大型垂直单轴槽式太阳能聚光器的工程设计研究

2016-11-22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。