CN112013553A - 一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器及其供热控制方法 - Google Patents

一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器及其供热控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于平板热管太阳能集热器的可调节式聚光器，包括：壳体；集热板，其设置在所述壳体的底部；多个凹槽，其分别对称开设在所述集热板的两侧；两个反射镜，其对称设置，且所述反光镜的一端支撑设置在所述壳体的侧面上，另一端设置在所述凹槽内；玻璃板，其设置在所述壳体的顶部。该系统结构简单，安装方便。利用了low‑e玻璃良好的隔热效果和透光性，可以有效的防止集热板反射的光波穿透玻璃。该系统是在原有的热管平板集热器的基础上设计的，不会影响集热器的工作。该系统不仅可以提高热管平板集热器的启动温度，扩大它的适用范围，进一步提高能源利用率。本发明还提供了一种用于平板热管太阳能集热器的可调节式聚光器的供热方法。

Description

一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器及其供热控 制方法
技术领域
本发明涉及一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器及其供热控制方法，属于太阳能集热供暖技术领域。
背景技术
目前热管平板太阳能集热器由于热管启动温度较高，而部分地区冬季气温较低，多数情况下，热管平板集热器在冬季无法正常工作。这种情况导致集热器没有起到应有的作用，造成资源闲置，且这段时间内的太阳的辐照能量没有被利用。另外，为了满足人们的正常生活，此种情况要另外提供热量，这也会造成额外的能源浪费，加重使用者的负担。此外，目前的集热器在太阳高度角发生变化时，无法适时作出调整。
为了避免造成资源闲置，额外消耗能源，加重消费者的负担。同时，为了提高热管平板集热器的启动温度，扩大其适用范围，进一步提高能源利用率，本发明提出了一种用于平板热管太阳能集热器的可调节式聚光器。
发明内容
本发明设计开发了一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，通过调整反光镜插入集热板凹槽的位置，改变反光镜的角度，提高集热板对太阳能辐照能量的吸收率。
本发明还设计开发了一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的供热控制方法，通过模糊PID控制，能够在供热过程中控制供热水泵的转速，进而控制供热温度，提高供热效率。
本发明提供的技术方案为：
一种用于平板热管太阳集热器的可调节聚光器，包括：
所述聚光器包括多个聚光槽，每个聚光槽包括：
壳体；
集热板，其设置在所述壳体的底部；
多个凹槽，其分别对称开设在所述集热板的两侧；
两个反射镜，其对称设置，且所述反射镜的一端支撑设置在所述壳体的侧面上，另一端设置在所述凹槽内；
玻璃板，其设置在所述壳体的顶部。
优选的是，所述壳体为长方体结构。
优选的是，所述壳体包括：
两层板材层；
保温材料层，其设置在所述两层板材层之间。
优选的是，所述板材层为铝合金板材。
优选的是，所述集热板为紫铜材质。
优选的是，所述集热板上设置有蓝钛膜。
优选的是，所述多个凹槽的结构相同，并等间距设置。
优选的是，还包括：
换热器，其电连接所述集热器；
蓄热水箱，其与所述换热器相连通；
供热水泵，其连通所述蓄热水箱；
供热控制器，其电连接所述水泵。
一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的供热控制方法，使用所述的可调节聚光器的集热控制方法，其特征在于，
根据采样周期，当太阳高度角为30～90°，太阳光照强度IE＞4.5×104lx时，
将采集的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti输入到模糊控制器中，输出水泵的转速r；
所述蓄热水箱的出水温度T0、换热器的出水温度Ti、供热水泵的转速r均分为7个等级，模糊论域为[0,1]，量化因子均为1；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；
将第i个采样周期获取的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti的温差ΔT与温差阈值ΔTe的偏差e、偏差变化率ec输入模糊PID控制器，输出PID的比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD，将比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD输入PID控制器进行供热水泵转速的误差补偿控制。
优选的是，经过所述供热水泵流出的进行供热的水温度TB的经验公式为：
Figure BDA0002674989000000031
其中，TJW为集热器工作时的温度，TJ0为集热器的初始温度，V为蓄热水箱的容积，VS为工作时蓄热水内水的体积，Txq为供热需求温度，r0为供热水泵的基础转速。
本发明所述的有益效果：该系统结构简单，安装方便。利用了low-e玻璃良好的隔热效果和透光性，可以有效的防止集热板反射的光波穿透玻璃。该系统是在原有的热管平板集热器的基础上设计的，不会影响集热器的工作。该系统不仅可以提高热管平板集热器的启动温度，扩大它的适用范围，也可以进一步提高能源利用率。
本发明提供的用平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的供热控制方法，通过模糊PID控制，能够在供热过程中调节供热水泵的泵速，改变供热温度，提高供热效率。
附图说明
图1为本发明所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的结构示意图。
图2为本发明所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器结构的爆炸图。
图3为本发明所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的后侧剖视图。
图4为本发明所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的右侧剖视图。
图5为本发明所述的用于平板特管太阳能集热器的可调节聚光器的供热控制方法的流程图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-5所示，本发明提供一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，包括：凹槽110、集热板120、反光镜130、夹层140、玻璃层150、壳体200、保温层210、玻璃板固定槽220。
集热板120设置在壳体200的底部，集热板120的两侧对称开设有多个凹槽，用于放置反光镜130，两个反光镜130对称设置，反光镜130的一端支撑设置在壳体200的侧面上，另一端设置在凹槽110内，壳体200包括两层板材层和设置在两层板材层之间的保温层，壳体200为长方体结构，两个反光镜130与集热板120之间形成一个小的聚光槽，聚光槽的顶部设置有玻璃层150，每个聚光器包括多个聚光槽。
如图1-4所示，壳体200为长方体结构，在本发明中，作为一种优选，长方体的四周较短的一侧由玻璃构成，其余为铝合金材料。集热板120设置在壳体120的底部，在集热板120的两侧对称开设有多个凹槽110，多个凹槽110的结构相同，并等间距设置。带有凹槽110的一面朝向壳体120的顶部，在壳体120的顶部设置有玻璃层固定槽220，用于固定玻璃层150。反光镜130的一端设置在玻璃层与壳体120的缝隙间，另一端设置在凹槽110内。
在本发明中，作为一种优选，集热板120上镀有蓝钛膜。
在本发明中，作为一种优选，集热板为紫铜材质制成。
在本发明中，作为一种优选，玻璃层选用low-e玻璃。
聚光器工作时，太阳光线部分照射在集热板120上，部分照射在反光镜130上，经由反光镜130反射到集热板120上，这样可以增加单位面积上集热板120的光照强度。当太阳高度角发生变化时，通过调整反光镜130插入集热板120的凹槽110内，改变反光镜130的角度，使其更好地吸收太阳辐照能量。
本发明还提供一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的供热方法，能够在供热过程中控制供热水泵的转速，进而控制供热温度，提高供热效率。
步骤一、根据采样周期，采集太阳高度角和太阳光照强度，当当太阳高度角为30～90°，太阳光照强度IE＞4.5×104lx时：
将采集的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti输入到模糊控制器中，输出水泵的转速r；
蓄热水箱的出水温度T0、换热器的出水温度Ti、供热水泵的转速r均分为7个等级，模糊论域为[0,1]，量化因子均为1；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
将第i个采样周期获取的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti的温差ΔT与温差阈值ΔTe的偏差e、偏差变化率ec输入模糊PID控制器，输出PID的比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD，将比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD输入PID控制器进行供热水泵转速r的误差补偿控制。
其中，模糊控制器的控制规则为：
(1)当蓄热水箱的出水温度T0一定，换热器的出水温度T0升高时，需要降低供热水泵的转速r；
(2)当换热器的出水温度T0一定，蓄热水箱的出水温度T0升高时，需要提高供热水泵的转速r。
模糊控制的具体控制规则详见表1
表1
Figure BDA0002674989000000051
模糊控制器输入将采集的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出为供热水泵的转速r，供热水泵通过重心法进行解模糊。
步骤二、将第i个采样周期获取的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti的温差ΔT与温差阈值ΔTe的偏差e、偏差变化率ec输入模糊PID控制器，输出PID的比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD，将比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD输入PID控制器进行供热水泵转速r的误差补偿控制；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数。
1、当偏差|e|较大时，增大KP的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的KD，通常取KI＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小KP的取值，使KI较小，选择适当大小的KD；
3、当偏差|e|较小时，增大KP、KI的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的KD；当|ec|较小时，取较大的KD；具体的模糊控制规则详见表2、3和4。
表2 PID的比例系数KP的模糊控制表
Figure BDA0002674989000000061
表3 PID的比例积分系数KI的模糊控制表
Figure BDA0002674989000000071
表4 PID的微分系数KD的模糊控制表
Figure BDA0002674989000000072
将第i个采样周期获取的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti的温差ΔT与温差阈值ΔTe的偏差e、偏差变化率ec输入模糊PID控制器，输出PID的比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD，比例系数、比例积分系数和微分系数通过重心法进行解模糊，输入PID控制器进行供热水泵的转速r的误差补偿控制，控制算式为：
Figure BDA0002674989000000073
经过反复确定，模糊PID控制器对供热泵的转速r进行精确控制，供热泵的转速r为模糊控制器的输出转速和PID控制器的转速误差补偿值的加和，使供热泵的转速r得以精确控制，使其偏差小于0.1％。
经过所述供热水泵流出的进行供热的水温TB的经验公式为：
Figure BDA0002674989000000081
其中，TJW为集热器工作时的温度，单位为℃，TJ0为集热器的初始温度，单位为℃，V为蓄热水箱的容积，单位为m3，VS为工作时蓄热水内水的体积，单位为m3，Txq为供热需求温度，单位为℃，r0为供热水泵的基础转速，单位为r/min。
通过模糊PID控制能够在供热过程中调节供热水泵的泵速，改变供热温度，提高供热效率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，所述聚光器包括多个聚光槽，每个聚光槽包括：
壳体；
集热板，其设置在所述壳体的底部；
多个凹槽，其分别对称开设在所述集热板的两侧；
两个反射镜，其对称设置，且所述反射镜的一端支撑设置在所述壳体的侧面上，另一端设置在所述凹槽内；
玻璃板，其设置在所述壳体的顶部。
2.根据权利要求1所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，所述壳体为长方体结构。
3.根据权利要求2所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，所述壳体包括：
两层板材层；
保温材料层，其设置在所述两层板材层之间。
4.根据权利要求3所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，所述板材层为铝合金板材。
5.根据权利要求4所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，所述集热板为紫铜材质。
6.根据权利要求5所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，所述集热板上设置有蓝钛膜。
7.根据权利要求6所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，所述多个凹槽的结构相同，并等间距设置。
8.根据权利要求7所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器，其特征在于，还包括：
换热器，其电连接所述集热器；
蓄热水箱，其与所述换热器相连通；
供热水泵，其连通所述蓄热水箱；
供热控制器，其电连接所述水泵。
9.一种用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的供热控制方法，其特征在于，使用权利要求1-8任意一项所述的可调节聚光器的集热控制方法，其特征在于，
根据采样周期，当太阳高度角为30～90°，太阳光照强度IE＞4.5×104lx时，
将采集的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti输入到模糊控制器中，输出水泵的转速r；
所述蓄热水箱的出水温度T0、换热器的出水温度Ti、供热水泵的转速r均分为7个等级，模糊论域为[0,1]，量化因子均为1；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；
将第i个采样周期获取的蓄热水箱的出水温度T0和换热器的出水温度Ti的温差ΔT与温差阈值ΔTe的偏差e、偏差变化率ec输入模糊PID控制器，输出PID的比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD，将比例系数Kp、比例积分系数KI和微分系数KD输入PID控制器进行供热水泵转速的误差补偿控制。
10.根据权利要求9所述的用于平板热管太阳能集热器的可调节聚光器的供热控制方法，其特征在于，经过所述供热水泵流出的进行供热的水温度TB的经验公式为：
Figure FDA0002674988990000021
其中，TJW为集热器工作时的温度，TJ0为集热器的初始温度，V为蓄热水箱的容积，VS为工作时蓄热水内水的体积，Txq为供热需求温度，r0为供热水泵的基础转速。
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