槽式連接板制造精度對集熱器聚光性能的影響

陶嘉煒，龔 俊，寧會峰

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

太陽能作為綠色可再生能源，對解決當(dāng)今環(huán)境污染和能源危機(jī)問題具有顯著的優(yōu)勢。其中槽式光熱發(fā)電是太陽能發(fā)電的一種重要實現(xiàn)方式。其具有裝容規(guī)模大、易實現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在聚光熱發(fā)電技術(shù)[1-2]中得到廣泛的應(yīng)用。但槽式光熱發(fā)電也存在一些缺陷。其中槽式聚光面作為光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心部件，與懸臂連接板直接相連，連接板在制造時存在誤差，導(dǎo)致相連集熱面的成型精度嚴(yán)重受損，影響集熱器聚光性能。

近兩年，張琛等[3]從光斑實狀及焦斑能量分布角度，使新能TRP-B集熱器的聚光性能得到改進(jìn)。馬宗瑞等[4]從計算SNT-1槽式懸臂法線約束條件角度，增強(qiáng)了集熱曲面的聚光效率。程效軍等[5]從曲面方程平差算法角度，給槽式拋物面的變形對聚光精度的影響提供了理論依據(jù)。但以上研究都未從槽式懸臂加工誤差對集熱器聚光性能影響的角度進(jìn)行分析。而懸臂加工誤差[6]對集熱器聚光性能的影響是必然存在且需要研究的。

本文采用理論和仿真相結(jié)合的研究方法，建立槽式懸臂連接板高度誤差影響集熱器聚光性能的數(shù)學(xué)模型。分析懸臂連接板在不同誤差下集熱面變形情況。利用光線追蹤技術(shù)手段，最終得到懸臂連接處高度誤差與集熱器聚光性能的關(guān)系。研究結(jié)果對懸臂的生產(chǎn)加工工藝有一定指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值，同時可完善槽式懸臂與集熱面連接處的制造評價體系。

1 誤差Δh影響/l數(shù)學(xué)建模

模型以現(xiàn)有的一種扭矩管結(jié)構(gòu)光熱發(fā)電集熱設(shè)備為基本參照對象。以槽式光熱發(fā)電懸臂連接板為基本研究對象，懸臂連接板與懸臂貼合平面垂直方向的位移為高度誤差±Δh。單側(cè)懸臂上設(shè)計有6塊同規(guī)格槽式懸臂支架連接板(1-6)以固定集熱面，1、3連接板和4、6連接板分別對應(yīng)相應(yīng)水平面，2連接板默認(rèn)低于1、3連接板，5連接板默認(rèn)低于4、6連接板。建立懸臂連接板高度誤差±Δh影響聚光性能數(shù)學(xué)模型。如圖1所示。

圖1 槽式光熱發(fā)電懸臂支架連接板高度誤差

2 誤差Δh與/l關(guān)系理論計算

2.1 /l定義及影響因素

性能較好的槽式光熱發(fā)電集熱設(shè)備，其聚光峰值約為73.68%。集熱設(shè)備的聚光量由4個影響[7-9]因素確定：集熱面的板面反射率/p；集熱玻璃管外層的透射率TMc；集熱金屬管材料的吸收率αc；集熱面的光線反射效率/l。其中/l為平行太陽光入射至槽式光熱發(fā)電集熱面再反射至集熱金屬管的光線數(shù)量[10-11]與平行太陽光入射至槽式光熱發(fā)電集熱面光線數(shù)量的比值。光線數(shù)量初始值越大，最后得到光線反射效率越準(zhǔn)確。

2.2 光線反射效率/l分析計算

太陽能集熱器光線反射效率/l不同，主要是因為槽式光熱發(fā)電集熱面在與加工精度較低的懸臂連接板連接定位后，槽式集熱面異于理論位置，且裝配式樣不同于理論式樣，使實際反射并被集熱管利用的光線小于理論值。

若slj>rlj，即光線反射損失量；

若slj≤rlj，即有效光線反射量。

圖2 空間異面直線確定光線反射效率/l

(1)

可得

(2)

其中

(3)

并且

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

可得理論光線反射效率/l。

3 形變集熱面有限元模擬

3.1 集熱子單元定義

為得到單一槽式懸臂連接板對其集熱面的影響區(qū)域范圍，需對單一集熱子單元進(jìn)行形變模擬分析，以得到不能被集熱管吸收的光線反射無效區(qū)。所采用的集熱子單元規(guī)格參數(shù)見表1。對于其它規(guī)格的集熱子單元，可采用類比模擬的分析手段得到。

表1 槽式光熱發(fā)電集熱子單元規(guī)格參數(shù)

內(nèi)容數(shù)據(jù)槽式光熱發(fā)電懸臂連接板/mm100×45×20(長×寬×厚)槽式光熱發(fā)電內(nèi)側(cè)集熱面一/mm1 640×1 700×4(長×寬×厚)槽式光熱發(fā)電外側(cè)集熱面二/mm1 500×1 700×4(長×寬×厚)

槽式光熱發(fā)電單側(cè)懸臂支架上焊接有6塊槽式懸臂連接板，每3塊連接板與一種集熱子面相連；每一種集熱子面處于邊沿位置的槽式懸臂連接板稱為“邊沿連接板”，處于中心位置的連接板稱為“中心連接板”；其平行并列的兩件單側(cè)槽式懸臂支架固定兩塊集熱子面，一塊集熱子面與6塊懸臂連接板相連。如圖3所示。

圖3 集熱子單元不同連接板基本構(gòu)成示意圖

其單一集熱子單元中包括外側(cè)集熱子面和內(nèi)側(cè)集熱子面，兩種集熱子面分別存在邊沿和中心兩種連接板。在槽式光熱發(fā)電懸臂連接板與其集熱面連接后，要求對應(yīng)集熱子面上邊沿連接板處于同一水平面。

3.2 誤差Δh分組及位移節(jié)點(diǎn)分析

4種連接板對應(yīng)其集熱面的位置不同，對光線反射效率/l的影響也不同。根據(jù)上述情況，對分析對象進(jìn)行單因素方案分組見表2。

表2 單因素方案分組分析

分析內(nèi)容方案一a.外側(cè)集熱面邊沿連接板分析:外側(cè)邊沿單一誤差+其余理想b.內(nèi)側(cè)集熱面邊沿連接板分析:內(nèi)側(cè)邊沿單一誤差+其余理想方案二c.外側(cè)集熱面中心連接板分析:外側(cè)中心單一誤差+其余理想d.內(nèi)側(cè)集熱面中心連接板分析:內(nèi)側(cè)中心單一誤差+其余理想

利用Ansys有限元軟件模擬形變，分別分析槽式光熱發(fā)電懸臂連接板處于-2 mm，-1.5 mm，-1 mm…+1 mm，+1.5 mm，+2 mm高度誤差Δh下，對應(yīng)槽式光熱發(fā)電集熱子面形變區(qū)，記錄其在網(wǎng)格劃分下的各個節(jié)點(diǎn)位移量，總形變量，等效應(yīng)力云圖。

分析a，b，c，d方案時，每種方案分析9組數(shù)據(jù)。槽式光熱發(fā)電集熱面的材料為超白浮法玻璃，屬性需同時考慮，見表3。

表3 槽式集熱面變形分析材料屬性

內(nèi)容集熱面材料屬性彈性模量/GPa73.1泊松比0.2密度/kg·m-32 507.6強(qiáng)度極限/MPa41.4

基于上述模型，在集熱部件制造過程中，高度誤差未加工量記作高誤差+Δh，過加工量記作低誤差-Δh。分析數(shù)據(jù)，得到各個高度誤差±Δh的節(jié)點(diǎn)位移量。提取數(shù)據(jù)，為下一步仿真準(zhǔn)備。

通過得到總形變量，采集最大節(jié)點(diǎn)位移、較密集的形變節(jié)點(diǎn)位移值和對應(yīng)的區(qū)域范圍，利用Origin分析數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。

圖4 高誤差+Δh變形量位移節(jié)點(diǎn)區(qū)域分布

圖5 低誤差-Δh變形量位移節(jié)點(diǎn)區(qū)域分布

可得槽式光熱發(fā)電懸臂連接板在高度誤差0～0.5 mm處節(jié)點(diǎn)分布密集，對集熱器聚光性能影響較大。

4 形變集熱面光線追蹤仿真

4.1 集熱屬性定義

為得到節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)影響槽式光熱發(fā)電集熱子面區(qū)域，最終降低集熱器聚光性能。采用光線模擬分析軟件TracePro，對變形后的集熱部件進(jìn)行光學(xué)仿真。得到光線反射效率/l隨槽式懸臂連接板位置加工誤差變化的影響規(guī)律，分析總結(jié)試驗結(jié)果。

為得到準(zhǔn)確的光學(xué)仿真過程，需對太陽光線追蹤程序中的光源及各集熱部件材料屬性定義，見表4。

表4 光源定義及各集熱部件材料屬性示意

內(nèi)容材料屬性槽式光熱發(fā)電集熱面空氣中折射系數(shù):1.07,表面反射率:93%,表面曲率精度:3/(mrad)集熱玻璃罩管空氣中折射系數(shù):1.50,表面透射率:91.5%,表面曲率精度:0.000 1/(mrad),表面反射率:9%,外(內(nèi))徑:102(99)/mm集熱金屬吸熱管空氣中折射系數(shù):1.10 表面吸收率:96% 表面曲率精度:0.000 1/(mrad),表面反射率:4% ,外(內(nèi))徑:63.5(61.5)/mm

采集在不同位置誤差下各個節(jié)點(diǎn)位移，輸入至TracePro分析軟件中。設(shè)置內(nèi)側(cè)集熱子面基點(diǎn)至集熱管位移量為1 710.592 mm。光源為格點(diǎn)光源，射入光線為存儲能量相同的等距離平行光線。

設(shè)置太陽光半張角/為4.65 mrad，輻射能量為均勻分布，輻照度為1 000 W/m2，光線總數(shù)量為1×105按單側(cè)集熱子面和集熱管的光源占比分配。太陽入射角為0°，忽略追蹤誤差模擬計算。

4.2 邊沿連接板誤差對聚光性能影響

設(shè)定單一外側(cè)邊沿連接板存在高度誤差，其余連接板為理想精度。當(dāng)光線入射至外側(cè)集熱子面，其高度誤差±Δh對集熱器單因素光線反射效率/l和單因素基礎(chǔ)聚光效率η的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 外側(cè)邊沿板誤差對聚光性能影響

可得集熱器聚光性能/l和/均隨外側(cè)集熱子面邊沿連接板位置高度誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。當(dāng)影響聚光性能其它因素為恒值，/l和/依次為99.68%和73.45%。根據(jù)效率與誤差量之間關(guān)系。

結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，外側(cè)邊沿板未加工量誤差比過加工量誤差對集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(2)加工誤差在0～0.5 mm時，集熱器聚光性能損失更加明顯。

內(nèi)外側(cè)集熱子面邊沿連接板變形對聚光量的影響程度不同，分析內(nèi)側(cè)集熱面邊沿連接板對集熱器聚光性能/l和/影響變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 內(nèi)側(cè)邊沿板誤差對聚光性能影響

集熱器聚光性能/l和/均隨內(nèi)側(cè)集熱子面邊沿連接板位置誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。/l和/依次為98.10%和72.28%。在高度誤差Δh同為未加工量+2 mm時，內(nèi)外側(cè)邊沿板對集熱器聚光性能/l和/分別相差1.58%和1.17%。

結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，內(nèi)側(cè)邊沿板較外側(cè)邊沿板對集熱器聚光性能損失影響更加明顯。

(2)等量誤差下，內(nèi)側(cè)邊沿板未加工量誤差比過加工量誤差對集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(3)加工誤差在0～0.5 mm時，集熱器聚光性能損失較明顯。過加工量誤差達(dá)到1.5 mm時，集熱器聚光量損失較大。

4.3 中心連接板誤差對聚光性能影響

設(shè)定單一外側(cè)中心連接板存在高度誤差，其余連接板為理想精度。當(dāng)光線入射至外側(cè)集熱面，其高度誤差±Δh對集熱器單因素光線反射效率/l和單因素基礎(chǔ)聚光效率/的影響規(guī)律如圖8所示。

圖8 外側(cè)中心板誤差對聚光性能影響

可得集熱器聚光性能/l和/隨位置誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。/l和/依次為99.67%和73.44%。根據(jù)效率與誤差量之間關(guān)系。結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，外側(cè)中心板過加工量誤差比未加工量誤差對集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(2)加工誤差在0～0.5 mm時，集熱器聚光性能損失更加明顯。

(3)外側(cè)中心板過加工量誤差每增大0.5 mm，聚光性能有明顯變化。

內(nèi)外側(cè)集熱子面中心連接板變形對聚光量的影響程度不同。分析內(nèi)側(cè)集熱面中心連接板對集熱器聚光性能損失影響變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 內(nèi)側(cè)中心板誤差對聚光性能影響

得到，/l和/均隨內(nèi)側(cè)集熱子面中心連接板位置高度誤差Δh的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。集熱器聚光性能/l和/依次為97.92%和72.15%。

結(jié)論表明：

(1)等量誤差下，內(nèi)側(cè)中心板較外側(cè)中心板對集熱器聚光性能損失影響更加明顯。

(2)等量誤差下，內(nèi)側(cè)中心板未加工量誤差比過加工量誤差對集熱器聚光性能損失的影響程度更高。

(3)加工誤差在0～0.5 mm時，集熱器聚光性能損失較明顯。未加工量誤差超過1 mm時，集熱器聚光量損失較大。

5 結(jié)論

(1)等量誤差下，內(nèi)側(cè)集熱面較外側(cè)集熱面聚光性能損失更嚴(yán)重，在加工時應(yīng)對內(nèi)側(cè)連接板精度要求更嚴(yán)格。內(nèi)外側(cè)集熱面聚光性能相差1.75%和1.29%。等量誤差下，集熱面中心區(qū)域較集熱面邊沿區(qū)域聚光性能損失更大，在加工時應(yīng)更精確控制中心連接板的制造誤差。中心和邊沿區(qū)域影響性能相差0.18%和0.13%。

(2)內(nèi)外側(cè)邊沿連接板在加工時，應(yīng)盡量控制誤差為過加工量誤差，且誤差盡量在0～0.5 mm，若不能保證在此范圍，應(yīng)盡量控制誤差小于1 mm。

(3)內(nèi)側(cè)中心連接板在加工時，應(yīng)盡量控制誤差為過加工量誤差，且誤差應(yīng)在0～0.5 mm，若不能保證在此范圍，可將誤差調(diào)放至2 mm。若加工誤差為未加工量誤差，應(yīng)盡量控制誤差小于1 mm；

(4)外側(cè)中心連接板在加工時，應(yīng)盡量控制誤差為未加工量誤差，且誤差應(yīng)在0～0.5 mm；若不能保證在此范圍，可將誤差調(diào)放至1 mm。若加工誤差為過加工量誤差，應(yīng)盡量控制誤差小于0.5 mm；在此研究的基礎(chǔ)上，多誤差狀態(tài)連接板對聚光性能的影響分析是未來工作進(jìn)一步提升集熱性能的研究方向。