毕业论文（设计）槽式集热器聚光过程误差因素耦合研究.docxVIP

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、镜面误差和跟踪误差等各种实际因素的影响，本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，镜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[1]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[2-3]。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[4]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[5]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[1]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空间直角坐标系的建立基金项目：国家自然科学基金面上项目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、入射光线或镜面法线方向产生影响，在MCRT的算法中，这三者间互不影响，当我们考虑一种实际因素修正时，比如安装误差，只需要对集热管的位置进行修正，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，则吸热管外壁方程变为：(1)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面圆心坐标为，出口截面圆心坐标为，那么在反射光线所在的垂直于焦点线的平面内，吸热管外壁的坐标为：(2)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，本文不作研究。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[6]求出所有入射光线CD的最大值和最小值分别为(3)(4)是PTC末端损失效应能够影响到的最大距离，与末端D距离大于的区域总的聚焦热流不变，而末端C距离小于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，反射面的法向量为，那么点P处反射光线方向向量的计算公式为：(5)(a)直射入射光线和斜射入射光线(b)空间坐标变换图3太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)中的坐标系是坐标系绕y轴旋转角度后得到的，入射光线在此坐标系中的坐标就是入射光线2的坐标，所以：(6)其中是从坐标系到坐标系的空间坐标变换矩阵：(7)将得出的代入公式(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(a)跟踪误差示意图 (b)空间坐标变换图4跟踪误差其坐标变换图4(a)中有跟踪误差的集热器1相对于正确的集热