毕业论文（设计）槽式集热器聚光过程误差因素耦合研究.doc

槽式集热器聚光过程误差因素耦合研究摘要 在实际运行过程中，槽式太阳能集热器的聚光过程可能受到太阳光入射角、安装误差、傥面误 差和跟踪误差等各种实际因索的影响，木文用空间坐标变换的方法结合蒙特卡罗光线追踪法，分别计 算出了各种实际因素单独存在时和多种实际因素耦合时的槽式集热器聚焦热流结果显示，安装误差 和跟踪误差使聚焦热流的不均匀性增大，邃面误差使聚焦热流的不均匀性减小；计算出的实际因素耦 合热流，可以为吸热管内三维流场和温度场的计算提供依据关键词 槽式集热器；聚光过程；热流分布；误差耦合0前言槽式太阳能集热器(PTC)是太阳能热发电的一种重要形式，在对PTC进行研究时， 集热管外聚焦热流的计算常常是第一步何雅玲山使用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT) 计算了理想情况下PTC的聚焦热流，证明了 MCRT方法的实用性，MCRT方法得到了 广泛的应用［2-叽与理想情况相比，PTC的聚光过程受到各种实际因素包括太阳光入射 角、安装误差、跟踪误差和镜面误差的影响赵东明等⑷采用空间坐标变换的方式研究 了集热管安装误差、跟踪误差和太阳光入射角对PTC聚焦热流的影响，程泽东等⑸对镜 面误差和跟踪误差进行了详尽的敏感性分析，均发现当这些实际因素存在时，聚焦热流 将发生很大的改变，因此需要对各种实际因素存在时PTC的集热管外聚焦热流进行研 究。

目前的文献常常只计算出只有一种实际因素存在时的PTC聚焦热流，而实际应用 中，PTC的聚光过程可能会同时受到多种实际因素的影响本文先计算各种实际因素单 单独存在时PTC的聚焦热流并进行分析，然后在MCRT方法的基础上提出一种修正方 法，计算出多种实际因素耦合时的PTC聚焦热流1模型描述1. 1理想MCRT模型本文把何雅玲⑴提出的MCRT方法认为是理想模型，模型假设：太阳光垂直于反射 镜的张口平面入射；PTC没有安装误差和镜面形状误差；只计算某一瞬时的PTC聚焦 热流；在吸热管外壁上划分网格，同一个网格内热流相等图1空间自角坐标系的建立基金项目：国家自然科学基金面上项目(51476110)和国家科技支撑计划课题(2014BAA01B02)资助本文空间坐标系的建立方式如图1所示，坐标原点建立在吸热管的进口截面圆心各种实际因素实际上是对集热管位置、入射光线或镜而法线方向产生影响，在MCRT的算法中，这三者间互不影响，当我们考虑一种实际因索修正时，比如安装误差，只需要对集热管的位置进行修止，而不必修改算法的其他部分1.2安装误差当集热管的安装误差使吸热管的位置发生平移时，假设管子圆心线在y和z方向新 的坐标分别为）［和z,,则吸热管外壁方程变为：（歹一汀+（2-汀=广2 ⑴集热管安装误差或者支撑架的形变也可能使集热管的位置与焦点线不平行。

PTC采 用双轴跟踪系统时,光子被吸热管接收的位置的x坐标等于入射点的x坐标（用心表示）， 所以只要知道吸热管圆心线的坐标方程，光子到达吸热管的位置仍然可以求出来简单起见，假设吸热管的进口截而圆心坐标为（0,0,0），出口截而圆心坐标为 （厶那么在反射光线所在的垂直于焦点线的平而内，吸热管外壁的坐标为： b予）+卜詞" ⑵将吸热管新的坐标方程（1）或（2）代入MCRT算法中，其他部分不变，即可求得有集 热管安装误差的管外不均匀热流对于单轴跟踪系统，由于入射角的存在，反射光线和集热管外壁的交点不易确定， 情况更为复杂，本文不作硏究1.3太阳光入射角PTC对太阳位置的跟踪有单轴跟踪和双轴跟踪两种，只有双轴跟踪系统才能使太阳 光线保持直射入射，但是由于双轴跟踪系统结构复杂，工程实际中PTC 一般采取单轴 跟踪系统，这种情况下入射太阳入射角往往不为0,如图2所示：图2太阳光斜射入射图太阳光线AB以入射角&照射到反射镜边缘上的点B,然后被反射到吸热管上的点C,距离CD即为经过B点的太阳光线不能照射到的长度文献⑹求出所有入射光线CD 的最大值和最小值分别为（ / ）L —血& ⑶I 16/丿厶min = f畑e ⑷Lmax是PTC末端损失效应能够影响到的最大距离，与末端D距离大于Lmax的区域 总的聚焦热流不变，而末端C距离小于厶面的管段则不能接收到聚焦后的太阳光。

在理想模型中，假如入射光线方向向量为A/ ,反射面的法向量为万，那么点P处反射光线方向向量尸的计算公式为：P = -2（A?-M）］V + My(a)直射入射光线和斜射入射光线9：99 、(b)空间坐标变换图3人阳光入射角坐标计算图3(a)中光线1是理想模型计算出来的直射入射光线，光线2是入射角为&的斜射 入射光线图3(b)中的坐标系0-兀咒是坐标系驴绕)，轴旋转角度&后得到的，入 射光线雨(兀,)")在此坐标系小的坐标就是入射光线2的坐标,所以：AT= A-M ⑹其中A是从坐标系0-目z到坐标系0_込7的空间坐标变换矩阵：COS&0sin0010(7)-sin&0COS&将得出的而代入公式(5)中，保持MCRT算法其他部分不变，即可求得太阳光入射 角不等于0时的PTC聚焦热流1.4跟踪误差01)跟踪误差示总图图4跟踪误差英坐标变换图4(a)中有跟踪误差的集热器1相对于正确的集热器2逆时针旋转了 了角度，如图 4(b)所示，空间坐标变换矩阵等于：「io o -B= 0 cos/ sin y (8)0 -siny cosy则修正后的入射光线坐标aF为：W = B • Nt (9)将得出的方代入公式(5)中，保持MCRT算法其他部分不变，即可求得有跟踪误差 的PTC聚焦热流。

1.5镜面误差镜血误差考虑的是反射血微观的缺陷或宏观的变形等原因所造成的反射误差镜血 误差包含的种类很多，把所有的镜面课差叠加起來后可以用实际的与理想的镜面法线方向的偏差来代替⑺，认为此偏差角度在)，方向和z方向分解后得到的两个分量分别符合 相同的高斯分布⑻，镜面实际法线坐标向量可以由理想的镜面法线方向帀经过两次 坐标变换得到：歹•万)其中A和B用公式(7)和(8)来计算，公式中的角度&和7的概率密度函数相同:1exp(11)1y[27T(J(12)CT是标准方差，也是镜面误差角度将得出的亍代入公式(5)中，保持MCRT算法 其他部分不变，即可求得有镜面误差的PTC聚焦热流1.6实际因素耦合对于安装误差，与理想模型相比集热管坐标发生了变化，用式(1)或式(2)来考虑其 影响即可对于跟踪误差、镜面误差、太阳光入射角等实际因素，可以用以下公式计算 反射光线方向：P = -2(]V>-M>)7V> + Ar (13)其中护和研分别是考虑了跟踪误差、镜血误差和太阳光入射角等因素的实际反射 镜法线和实际入射光线坐标向量需要注意的是，当同时考虑入射角影响和跟踪误差时，实际入射光线坐标而为：研•雨) (14)注意采用aF=b(aa7)或帀•丽)得到的结果并不一样，因为矩阵A把直 射光线变为斜射入射光线，矩阵B考虑跟踪误差，所以应该采取来计算 单轴跟踪系统的跟踪误差。

2结果与讨论下面利用空间坐标变换矩阵，对安装误差、太阳光入射角度等实际因索分别进行模 拟和分析，最后将多种实际因素耦合在一起计算因为管外热流分布的相对大小与直射 辐射强度没有关系，所以分析结果时管外热流取的是当地聚焦比(LCR)本文模拟时 采用LS-3型槽式太阳能集热器作为物理模型，儿何尺寸等参数见表1关于其他型号集 热器的结论可以通过用相同的方法分析得到表1 LS-3型集热器数据ParameterValueabsorber tube radius ( r)0.035 mfocal length (/)1.71 maperture width ( w )5.76 mglass tube (ransmittance (r )0.95absorber tube absorptivity ( k )0.96reflector reflectivity (0.932.1安装误差的影响(a) z方向安装误差 (b)y方向安装误差图5平行安装误差(a) Z = 0.2% (b)Z = 0.5%图6 Z相同时不同丫对聚焦热流的影响(a) Y = 0.2% (b) Y = 0.5%图7 丫相同时不同Z的影响y方向和兀方向安装误差的定义分别为y = yj^和乙=可//。

图5中显示的是 平移安装误差的情况集热管安装误差达到毫米数量级时，管外热流形状就已发生明显 改变图6和图7比较了两方向安装误差都存在时)，或z方向安装误差对管外热流分布 的影响图6保持Z不变改变Y的大小，热流分布形状的改变非常大，图7保持丫不变 改变Z的大小，热流分布形状的改变相对较小，因此与z方向安装误差相比，y方向安 装误差的影响大所以，在集热管的安装过程中要格外注意减少在y方向的安装误差图8出口截面r=o.i%, z=o.i%管外热流分布图8中的集热器进II截面圆心坐标为(0,0,0),出11截面圆心坐标为(4j,zJ,其中才和可分别对应丫 = 0.1%和Z = 0.1%,虽然图中管外热流分布在轴线上是不均匀的， 但可以看成无数个平移安装误差的热流分布连续排布而成，图中的三维热流在垂直于轴 线的每个截面内与集热管位置相同的平移安装误差的热流分布相同2.2入射角的影响(b)聚焦热流三维视图图9太阳光30入射角模拟结果图9(a)显示的是直射辐射强度相同时双轴跟踪和单轴跟踪系统PTC聚焦热流沿管 长的分布，纵轴为同一截面平均LCR对于单轴跟踪的系统，图中画出了厶^和-血的 位置，可以看到MCRT方法模拟的结果和公式计算结果吻合得很好，证明了 MCRT方 法对太阳光斜射入射时PTC聚焦热流模拟的准确性。

在不受末端损失效应影响的区域， 集热管每个截面接收的总的聚焦热流等于太阳光以相等的直射辐射强度直射入射时接 收的聚焦热流，且在轴向上仍然可以认为是不变的在图9(b)中太阳光线入射角为30 可以看到在集热管末端，吸热管接收到的聚焦能量从零开始连续地增大，最终成为周向 不均匀、轴向上不变的聚焦热流2. 3镜面误差和跟踪误差影响图10显示的是镜面误差对聚焦热流的彫响，图10(a)显示聚焦热流仍然是对称的, 可以看到镜面误差的作用是使聚焦热流由不均匀趋向均匀，这种作用有利于减小管壁温 差，镜面误差越大越明显图10(b)显示的是镜面误差角度对PTC效率的影响，图中显 示的数值是吸热管接受到的热流与理想模型的聚焦热流之比当镜而误差大于0.15时, 有光子从PTC中逃逸出去，PTC的聚光效率下降，应该避免图11显示的是跟踪误差对聚焦热流的彫响，跟踪误差使太阳光偏离垂直于反射镜 张口平面的方向入射，增大了热流的不均匀性图11(b)显示的是跟踪误差角度对PTC效率的影响，当跟踪误差大T 0.6时，PTC的聚光效率下降a)聚焦热流 (b)镜面误差对集热效率的影响图10镜面误差对聚焦热流的影响(a)聚焦热流 (b)跟踪误差对集热效率的影响图11跟踪误差对聚蕉热流的影响2.4实际因素耦合图12同时考虑入射角度影响和平移安装误差、跟踪谋差、镜面误差图12显示了多种实际因素耦合时的PTC聚焦热流,太阳光入射角30 , /=0.1% , Z=0」％，跟踪误差0.2。

镜而误差0.1 o图12 (b)显示的是未受末端损失影响区域 的截面热流由于各种实际误差角度的大小不一，所以管外聚焦热流的形状变化多样， 可以计算出集。