槽式抛物面聚光集热器的布置研究

槽式抛物面聚光集热器的布置研究

李迪

（陕西省交通规划设计研究院陕西西安710065）

摘要：槽式抛物面聚光集热器一般分为两种布置形式：南北轴布置和东西轴布置，因此追踪方式分别对应南北轴跟踪方式和东西轴跟踪方式。采用不同的跟踪方式，太阳光与聚光集热器抛物槽夹角不同，从而会导致集热器的集热效率的差别。结合太阳辐射的几何学原理，总结出针对西安地区的布置方向以及布置原则。

1.布置方向

由于太阳在每天中相对于地球的位置在不停发生着变化，因此我们要保证聚光集热系统保持一个高效的接收角度，因此需要随着太阳位置的变化，聚光系统也要随之发生变化，我们称此套系统为定日追踪系统。常见的定日追踪系统大致来说分为两类：单轴追踪和双轴追踪，根据聚光系统的不同而选取适合的追踪系统。单轴追踪系统适用于一般的聚光集热装置。

以西安地区全年的平均气象参数作为输入，考察国内外经常使用的LS-2型集热器在不同月份中的效率曲线。

图1两种不同布置方式对集热器效率的影响

从图1中可以看出太阳辐射较强的3-10月份，采用南北轴跟踪方式集热器的效率较高；而在太阳辐射相对较弱的其他月份中，采用东西轴跟踪方式较好。总的来说，采用南北轴跟踪方式槽式集热器的年平均效率高于采用东西轴跟踪方式。

2.聚光集热器布置

在槽式光热发电站设计中，聚光集热器的布置非常重要，如果安装不妥后排的太阳光将被前排遮挡，与聚光集热器排列密切相关的是太阳高度角。因此，计算太阳高度角成为布置聚光集热器的关键要素。

3.太阳辐射的几何学理论

一般采用Ptolemaic对太阳的运动观念来简化分析。在分析太阳的运动时视地球为参考系，并把坐标原点建立在地面上。地球绕太阳公转的轨迹平面为黄道面（eclipticplane），地球绕地轴自转，地轴与黄道面法线成23.5°夹角，如图所示。

按照Ptolemaic的理论，在地面坐标系上可以用两个角度来定位太阳位置，如图所示。太阳高度角（altitudeangle）a又称仰角，是观察地点水平面与太阳中心间的夹角，观察地水平面垂直方向与太阳中心间夹角为天顶角（zenithangle），天顶角与高度角互为余角。太阳方位角（azimuthangle）as为太阳在水平面上投影和正南方的夹角，向东取正值，向西取负值。太阳高度角与方位角并不方便直接得到，而需要借助于地球与太阳之间的其它关系量，如太阳时角hs（hourangle）、地球上观察地的纬度L和太阳赤纬s（declination）等量确定，角度间关系如图4所示。

图2地球随太阳的运动

图3太阳高度角a与方位角as的定义

图4太阳时角hs、太阳赤纬s及纬度L的定义

太阳时角

太阳时角hs是地球自转形成的，地球一昼夜转一圈即360°，地球上的时间经过24小时，因此可以定义时间与角度的关系，也就是地球上的每小时相当于地球自转15°，太阳时角由此而来。定义正南向东即早晨为正值，正南向西即下午为负值。在本文的计算中均采用的当地时间，即定义当地的正午12点为阳光正好通过当地子午线的时刻，因此太阳时角可根据其定义由下式得到：

式中“+”号适用于西半球，“-”适用于东半球：

ST——太阳时（Solartime）；LST——当地太阳时（LocalSolartime）；Lst——标准时对应的标准经度/°；Lloc——当地经度/°；ET——时差；

ET=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB

上式中，B=360（n-81）/364，n为一年中的天数。

我国取北京时间为当地太阳时。

太阳赤纬

太阳赤纬s为赤道处正午阳光与天顶方向的夹角，即地心与太阳中心连线与赤道平面的夹角。由于地球绕太阳公转轨道为一个偏心率不大的椭圆，而地轴与黄道面夹角为66°33′，则赤道平面与黄道平面夹角为23°27′，其位置关系如图所示。因此地心与太阳中心连线与地球赤道平面夹角也随时间变化，每年重复一次这个变化，因此太阳赤纬变化范围为±23°27′。由赤纬的变化规律可以看出太阳春分和秋分时垂直入射点在赤道平面上，而夏季太阳垂直照射北半球，于夏至日垂直照射北回归线，冬季太阳垂直照射南半球，于冬至日垂直照射南回归线，形成了地球上的四季更替

4.阵列间距的计算方法

影子倍率法

一般在水平垂直竖立的高为L的物体，其南北方向影子的长度，太阳高度角为，太阳方位角为，那么影子倍率R就可由下式表示：

R为影子倍率；L为阵列高度；为影子高度；为太阳高度角；为太阳方位角。故，和根据当地纬度计算得出，即可求出。

但实际工程中，应该还要考虑到清洗维护所需要的空间，因此实际间距应在计算出的的基础上加上一定的检修清洗裕量，以满足实际情况。