畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）槽式集熱器聚光過(guò)程誤差因素耦合研究

1、槽式集熱器聚光過(guò)程誤差因素耦合研究摘要 在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程屮，槽式太陽(yáng)能集熱器的聚光過(guò)程可能受到太陽(yáng)光入射角、安裝誤差、鏡面誤 差和跟蹤誤差等各種實(shí)際因索的影響,木文用空間坐標(biāo)變換的方法結(jié)合蒙特卡羅光線(xiàn)追蹤法，分別計(jì) 算出了各種實(shí)際因素單獨(dú)存在時(shí)和多種實(shí)際因素耦合時(shí)的槽式集熱器聚焦熱流。結(jié)果顯示，安裝誤差 和跟蹤誤希使聚焦熱流的不均勻性增人，鏡面誤希使聚焦熱流的不均勻性減?。挥?jì)算出的實(shí)際因素耦 合熱流，可以為吸熱管內(nèi)三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算提供依據(jù)。關(guān)鍵詞 椚式集熱器；聚光過(guò)程；熱流分布；誤差耦合0前言槽式太陽(yáng)能集熱器(ptc)是太陽(yáng)能熱發(fā)電的一種重要形式，在對(duì)ptc進(jìn)行研究時(shí)， 集熱管外聚焦熱流的

2、計(jì)算常常是第一步。何雅玲川使用蒙特卡羅光線(xiàn)追蹤法(mcrt) 計(jì)算了理想情況下ptc的聚焦熱流，證明了 mcrt方法的實(shí)用性，mcrt方法得到了 廣泛的應(yīng)用a%與理想情況相比，ptc的聚光過(guò)程受到各種實(shí)際因素包括太陽(yáng)光入射 角、安裝誤差、跟蹤誤差和鏡面誤差的影響。趙東明等采用空間坐標(biāo)變換的方式研究 了集熱管女裝誤差、跟蹤誤差和太陽(yáng)光入射角對(duì)ptc聚焦熱流的影響，程澤東等對(duì)鏡 面誤差和跟蹤誤差進(jìn)行了詳盡的敏感性分析，均發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些實(shí)際因素存在時(shí)，聚焦熱流 將發(fā)生很大的改變，因此需要對(duì)各種實(shí)際因素存在時(shí)ptc的集熱管外聚焦熱流進(jìn)行研 究。目前的文獻(xiàn)常常只計(jì)算出只有一種實(shí)際因素存在時(shí)的ptc聚焦熱流，

3、而實(shí)際應(yīng)用 中，ptc的聚光過(guò)程可能會(huì)同時(shí)受到多種實(shí)際因素的影響。本文先計(jì)算各種實(shí)際因素單 單獨(dú)存在吋ptc的聚焦熱流并進(jìn)行分析，然后在mcrt方法的基礎(chǔ)上提出一種修正方 法，計(jì)算出多種實(shí)際因素耦合時(shí)的ptc聚焦熱流。1模型描述1. 1理想mcrt模型本文把何雅玲山提出的mcrt方法認(rèn)為是理想模型，模型假設(shè)：太陽(yáng)光垂直于反射 鏡的張口平面入射；ptc沒(méi)有安裝誤差和鏡面形狀誤差；只計(jì)算某一瞬時(shí)的ptc聚焦 熱流；在吸熱管外壁上劃分網(wǎng)格，同一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)熱流相等。圖1空間直角坐標(biāo)系的建立基金項(xiàng)目：國(guó)家口然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51476110)和國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(20mbaa01b02)資助本文空間坐

4、標(biāo)系的建立方式如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)建立在吸熱管的進(jìn)口截面圓心。各種實(shí)際因素實(shí)際上是對(duì)集熱管位置、入射光線(xiàn)或鏡面法線(xiàn)方向產(chǎn)生影響，在mcrt的算法中，這三者間互不影響，當(dāng)我們考慮一種實(shí)際因素修正時(shí)，比如安裝誤差，只需要對(duì)集熱管的位置進(jìn)行修正，而不必修改算法的其他部分。1.2安裝誤差當(dāng)集熱管的安裝誤差使吸熱管的位置發(fā)生平移吋，假設(shè)管子圓心線(xiàn)在y和z方向新 的坐標(biāo)分別為和z.,則吸熱管外壁方程變?yōu)椋翰?汀+匕-汀“(1)集熱管安裝誤差或者支撐架的形變也可能使集熱管的位置與焦點(diǎn)線(xiàn)不平行。ptc采 用雙軸跟蹤系統(tǒng)時(shí),光子被吸熱管接收的位置的x坐標(biāo)等于入肘點(diǎn)的x坐標(biāo)(用兀。表示)， 所以只要知道吸熱管圓心

5、線(xiàn)的坐標(biāo)方程，光子到達(dá)吸熱管的位置仍然可以求出來(lái)。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)吸熱管的進(jìn)口截而圓心坐標(biāo)為(0,0,0),出口截面圓心坐標(biāo)為 (厶y,zj,那么在反射光線(xiàn)所在的垂直于焦點(diǎn)線(xiàn)的平面內(nèi)，吸熱管外壁的坐標(biāo)為：/2 z、2y-y + z-寧召"q 丿 乙丿將吸熱管新的坐標(biāo)方程(1)或(2)代入mcrt算法屮，英他部分不變，即可求得有集 熱管安裝誤差的管外不均勻熱流。對(duì)于單軸跟蹤系統(tǒng)，由于入射角的存在，反射光線(xiàn)和集熱管外壁的交點(diǎn)不易確定， 情況更為復(fù)雜，本文不作研究。1. 3太陽(yáng)光入射角ptc對(duì)太陽(yáng)位置的跟蹤有單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種，只冇雙軸跟蹤系統(tǒng)才能使太陽(yáng) 光線(xiàn)保持直射入射，但是由于雙軸跟

6、蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程實(shí)際中ptc 一般采取單軸 跟蹤系統(tǒng)，這種情況下入射太陽(yáng)入射角往往不為0,如圖2所示：圖2太陽(yáng)光斜射入射圖太陽(yáng)光線(xiàn)ab以入射角&照射到反射鏡邊緣上的點(diǎn)b,然后被反射到吸熱管上的點(diǎn)c,距離cd即為經(jīng)過(guò)b點(diǎn)的太陽(yáng)光線(xiàn)不能照射到的長(zhǎng)度。文獻(xiàn)求出所有入射光線(xiàn)cd 的最大值和最小值分別為( w2 )厶皿=f + i 16/丿厶min = / tanlmax是ptc末端損失效應(yīng)能夠影響到的最大距離，與末端d距離大于厶和的區(qū)域 總的聚焦熱流不變，而末端c距離小于厶斷的管段則不能接收到聚焦后的太陽(yáng)光。在理想模型中，假如入射光線(xiàn)方向向量為歷，反射面的法向量為萬(wàn)，那么點(diǎn)p處 反射光線(xiàn)方

7、向向量p的計(jì)算公式為：p = -2(n-a7)/v + a7(a)直射入肘光線(xiàn)和斜射入射光線(xiàn)(b)空間坐標(biāo)變換圖3太陽(yáng)光入射角坐標(biāo)計(jì)算圖3(a)屮光線(xiàn)1是理想模型計(jì)算出來(lái)的直射入射光線(xiàn)，光線(xiàn)2是入射角為&的斜射 入射光線(xiàn)。圖3(b)屮的坐標(biāo)系0-兀yz是坐標(biāo)系o-z繞)'，軸旋轉(zhuǎn)角度&后得到的，入 射光線(xiàn)厲s，”z)在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)就是入射光線(xiàn)2的坐標(biāo)帀(”,y,x),所以：w=am其中a是從坐標(biāo)系0-廠遼到坐標(biāo)系o-xyz的空間坐標(biāo)變換矩陣：cos&0sin&4 =010(7)-sin&0cos&將得出的帀代入公式(5)屮，保持mcr

8、t算法英他部分不變，即可求得太陽(yáng)光入射 角不等于0時(shí)的ptc聚焦熱流。1.4跟蹤誤差跟蹤誤差示意圖圖4跟蹤誤差其坐標(biāo)變換圖4(a)中有跟蹤誤差的集熱器1相對(duì)于正確的集熱器2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 了角度，如圖 4(b)所示，空間坐標(biāo)變換矩陣等于：1o o -b= 0 cosy siny(8)0 -sin/ cosy則修正后的入射光線(xiàn)坐標(biāo)為:w=bm(9)將得出的研代入公式(5)中，保持mcrt算法其他部分不變，即可求得有跟蹤誤差 的ptc聚焦熱流。1 5鏡面誤差鏡面誤差考慮的是反射面微觀的缺陷或宏觀的變形等原因所造成的反射誤差。鏡面 誤差包含的種類(lèi)很多，把所有的鏡面誤差疊加起來(lái)后可以用實(shí)際的與理想的鏡面

9、法線(xiàn)方向的偏差來(lái)代替，認(rèn)為此偏差角度在y方向和z方向分解后得到的兩個(gè)分量分別符合 相同的高斯分布岡，鏡面實(shí)際法線(xiàn)坐標(biāo)向量m可以由理想的鏡面法線(xiàn)方向方經(jīng)過(guò)兩次 坐標(biāo)變換得到：帀) (10)27v(74171(7其中a和b用公式(7)和來(lái)計(jì)算，公式中的角度&和卩的概率密度函數(shù)相同:(id(12)<7是標(biāo)準(zhǔn)方差，也是鏡面誤差角度。將得出的亍代入公式(5)中，保持mcrt算法 其他部分不變，即可求得有鏡面誤差的ptc聚焦熱流。1.6實(shí)際因素耦合對(duì)于安裝誤差，與理想模型相比集熱管坐標(biāo)發(fā)生了變化，用式(1)或式(2)來(lái)考慮其 影響即可。對(duì)于跟蹤誤差、鏡血誤差、太陽(yáng)光入射角等實(shí)際因素，可以用以

10、下公式計(jì)算 反射光線(xiàn)方向：戸=一2(了研)0 +研(13)其中了和而分別是考慮了跟蹤誤差、鏡面誤差和太陽(yáng)光入射角等因素的實(shí)際反射 鏡法線(xiàn)和實(shí)際入射光線(xiàn)坐標(biāo)向量。需要注意的是，當(dāng)同時(shí)考慮入射角影響和跟蹤誤差時(shí)，實(shí)際入射光線(xiàn)坐標(biāo)而為：硏=b.(a宓)(14)注意采用或研雨)得到的結(jié)果并不一樣，因?yàn)榫仃嘺把直 射光線(xiàn)變?yōu)樾鄙淙肷涔饩€(xiàn)，矩陣3考慮跟蹤誤差，所以應(yīng)該采取來(lái)計(jì)算 單軸跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差。2結(jié)果與討論下面利用空間坐標(biāo)變換矩陣，對(duì)安裝誤差、太陽(yáng)光入射角度等實(shí)際因素分別進(jìn)行模 擬和分析，最后將多種實(shí)際因素耦合在一起計(jì)算。因?yàn)楣芡鉄崃鞣植嫉南鄬?duì)大小與直射 輻射強(qiáng)度沒(méi)有關(guān)系，所以分析結(jié)果時(shí)管外熱流取

11、的是當(dāng)?shù)鼐劢贡?lcr)。本文模擬時(shí) 采用ls-3型槽式太陽(yáng)能集熱器作為物理模型，兒何尺寸等參數(shù)見(jiàn)表1。關(guān)于其他型號(hào)集 熱器的結(jié)論可以通過(guò)用相同的方法分析得到。表1 ls-3型集熱器數(shù)據(jù)parametervalueabsorber tube radius ( r)0.035 mfocal length (/)1.71 maperture width ( w )5.76 mglass tube transmittance (r)0.95absorber tube absorptivity ( k )0.96reflector reflectivity (p()0.932.1安裝誤差的影響3020

12、1()050403020100g 40iso 240 側(cè)向飾氏iso同向角墮(b) y方向安裝誤差(a) z方向安裝誤差圖5平行安裝誤差4020a0300o60120180240300360周向角復(fù)(b)z = 0.5%40201(m>s 8003(k)360謝向角度 y = 0.5%圖7 y相同時(shí)不同z的影響(a)z = 0.2%(圖6 z相同時(shí)不同丫對(duì)聚焦熱流的影響y方向和x方向安裝誤差的定義分別為：y = yjwwz = zjf .圖5屮顯示的是 平移安裝誤差的情況。集熱管安裝誤差達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)時(shí)，管外熱流形狀就已發(fā)生明顯 改變。圖6和圖7比較了兩方向安裝誤差都存在時(shí)y或z方向安裝

13、誤差對(duì)管外熱流分布 的影響。圖6保持z不變改變丫的大小，熱流分布形狀的改變非常大，圖7保持丫不變 改變z的大小，熱流分布形狀的改變相對(duì)較小，因此與z方向安裝誤差相比，y方向安 裝誤差的影響大。所以，在集熱管的安裝過(guò)程屮要格外注意減少在y方向的安裝誤差。圖x出口截面r=o.i%, z=o.i%管外熱流分布圖8中的集熱器進(jìn)口截面圓心坐標(biāo)為(0,0,0),出丨1截面圓心坐標(biāo)為(4,zj,其屮v)和z分別對(duì)應(yīng)y = 0.1% fl z = 0.1%,雖然圖中管外熱流分布在軸線(xiàn)上是不均勻的， 但可以看成無(wú)數(shù)個(gè)平移安裝誤差的熱流分布連續(xù)排布而成，圖屮的三維熱流在垂直于軸 線(xiàn)的每個(gè)截面內(nèi)與集熱管位置相同的平

14、移安裝誤差的熱流分布相同。2.2入射角的影響30-符劉允鐵 > a lmu; unm1 12520151050背長(zhǎng)(a)聚焦熱流沿管長(zhǎng)的分布(b)聚焦熱流二維視圖圖9太陽(yáng)光30。入射角模擬結(jié)果圖9(a)顯示的是直射輻射強(qiáng)度相同時(shí)雙軸跟蹤和單軸跟蹤系統(tǒng)ptc聚焦熱流沿管 長(zhǎng)的分布，縱軸為同一截面平均lcr。對(duì)于單軸跟蹤的系統(tǒng)，圖中畫(huà)出了厶叭和厶簡(jiǎn)的 位置，可以看到mcrt方法模擬的結(jié)果和公式計(jì)算結(jié)果吻合得很好，證明了 mcrt方 法對(duì)太陽(yáng)光斜射入射時(shí)ptc聚焦熱流模擬的準(zhǔn)確性。在不受末端損失效應(yīng)影響的區(qū)域， 集熱管每個(gè)截面接收的總的聚焦熱流等于太陽(yáng)光以相等的直射輻射強(qiáng)度直射入射時(shí)接 收的聚

15、焦熱流，且在軸向上仍然可以認(rèn)為是不變的。在圖9(b)屮太陽(yáng)光線(xiàn)入射角為30。， 可以看到在集熱管末端，吸熱管接收到的聚焦能量從零開(kāi)始連續(xù)地增大，最終成為周向 不均勻、軸向上不變的聚焦熱流。2. 3鏡面誤差和跟蹤誤差影響圖10顯示的是鏡面誤差對(duì)聚焦熱流的影響，圖10(a)顯示聚焦熱流仍然是對(duì)稱(chēng)的, 可以看到鏡面誤差的作用是使聚焦熱流由不均勻趨向均勻，這種作用有利于減小管壁溫 差，鏡面誤差越大越明顯。圖10(b)顯示的是鏡面誤差角度對(duì)ptc效率的影響，圖中顯 示的數(shù)值是吸熱管接受到的熱流與理想模型的聚焦熱流z比。當(dāng)鏡而誤差大于0.15。時(shí), 有光子從ptc中逃逸出去，ptc的聚光效率下降，應(yīng)該避免

16、。圖11顯示的是跟蹤誤差對(duì)聚焦熱流的影響，跟蹤誤差使太陽(yáng)光偏離垂直于反射鏡 張口平面的方向入射，增大了熱流的不均勻性。圖11(b)顯示的是跟蹤誤差角度對(duì)ptc效率的影響，當(dāng)跟蹤誤差大t 0.6°時(shí)，ptc的聚光效率下降。(a)聚焦熱流(b)鏡面誤差對(duì)集熱效率的影響圖10鏡面誤差對(duì)聚焦熱流的影響(b)跟蹤誤差對(duì)集熱效率的影響 圖11跟蹤誤差對(duì)聚伐熱流的影響2.4實(shí)際因素耦合圖12同吋考慮入射角度影響和平移安裝涙秀.跟蹤謀并、鏡而涙并圖12顯示了多種實(shí)際因素耦合時(shí)的ptc聚焦熱流,太陽(yáng)光入射角30% / =0.1%, z=0.1%，跟蹤誤差0.2°,鏡而誤差0.1。圖12 (b

17、)顯示的是未受末端損失影響區(qū)域 的截面熱流。由于各種實(shí)際誤差角度的大小不一，所以管外聚焦熱流的形狀變化多樣， 可以計(jì)算出集熱管外實(shí)際因素耦合的聚焦熱流，從而為管內(nèi)三維溫度場(chǎng)的計(jì)算提供依據(jù)。 由于沒(méi)有各種誤差角度的具體數(shù)值，所以沒(méi)有對(duì)各種誤差影響大小進(jìn)行分析。3結(jié)論本文分別分析了集熱管安裝誤差、入射角、鏡面誤差和跟蹤誤差等實(shí)際因素對(duì)ptc聚 焦熱流的影響，計(jì)算出了多種實(shí)際因素耦合時(shí)的ptc聚焦熱流，得出了以下結(jié)論；(1) 集熱管安裝誤差達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)時(shí)，聚焦熱流形狀就已發(fā)牛明顯改變，y方向的 安裝誤差比z方向的對(duì)聚焦熱流影響更大，集熱管安裝過(guò)程中要格外注意減少在y方向的安 裝誤差，對(duì)于雙軸跟蹤系

18、統(tǒng)只要知道集熱管偏離焦點(diǎn)線(xiàn)后的實(shí)際位置，就可以計(jì)算出聚焦熱 流；(2) 在末端損失彫響區(qū)域，吸熱管接收到的聚焦能量沿軸向從零開(kāi)始連續(xù)地增大， 在此區(qū)域以外，集熱管每個(gè)截面總的聚焦熱流等于太陽(yáng)光以相等的直射輻射強(qiáng)度直射入 射時(shí)總的聚焦熱流，且在軸向上可以認(rèn)為不變；(3) 鏡面誤差的作用是使聚焦熱流由不均勻趨向均勻，這種作用有利于減小管壁 溫差，鏡面誤差越大越明顯，而跟蹤誤差增大聚焦熱流的不均勻性，影響集熱管的安全 性，當(dāng)鏡面誤差大于0.15?；蚋櫿`差大于0.6。時(shí)，ptc的聚光效率下降；(4) 由于各種實(shí)際誤差角度的大小不一，所以管外聚焦熱流的形狀變化多樣，可 以計(jì)算出集熱管外實(shí)際因素耦合的聚

19、焦熱流，從而為管內(nèi)三維溫度場(chǎng)的計(jì)算提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 he y l, xiao j, cheng z d, et al. a mcrt and fvm coupled simulation method for energy conversion process in parabolic trough solar collector|j|. renewable energy, 2011, 36(3):976-985.21 wang f, shuai y, yuan y, et al. thermal stress analysis of eccentric tube receiver usi

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