CN106766272B - 一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，用于调控抛物槽式太阳能集热器的等效聚光比，实现抛物槽式太阳能集热器集热量的稳定输出。对集热器在不同主动偏转角情况下集热管接收到的光通量进行测量，对测量数据进行计算及拟合，得到等效聚光比和主动偏转角关系式；根据实时辐照及用热子系统热需求确定集热器的需求聚光比，通过得到的等效聚光比和主动偏转角关系式确定集热器的需求偏转角；根据所确定的需求偏转角对集热器进行调节，实现集热子系统的集热量和用热子系统热需求的匹配。本方法无需对集热器结构进行大幅改造，仅通过对主动偏转角的调节即实现了对集热子系统热量输出的准确调控。

Description

一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法
技术领域
本发明属于太阳能光-热利用技术领域，具体涉及一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法。
背景技术
抛物槽式聚焦太阳能热利用技术是目前国际上发展较为成熟，商业化程度最高的一种太阳能聚焦技术，主要用于获得200～400℃的热量，可直接用于产生蒸汽发电，也可以灵活地与热化学技术、化石能源等形成互补的分布式供能系统，进一步提高能源综合利用率，具有广阔的市场应用潜力。
抛物集热器在实际应用中需要通过高精度跟踪系统保证集热器实时处于聚焦状态以便最大程度接收太阳能。然而，由于受到太阳能辐照瞬时变化特点的制约，若集热器始终处于完全聚焦状态，则集热器输出的热量的功率或温度必然出现大范围波动。虽然在槽式热发电技术中该波动可以通过增加蓄热子系统进行平抑，但在许多以无蓄能子系统为特征的应用场合(如光煤互补技术、热化学技术、直接蒸汽技术等)中，该波动无法被有效平抑，导致下游用热子系统运行工况变化范围大，进而影响整体系统高效稳定运行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中集热子系统输出的热量的功率或温度出现大范围波动，且波动无法被有效平抑的问题，本发明提供了一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，以实现抛物槽式太阳能集热系统集热量的稳定输出。
(二)技术方案
为达上述目的，本发明提供一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，包括：
S1、对集热器在不同主动偏转角情况下集热管接收到的光通量进行测量，对测量数据进行计算及拟合，得到等效聚光比和主动偏转角关系式；
S2、根据实时辐照及用热子系统热需求确定集热器的需求聚光比，通过得到的等效聚光比和主动偏转角关系式确定集热器的需求偏转角；
S3、根据所确定的需求偏转角对集热器进行调节，实现集热子系统的集热量和用热子系统热需求的匹配。
上述方法中，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、调节抛物槽式太阳能集热器的聚光镜开口面2与水平面垂直，入射光从聚光镜开口面2法线方向射向聚光镜1，则集热器完全聚焦，记录聚光镜开口面2接收到的光通量Iap和集热器的本征聚光比C0；
S102、调节集热器绕跟踪轴4主动偏转，记录主动偏转角β和集热管3接收到的光通量Itube；
S103、根据步骤S101中聚光镜开口面2接收到的光通量Iap和步骤S102中集热管3接收到的光通量Itube数值，计算步骤S102中主动偏转角β对应的等效聚光比C；
S104、重复步骤S102至步骤S103，对一系列主动偏转角β与等效聚光比C进行数据拟合，获得C-β关联式。
上述方法中，步骤S103中所述根据步骤S101中聚光镜开口面2接收到的光通量Iap和步骤S102中集热管3接收到的光通量Itube数值，计算步骤S102中主动偏转角β对应的等效聚光比C，C计算公式为C＝C0·Itube/Iap。
上述方法中，所述步骤S104中所述对一系列β与C进行数据拟合，按照Boltzmann函数形式：进行拟合。
上述方法中，所述按照Boltzmann函数形式进行拟合，拟合后的C-β关联式如下为：
上述方法中，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在槽式集热系统工作时，根据下游用热子系统热需求Qreq以及集热子系统在在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0，确定集热器的需求聚光比Creq；
S202、根据集热器的需求聚光比Creq及步骤S104获得的C-β关系式，确定集热器的需求偏转角βreq。
上述方法中，步骤S201中所述集热子系统在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0，根据公式Qabs，0＝DNI·Aap·ηcol计算得到，其中DNI为对应的太阳直射辐射，Aap为聚光镜总开口面积，ηcol为集热器的集热效率。
上述方法中，步骤S201中所述根据下游用热子系统热需求Qreq以及集热子系统在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0，确定集热器的需求聚光比Creq，Creq计算公式为Creq＝C0·Qreq/Qabs，0。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，可用于稳定变辐照条件下抛物槽式太阳能集热器的输出热量，进而维持下游用热子系统运行于稳定设计点工况，最终使整个系统高效运行。
2、本发明提供的一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，可用于变辐照条件下，根据下游用热子系统运行特征主动调控抛物槽式太阳能集热器的输出热量，进而保证整个系统的热量匹配，最终使整个系统高效运行。
3、本发明提供的一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，通过精密调节主动偏转角，稳定集热器的输出热量，这种做法无需对集热器结构进行大幅改造，因而节约了成本。
4、本发明提供的一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，该方法对于推广无蓄热槽式集热系统的广泛应用以及提高和完善我国抛物槽式聚焦太阳能热利用技术均具有重要意义。
附图说明
图1为集热器完全聚焦和部分聚焦的示意图；
其中附图标记为：1-聚光镜；2-聚光镜开口面；3-集热管；4-跟踪轴；
图2为依照本发明实施例的等效聚光比C与集热器主动偏转角β的拟合关联式。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1为集热器完全聚焦和部分聚焦的示意图。集热器完全聚焦时，聚光镜开口面接收的太阳辐射可被完全聚焦于集热管处。集热器处于主动散焦的情况，集热器绕跟踪轴进行主动偏转，集热器处于部分聚焦的状态。聚光镜开口面接收的太阳辐射仅部分聚焦于集热管处。主动偏转角β越大，则聚焦于集热管的太阳辐射份额越小，相应的等效聚光比C的值也就越小。等效聚光比C随主动偏转角β在1到集热器的本征聚光比C0间连续变化，集热器的集热量亦随之在0到集热子系统在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0间连续变化。
为通过主动散焦的调控方式控制集热器集热量，实现集热子系统和用热子系统的能量匹配，需首先得到C-β关系式。根据已获得的C-β关系式对集热器进行偏转调节即可实现集热子系统集热量同用热子系统热需求的相互匹配。集热子系统为系统内全部集热器的总和，全部集热器同时工作并统一调节，以集热子系统的角色完成系统内的能量供应。
下面分别介绍获得C-β关系式的具体步骤及根据已获得关系式调节集热器主动偏转角的具体方法。
首先介绍获得C-β关系式的步骤：
A1、调节抛物槽式太阳能集热器的聚光镜开口面2与水平面垂直，入射光从聚光镜开口面2法线方向射向聚光镜1，则集热器完全聚焦，记录聚光镜开口面2接收到的光通量Iap和集热器的本征聚光比C0；
A2、调节集热器绕跟踪轴4主动偏转，记录主动偏转角β和集热管3接收到的光通量Itube；
A3、根据步骤A1中聚光镜开口面2接收到的光通量Iap和步骤A2中集热管3接收到的光通量Itube数值，不计因β变化导致集热管接收入射辐射的面积变化，根据式(1)计算步骤A2中主动偏转角β对应的等效聚光比C；
C＝C0·Itube/Iap (1)
A4、调节β从零开始变化，重复步骤A2至步骤A3，对一系列主动偏转角β与等效聚光比C进行数据拟合，获得C-β关联式。
其中，步骤A4中所述对一系列β与C进行数据拟合，按照Boltzmann函数形式：进行拟合，拟合结果如图2所示。
图2为依照本发明实施例的等效聚光比C与集热器主动偏转角β的拟合关联式。横轴为集热器主动偏转角β纵轴为等效聚光比C。当β角大于1°时C接近于0，此时的C-β关系式对于后期实际控制无指导意义，故控制β在0≤β≤1°内变化并计算相应的C数值。
依靠单个Boltzmann函数拟合无法满足精度要求，本实施中采用了分段拟合的方式，C-β关系式为：
根据已获得的C-β关系式，根据实时辐照及用热子系统热需求确定集热器的需求聚光比，确定集热器的需求偏转角，藉此实现集热子系统热输出和用热子系统热需求的相互匹配。
具体调控方法为：
B1、在槽式集热系统工作时，根据下游用热子系统热需求Qreq以及集热子系统在在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0，确定集热器的需求聚光比Creq。
假设一槽式集热系统的本征设计辐照为DNI0＝600W/m2，聚光镜总开口面积Aap为577m2，集热器集热效率ηcol＝60％，本征聚光比C0＝50。该系统的用热子系统设计热需求Qreq应同集热子系统设计辐照下的集热量一致，则：
Qreq＝DNI0·Aap·ηcol＝600×577×0.6＝207.72kW (3)
实际运行状态中，若太阳直射辐射突然提升至DNI＝1000W/m2，则：
Qabs，0＝DNI·Aap·ηcol＝1000×577×0.6＝346.20kW (4)
根据上述计算得到的Qreq和Qabs，0，集热器的需求聚光比Creq具体计算如下：
B2、根据集热器的需求聚光比Creq及步骤A4获得的C-β关系式，确定集热器的需求偏转角βreq。
最后，根据算得的βreq，集热器绕跟踪轴进行主动偏转，即可保证集热子系统能量输出和用热子系统热需求的相互匹配，抛物槽式太阳能集热器的主动散焦调控过程完成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，包括：
S1、对集热器在不同主动偏转角情况下集热管接收到的光通量进行测量，对测量数据进行计算及拟合，得到等效聚光比和主动偏转角关系式；
S2、根据实时辐照及用热子系统热需求确定集热器的需求聚光比，通过得到的等效聚光比和主动偏转角关系式确定集热器的需求偏转角；
S3、根据所确定的需求偏转角对集热器进行调节，实现集热子系统的集热量和用热子系统热需求的匹配。
2.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、调节抛物槽式太阳能集热器的聚光镜开口面(2)与水平面垂直，入射光从聚光镜开口面(2)法线方向射向聚光镜(1)，则集热器完全聚焦，记录聚光镜开口面(2)接收到的光通量Iap和集热器的本征聚光比C0；
S102、调节集热器绕跟踪轴(4)主动偏转，记录主动偏转角β和集热管(3)接收到的光通量Itube；
S103、根据步骤S101中聚光镜开口面(2)接收到的光通量Iap和步骤S102中集热管(3)接收到的光通量Itube数值，计算步骤S102中主动偏转角β对应的等效聚光比C；
S104、重复步骤S102至步骤S103，对一系列主动偏转角β与等效聚光比C进行数据拟合，获得C-β关联式。
3.根据权利要求2所述的抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，步骤S103中所述根据步骤S101中聚光镜开口面(2)接收到的光通量Iap和步骤S102中集热管(3)接收到的光通量Itube数值，计算步骤S102中主动偏转角β对应的等效聚光比C，C计算公式为C＝C0·Itube/Iap。
4.根据权利要求2所述的抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，所述步骤S104中所述对一系列β与C进行数据拟合，按照Boltzmann函数形式：进行拟合；
其中，x为函数自变量，y为函数因变量，A1、A2、x0皆为函数拟合过程中的常数。
5.根据权利要求4所述的抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，所述按照Boltzmann函数形式进行拟合，拟合后的C-β关联式如下：
。
6.根据权利要求2所述的抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在槽式集热系统工作时，根据下游用热子系统热需求Qreq以及集热子系统在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0，确定集热器的需求聚光比Creq；
S202、根据集热器的需求聚光比Creq及步骤S104获得的C-β关系式，确定集热器的需求偏转角βreq。
7.根据权利要求6所述的抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，步骤S201中所述集热子系统在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0，根据公式Qabs，0＝DNI·Aap·ηcol计算得到，其中DNI为对应的太阳直射辐射，Aap为聚光镜总开口面积，ηcol为集热器的集热效率。
8.根据权利要求6所述的抛物槽式太阳能集热器主动散焦调控方法，其特征在于，步骤S201中所述根据下游用热子系统热需求Qreq以及集热子系统在完全跟踪状态下的输出热量Qabs，0，确定集热器的需求聚光比Creq，Creq计算公式为Creq＝C0·Qreq/Qabs，0。
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