状态,降低支架高度,减轻结构重量,使整个系统能够采用大开口直径,具有较高的聚光比,既能提高工质的出口工作温度,也能有效降低集热管的热损,同时提高系统的运行可靠性,为全面开发太阳能创造有利条件。

[1] 刘四洋, 伍春生, 彭燕昌, 等. 主动式双轴太阳跟踪控制器[J]. 可再生能源, 2007, (6): 69-72.

[2] 陈维, 李戬洪.抛物柱面聚焦的几种跟踪方式的光学性能分析[J]. 太阳能学报, 2003, 24(4): 477-482.

[3] 张相庭. 工程抗风设计计算手册(第一版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998: 1-18.

[4] 万福龙. 圆抛物面二维平面风载荷和三维空间风载荷的关系[J]. 通信与测控, 1994, (2): 62-65.

[5] 刘赟, 张红, 陈兴元, 等. 用于槽式太阳能电站的热管式集热器开发及传热分析[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2009, (3): 92-97.

2016-01-11

魏晋军(1970—),男,副教授,主要从事新能源新材料方面的研究。weijinjun3@163.com

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