本發(fā)明屬于太陽能光-熱利用技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種拋物槽式太陽能集熱器主動散焦調(diào)控方法。
背景技術(shù):
拋物槽式聚焦太陽能熱利用技術(shù)是目前國際上發(fā)展較為成熟,商業(yè)化程度最高的一種太陽能聚焦技術(shù),主要用于獲得200~400℃的熱量,可直接用于產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,也可以靈活地與熱化學技術(shù)、化石能源等形成互補的分布式供能系統(tǒng),進一步提高能源綜合利用率,具有廣闊的市場應用潛力。
拋物集熱器在實際應用中需要通過高精度跟蹤系統(tǒng)保證集熱器實時處于聚焦狀態(tài)以便最大程度接收太陽能。然而,由于受到太陽能輻照瞬時變化特點的制約,若集熱器始終處于完全聚焦狀態(tài),則集熱器輸出的熱量的功率或溫度必然出現(xiàn)大范圍波動。雖然在槽式熱發(fā)電技術(shù)中該波動可以通過增加蓄熱子系統(tǒng)進行平抑,但在許多以無蓄能子系統(tǒng)為特征的應用場合(如光煤互補技術(shù)、熱化學技術(shù)、直接蒸汽技術(shù)等)中,該波動無法被有效平抑,導致下游用熱子系統(tǒng)運行工況變化范圍大,進而影響整體系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
(一)要解決的技術(shù)問題
針對現(xiàn)有技術(shù)中集熱子系統(tǒng)輸出的熱量的功率或溫度出現(xiàn)大范圍波動,且波動無法被有效平抑的問題,本發(fā)明提供了一種拋物槽式太陽能集熱器主動散焦調(diào)控方法,以實現(xiàn)拋物槽式太陽能集熱系統(tǒng)集熱量的穩(wěn)定輸出。
(二)技術(shù)方案
為達上述目的,本發(fā)明提供一種拋物槽式太陽能集熱器主動散焦調(diào)控方法,包括:
S1、對集熱器在不同主動偏轉(zhuǎn)角情況下集熱管接收到的光通量進行測量,對測量數(shù)據(jù)進行計算及擬合,得到等效聚光比和主動偏轉(zhuǎn)角關(guān)系式;
S2、根據(jù)實時輻照及用熱子系統(tǒng)熱需求確定集熱器的需求聚光比,通過得到的等效聚光比和主動偏轉(zhuǎn)角關(guān)系式確定集熱器的需求偏轉(zhuǎn)角;
S3、根據(jù)所確定的需求偏轉(zhuǎn)角對集熱器進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)集熱子系統(tǒng)的集熱量和用熱子系統(tǒng)熱需求的匹配。
上述方法中,所述步驟S1包括以下步驟:
S101、調(diào)節(jié)拋物槽式太陽能集熱器的聚光鏡開口面2與水平面垂直,入射光從聚光鏡開口面2法線方向射向聚光鏡1,則集熱器完全聚焦,記錄聚光鏡開口面2接收到的光通量Iap和集熱器的本征聚光比C0;
S102、調(diào)節(jié)集熱器繞跟蹤軸4主動偏轉(zhuǎn),記錄主動偏轉(zhuǎn)角β和集熱管3接收到的光通量Itube;
S103、根據(jù)步驟S101中聚光鏡開口面2接收到的光通量Iap和步驟S102中集熱管3接收到的光通量Itube數(shù)值,計算步驟S102中主動偏轉(zhuǎn)角β對應的等效聚光比C;
S104、重復步驟S102至步驟S103,對一系列主動偏轉(zhuǎn)角β與等效聚光比C進行數(shù)據(jù)擬合,獲得C-β關(guān)聯(lián)式。
上述方法中,步驟S103中所述根據(jù)步驟S101中聚光鏡開口面2接收到的光通量Iap和步驟S102中集熱管3接收到的光通量Itube數(shù)值,計算步驟S102中主動偏轉(zhuǎn)角β對應的等效聚光比C,C計算公式為C=C0·Itube/Iap。
上述方法中,所述步驟S104中所述對一系列β與C進行數(shù)據(jù)擬合,按照Boltzmann函數(shù)形式:進行擬合。
上述方法中,所述按照Boltzmann函數(shù)形式進行擬合,擬合后的C-β關(guān)聯(lián)式如下為:
上述方法中,所述步驟S2包括以下步驟:
S201、在槽式集熱系統(tǒng)工作時,根據(jù)下游用熱子系統(tǒng)熱需求Qreq以及集熱子系統(tǒng)在在完全跟蹤狀態(tài)下的輸出熱量Qabs,0,確定集熱器的需求聚光比Creq;
S202、根據(jù)集熱器的需求聚光比Creq及步驟S104獲得的C-β關(guān)系式,確定集熱器的需求偏轉(zhuǎn)角βreq。
上述方法中,步驟S201中所述集熱子系統(tǒng)在完全跟蹤狀態(tài)下的輸出熱量Qabs,0,根據(jù)公式Qabs,0=DNI·Aap·ηcol計算得到,其中DNI為對應的太陽直射輻射,Aap為聚光鏡總開口面積,ηcol為集熱器的集熱效率。
上述方法中,步驟S201中所述根據(jù)下游用熱子系統(tǒng)熱需求Qreq以及集熱子系統(tǒng)在完全跟蹤狀態(tài)下的輸出熱量Qabs,0,確定集熱器對應的等效聚光比Creq,Qreq,Qabs,0,Creq計算公式為Creq=C0·Qreq/Qabs,0。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出,本發(fā)明具有以下有益效果:
1、本發(fā)明提供的一種拋物槽式太陽能集熱器主動散焦調(diào)控方法,可用于穩(wěn)定變輻照條件下拋物槽式太陽能集熱器的輸出熱量,進而維持下游用熱子系統(tǒng)運行于穩(wěn)定設計點工況,最終使整個系統(tǒng)高效運行。
2、本發(fā)明提供的一種拋物槽式太陽能集熱器主動散焦調(diào)控方法,可用于變輻照條件下,根據(jù)下游用熱子系統(tǒng)運行特征主動調(diào)控拋物槽式太陽能集熱器的輸出熱量,進而保證整個系統(tǒng)的熱量匹配,最終使整個系統(tǒng)高效運行。
3、本發(fā)明提供的一種拋物槽式太陽能集熱器主動散焦調(diào)控方法,通過精密調(diào)節(jié)主動偏轉(zhuǎn)角,穩(wěn)定集熱器的輸出熱量,這種做法無需對集熱器結(jié)構(gòu)進行大幅改造,因而節(jié)約了成本。
4、本發(fā)明提供的一種拋物槽式太陽能集熱器主動散焦調(diào)控方法,該方法對于推廣無蓄熱槽式集熱系統(tǒng)的廣泛應用以及提高和完善我國拋物槽式聚焦太陽能熱利用技術(shù)均具有重要意義。
附圖說明
圖1為集熱器完全聚焦和部分聚焦的示意圖;
其中附圖標記為:1-聚光鏡;2-聚光鏡開口面;3-集熱管;4-跟蹤軸;
圖2為依照本發(fā)明實施例的等效聚光比C與集熱器主動偏轉(zhuǎn)角β的擬合關(guān)聯(lián)式。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合具體實施例,并參照附圖,對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
圖1為集熱器完全聚焦和部分聚焦的示意圖。集熱器完全聚焦時,聚光鏡開口面接收的太陽輻射可被完全聚焦于集熱管處。集熱器處于主動散焦的情況,集熱器繞跟蹤軸進行主動偏轉(zhuǎn),集熱器處于部分聚焦的狀態(tài)。聚光鏡開口面接收的太陽輻射僅部分聚焦于集熱管處。主動偏轉(zhuǎn)角β越大,則聚焦于集熱管的太陽輻射份額越小,相應的等效聚光比C的值也就越小。等效聚光比C隨主動偏轉(zhuǎn)角β在1到集熱器的本征聚光比C0間連續(xù)變化,集熱器的集熱量亦隨之在0到集熱子系統(tǒng)在完全跟蹤狀態(tài)下的輸出熱量Qabs,0間連續(xù)變化。
為通過主動散焦的調(diào)控方式控制集熱器集熱量,實現(xiàn)集熱子系統(tǒng)和用熱子系統(tǒng)的能量匹配,需首先得到C-β關(guān)系式。根據(jù)已獲得的C-β關(guān)系式對集熱器進行偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)集熱子系統(tǒng)集熱量同用熱子系統(tǒng)熱需求的相互匹配。集熱子系統(tǒng)為系統(tǒng)內(nèi)全部集熱器的總和,全部集熱器同時工作并統(tǒng)一調(diào)節(jié),以集熱子系統(tǒng)的角色完成系統(tǒng)內(nèi)的能量供應。
下面分別介紹獲得C-β關(guān)系式的具體步驟及根據(jù)已獲得關(guān)系式調(diào)節(jié)集熱器主動偏轉(zhuǎn)角的具體方法。
首先介紹獲得C-β關(guān)系式的步驟:
A1、調(diào)節(jié)拋物槽式太陽能集熱器的聚光鏡開口面2與水平面垂直,入射光從聚光鏡開口面2法線方向射向聚光鏡1,則集熱器完全聚焦,記錄聚光鏡開口面2接收到的光通量Iap和集熱器的本征聚光比C0;
A2、調(diào)節(jié)集熱器繞跟蹤軸4主動偏轉(zhuǎn),記錄主動偏轉(zhuǎn)角β和集熱管3接收到的光通量Itube;
A3、根據(jù)步驟A1中聚光鏡開口面2接收到的光通量Iap和步驟A2中集熱管3接收到的光通量Itube數(shù)值,不計因β變化導致集熱管接收入射輻射的面積變化,根據(jù)式(1)計算步驟A2中主動偏轉(zhuǎn)角β對應的等效聚光比C;
C=C0·Itube/Iap (1)
A4、調(diào)節(jié)β從零開始變化,重復步驟A2至步驟A3,對一系列主動偏轉(zhuǎn)角β與等效聚光比C進行數(shù)據(jù)擬合,獲得C-β關(guān)聯(lián)式。
其中,步驟A4中所述對一系列β與C進行數(shù)據(jù)擬合,按照Boltzmann函數(shù)形式:進行擬合,擬合結(jié)果如圖2所示。
圖2為依照本發(fā)明實施例的等效聚光比C與集熱器主動偏轉(zhuǎn)角β的擬合關(guān)聯(lián)式。橫軸為集熱器主動偏轉(zhuǎn)角β,縱軸為等效聚光比C。當β角大于1°時C接近于0,此時的C-β關(guān)系式對于后期實際控制無指導意義,故控制β在0≤β≤1°內(nèi)變化并計算相應的C數(shù)值。
依靠單個Boltzmann函數(shù)擬合無法滿足精度要求,本實施中采用了分段擬合的方式,C-β關(guān)系式為:
根據(jù)已獲得的C-β關(guān)系式,根據(jù)實時輻照及用熱子系統(tǒng)熱需求確定集熱器的需求聚光比,確定集熱器的需求偏轉(zhuǎn)角,藉此實現(xiàn)集熱子系統(tǒng)熱輸出和用熱子系統(tǒng)熱需求的相互匹配。
具體調(diào)控方法為:
B1、在槽式集熱系統(tǒng)工作時,根據(jù)下游用熱子系統(tǒng)熱需求Qreq以及集熱子系統(tǒng)在在完全跟蹤狀態(tài)下的輸出熱量Qabs,0,確定集熱器的需求聚光比Creq。
假設一槽式集熱系統(tǒng)的本征設計輻照為DNI0=600W/m2,聚光鏡總開口面積Aap為577m2,集熱器集熱效率ηcol=60%,本征聚光比C0=50。該系統(tǒng)的用熱子系統(tǒng)設計熱需求Qreq應同集熱子系統(tǒng)設計輻照下的集熱量一致,則:
Qreq=DNI0·Aap·ηcol=600×577×0.6=207.72kW (3)
實際運行狀態(tài)中,若太陽直射輻射突然提升至DNI=1000W/m2,則:
Qabs,0=DNI·Aap·ηcol=1000×577×0.6=346.20kW (4)
根據(jù)上述計算得到的Qreq和Qabs,0,集熱器的需求聚光比Creq具體計算如下:
B2、根據(jù)集熱器的需求聚光比Creq及步驟A4獲得的C-β關(guān)系式,確定集熱器的需求偏轉(zhuǎn)角βreq。
最后,根據(jù)算得的βreq,集熱器繞跟蹤軸進行主動偏轉(zhuǎn),即可保證集熱子系統(tǒng)能量輸出和用熱子系統(tǒng)熱需求的相互匹配,拋物槽式太陽能集熱器的主動散焦調(diào)控過程完成。
以上所述的具體實施例,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明,應理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。