CN107300766B - 热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构，包括集热管、反射镜和聚焦垫厚结构，聚焦垫厚结构为通过机械方法与反射镜表面相连接的，所述聚焦垫厚结构设置于集热管朝向反射镜的一侧，本结构中的聚焦垫厚结构位于集热管朝向反射镜的一侧，处于集热聚集的区域，加强了集热管的管体结构，由于聚焦垫厚结构为通过机械方法与反射镜表面相连接的，该结构可拆卸的特性解决了集热区域损坏不易更换的问题，使整个反射集热结构可长期稳定运行和便于检修更换。

Description

热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构

技术领域

本发明属于熔盐发电装置领域，尤其涉及热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构。

背景技术

在光场设备的施工过程中，需要借助软件算法分析影响槽式集热器的光学和能量转化效率的各种因素，用以评估最优的光场设备和施工建造成本，为不同形式集热器或集热回路的可行性提供依据。软件算法的依据为蒙特卡洛法，即当所求解问题是某种随机事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特征，并将其作为问题的解。而蒙特卡洛光线追踪法，计算光线自入射到反射镜、反射镜反射后射到集热管的过程。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构，包括集热管、反射镜和聚焦垫厚结构，聚焦垫厚结构为通过机械方法与反射镜表面相连接的，所述聚焦垫厚结构设置于集热管朝向反射镜的一侧，所述聚焦垫厚结构两侧端点a和b位于集热管表面位置的确定方法如下所述：

步骤一、根据输入的时刻、经纬度、地基误差计算太阳位置，确定入射角；

步骤二、确定入射的N条光线的阳光锥角；

步骤三、确定入射光在反射镜上位置；

步骤四、联立入射光方程y＝kx+b和反射镜方程y＝(x+tp)^2/4p+c，求出入射点位置(x0,y0)，求导反射镜方程得到该位置的切线的斜率k0，k0+M为考虑反射镜制造误差后的斜率，1/(k0+M)为反射镜在该点的法线斜率，入射光与法线夹角等于反射光与法线夹角，以此计算出反射光斜率，由点线法，可求出反射光的几何方程y＝k’x+b’；

步骤五、联立反射光方程y＝k’x+b’和集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，求出的解为反射光入射到集热管上的位置点坐标；

步骤六、统计光线聚集程度，计算出集热管上的热流分布，将反射光打到集热管上的坐标(x,y)转换为极坐标(p，r)，极坐标原点为集热管中心，组成新矩阵(p,r,I’)，新矩阵与集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，相联立即可求出聚焦垫厚结构两侧端点a和b相对于集热管的位置。

所述聚焦垫厚结构的厚度为集热管半径的1/10-1/5。

所述集热管位于反射镜的集热中心。

一种求解反射镜扭矩管结构中聚焦垫厚结构位置的方法：按照下列步骤进行：

步骤一、根据输入的时刻、经纬度、地基误差计算太阳位置，确定入射角；

步骤二、确定入射的N条光线的阳光锥角；

步骤三、确定入射光在反射镜上位置；

步骤四、联立入射光方程y＝kx+b和反射镜方程y＝(x+tp)^2/4p+c。求出入射点位置(x0,y0)。求导反射镜方程得到该位置的切线的斜率k0，k0+M为考虑反射镜制造误差后的斜率，1/(k0+M)为反射镜在该点的法线斜率。入射光与法线夹角等于反射光与法线夹角，以此计算出反射光斜率。由点线法，可求出反射光的几何方程y＝k’x+b’；

步骤五、联立反射光方程y＝k’x+b’和集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，求出的解为反射光入射到集热管上的位置点坐标；

步骤六、统计光线聚集程度，计算出集热管上的热流分布。将反射光打到集热管上的坐标(x,y)转换为极坐标(p，r)，极坐标原点为集热管中心，组成新矩阵(p,r,I’)，新矩阵与集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，相联立即可求出聚焦垫厚结构两侧端点a和b相对于集热管的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本结构中的聚焦垫厚结构位于集热管朝向反射镜的一侧，处于集热聚集的区域，加强了集热管的管体结构，由于聚焦垫厚结构为通过机械方法与反射镜表面相连接的，该结构可拆卸的特性解决了集热区域损坏不易更换的问题，使整个反射集热结构可长期稳定运行和便于检修更换。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中入射光聚焦过程及入射点坐标求解说明示意图。

图3为热流密度分析方法(蒙特卡洛光线追踪法)流程步骤示意图。

图4为反射镜结构集热过程示意图。

其中，1为集热管，2为反射镜，3为聚焦垫厚结构，a、b为聚焦垫厚结构两侧端点与集热管连接点，极坐标(p,r)为入射光通过反射镜反射后到达集热管的入射点坐标。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图中所示，热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构，包括集热管、反射镜和聚焦垫厚结构，聚焦垫厚结构为通过机械方法与反射镜表面相连接的，所述聚焦垫厚结构设置于集热管朝向反射镜的一侧，所述聚焦垫厚结构两侧端点a和b位于集热管表面位置的确定方法如下所述：

步骤一、根据输入的时刻、经纬度、地基误差计算太阳位置，确定入射角；

步骤二、确定入射的N条光线的阳光锥角；

步骤三、确定入射光在反射镜上位置；

步骤四、联立入射光方程y＝kx+b和反射镜方程y＝(x+tp)^2/4p+c。求出入射点位置(x0,y0)。求导反射镜方程得到该位置的切线的斜率k0，k0+M为考虑反射镜制造误差后的斜率，1/(k0+M)为反射镜在该点的法线斜率。入射光与法线夹角等于反射光与法线夹角，以此计算出反射光斜率。由点线法，可求出反射光的几何方程y＝k’x+b’；

步骤五、联立反射光方程y＝k’x+b’和集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，求出的解为反射光入射到集热管上的位置点坐标；

步骤六、统计光线聚集程度，计算出集热管上的热流分布。将反射光打到集热管上的坐标(x,y)转换为极坐标(p，r)，极坐标原点为集热管中心，组成新矩阵(p,r,I’)，新矩阵与集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，相联立即可求出聚焦垫厚结构两侧端点a和b相对于集热管的位置。

所述聚焦垫厚结构的厚度为集热管半径的1/10-1/5。

所述集热管位于反射镜的集热中心。

一种求解反射镜扭矩管结构中聚焦垫厚结构位置的方法：按照下列步骤进行：

步骤一、根据输入的时刻、经纬度、地基误差计算太阳位置，确定入射角；

步骤二、确定入射的N条光线的阳光锥角；

步骤三、确定入射光在反射镜上位置；

步骤四、联立入射光方程y＝kx+b和反射镜方程y＝(x+tp)^2/4p+c。求出入射点位置(x0,y0)。求导反射镜方程得到该位置的切线的斜率k0，k0+M为考虑反射镜制造误差后的斜率，1/(k0+M)为反射镜在该点的法线斜率。入射光与法线夹角等于反射光与法线夹角，以此计算出反射光斜率。由点线法，可求出反射光的几何方程y＝k’x+b’；

步骤五、联立反射光方程y＝k’x+b’和集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，求出的解为反射光入射到集热管上的位置点坐标；

步骤六、统计光线聚集程度，计算出集热管上的热流分布。将反射光打到集热管上的坐标(x,y)转换为极坐标(p，r)，极坐标原点为集热管中心，组成新矩阵(p,r,I’)，新矩阵与集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，相联立即可求出聚焦垫厚结构两侧端点a和b相对于集热管的位置。

上述方法对于漏光光线的求解，不以几何方法排除漏光光线，而是直接求解反射光线和集热管曲线的联立方程，得到解后，再从解的特征出发排除漏光光线，这样更快速方便。本方法适用于任何曲线形式的反射镜，即能按照标准抛物线方程求解，也能计算变形后的反射镜，只需要输入非抛物线反射镜多个点的坐标即可。

实施例：

步骤一、根据输入的时刻、经纬度、地基误差计算太阳位置，确定入射角；同时计算出排遮阳系数、IAM、ANI、末端损失和跟踪角等。计算公式如下：单位为默认国际单位制。

n为计算日期在一年中的序号，即1至365。

E＝229.18(0.000075+0.001868cosB-0.032077sinB-0.014615cos2B-0.04089sin2B)，E为表达地球椭圆轨道导致全年白天时长不一致的函数。

标准时为北京时刻，太阳时指的是光场位置当时的太阳时。

w为当天计算时刻的时角。

δ为太阳中心与地球中心的连线与赤道平面间的夹角。

θ_z为太阳直射辐射与铅垂线的夹角，称作天顶角。/>为光场所在地的纬度。

θ为太阳直射辐射与集热器开口平面的法线的夹角，即入射角。

RowShadow为排遮阳系数，取值0-1。反映早晚相邻排集热器遮阳的效果。Lspacing为排间距，W为集热器开口宽度。

Endloss为末端损失系数，反映非直射情况下，阳光斜射导致集热器末端会有光线漏出。f为集热器焦距，Lsca为集热器长度。

IAM表示因为斜射导致集热管吸收率、玻璃透光率的降低。

步骤二、确定入射的N条光线的阳光锥角，平均分布。用MATLAB的rand命令一次性生成N个-0.26°至0.26°角度(0.26＝0.53/2)，存储在一个矩阵k中,同时按照锥角与能量关系计算出每个锥角的光线携带的能量矩阵I，用rand命令生成N个-e至e之间的随机数，e为跟踪误差，存为矩阵Ez。使k＝k+Ez+e’,e’为入射偏角，即某个原因造成的集热器与入射光固定偏角。则k为考虑跟踪误差后的入射光角度。输出k的统计分布图。

步骤三、确定入射光在反射镜上位置，x方向平均分布。用MATLAB的rand命令一次性生成N个x1-x2之间的x值，存于矩阵x中。反射镜坐标系原点为抛物线顶点，集热管坐标系原点为集热管中心，相当于反射镜坐标系上移一个焦距p。

步骤四、确定入射点反射镜制造误差，正态分布。用MATLAB的randn命令一次性生成N个均值0标准差为m的数存入矩阵M中。在矩阵k，x，M中，相同位置的数即表示的是同一条入射光的入射角、入射到反射镜上时的x坐标，以及该位置反射镜的光学误差。

步骤五、联立方程：入射光方程y＝kx+b和反射镜方程y＝(x+tp)^2/4p+c。可求出入射点位置(x0,y0)。求导反射镜方程得到该位置的切线的斜率k0，k0+M为考虑反射镜制造误差后的斜率，1/(k0+M)为反射镜在该点的法线斜率。入射光与法线夹角等于反射光与法线夹角，以此计算出反射光斜率。由点线法，可求出反射光的几何方程y＝k’x+b’。其中tp,4p,c为输入值，b由入射光斜率k和经过的抛物线上的点(x0,y0)用点线法求得。

当用非抛物线计算方式时，输入反射镜一组坐标(x,y)值，用MATLAB拟合功能得到拟合函数，求导得到切线斜率k0，之后步骤与抛物线计算相同。

步骤六、联立方程：反射光方程y＝k’x+b’和集热管方程(x+t1)^2/a^2+(y+t2)^2/b^2＝1，求出的解为反射光入射到集热管上的位置点坐标，解的数目为N个(x,y)值。因为某些光线因为斜率过大或过小会打不到集热管上，所以N个解中有部分解是没有意义的，即虚数解，排除虚数解就能排除漏光光线，同时排除I矩阵中相同位置的值得到I’。同时求出反射光入射到集热管上时的轴向和径向夹角。排除掉的光线输出到漏光统计图中，反射镜间隙间未能反射的光线输出到未反射光统计图中。

步骤七、统计光线携带能量，计算出集热管上热流分布。将反射光打到集热管上的坐标(x,y)转换为极坐标(p，r)，极坐标原点为集热管中心，组成新矩阵(p,r,I’)。以角度p对矩阵(p,r,I’)排序，每1°区间内I相加后得到热量Ia，Ia除以1°对应集热管面积得到热流密度P。集热效率即为Ia之和与入射能量I之和。

本结构中的聚焦垫厚结构位于集热管朝向反射镜的一侧，处于集热聚集的区域，加强了集热管的管体结构，由于聚焦垫厚结构为通过机械方法与反射镜表面相连接的，该结构可拆卸的特性解决了集热区域损坏不易更换的问题，使整个反射集热结构可长期稳定运行和便于检修更换。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构，其特征在于：包括集热管、反射镜和聚焦垫厚结构，聚焦垫厚结构为通过机械方法与反射镜表面相连接的，所述聚焦垫厚结构设置于集热管朝向反射镜的一侧，所述聚焦垫厚结构两侧端点a和b位于集热管表面位置的确定方法如下所述：

步骤一、根据输入的时刻、经纬度、地基误差计算太阳位置，确定入射角；

步骤二、确定入射的N条光线的阳光锥角；

步骤三、确定入射光在反射镜上位置；

步骤四、联立入射光方程y＝kx+b和反射镜方程y＝(x+tp)∧2/4p+c，求出入射点位置(x0,y0)，求导反射镜方程得到该位置的切线的斜率k0，k0+M为考虑反射镜制造误差后的斜率，1/(k0+M)为反射镜在该点的法线斜率，入射光与法线夹角等于反射光与法线夹角，以此计算出反射光斜率，由点线法，可求出反射光的几何方程y＝k’x+b’；

步骤五、联立反射光方程y＝k’x+b’和集热管方程(x+t1)∧2/a∧2+(y+t2)∧2/b∧2＝1，求出的解为反射光入射到集热管上的位置点坐标；式中，a代表聚焦垫厚结构一侧端点，b代表聚焦垫厚结构另一侧端点；

步骤六、统计光线聚集程度，计算出集热管上的热流分布，将反射光打到集热管上的坐标(x,y)转换为极坐标(p，r)，极坐标原点为集热管中心，组成新矩阵(p,r,I’)，新矩阵与集热管方程(x+t1)∧2/a∧2+(y+t2)∧2/b∧2＝1，相联立即可求出聚焦垫厚结构两侧端点a和b相对于集热管的位置。

2.根据权利要求1所述的热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构，其特征在于：所述聚焦垫厚结构的厚度为集热管半径的1/10-1/5。

3.根据权利要求1所述的热流密度分析方法最优解下的反射镜扭矩管结构，其特征在于：所述集热管位于反射镜的集热中心。

4.一种反射镜扭矩管结构中聚焦垫厚结构位置的求解方法：按照下列步骤进行：

步骤一、根据输入的时刻、经纬度、地基误差计算太阳位置，确定入射角；

步骤二、确定入射的N条光线的阳光锥角；

步骤三、确定入射光在反射镜上位置；

步骤四、联立入射光方程y＝kx+b和反射镜方程y＝(x+tp)∧2/4p+c，求出入射点位置(x0,y0)，求导反射镜方程得到该位置的切线的斜率k0，k0+M为考虑反射镜制造误差后的斜率，1/(k0+M)为反射镜在该点的法线斜率，入射光与法线夹角等于反射光与法线夹角，以此计算出反射光斜率，由点线法，可求出反射光的几何方程y＝k’x+b’；

步骤五、联立反射光方程y＝k’x+b’和集热管方程(x+t1)∧2/a∧2+(y+t2)∧2/b∧2＝1，求出的解为反射光入射到集热管上的位置点坐标；

步骤六、统计光线聚集程度，计算出集热管上的热流分布，将反射光打到集热管上的坐标(x,y)转换为极坐标(p，r)，极坐标原点为集热管中心，组成新矩阵(p,r,I’)，新矩阵与集热管方程(x+t1)∧2/a∧2+(y+t2)∧2/b∧2＝1，相联立即可求出聚焦垫厚结构两侧端点a和b相对于集热管的位置。