槽式太陽能集熱器立柱安裝精度的研究

黃 鳴，張修田，劉海波，趙吉芳

(皇明太陽能股份有限公司，德州 253000)

0 引言

從全球范圍來看，太陽能熱發電項目穩步增長，尤其是商業化太陽能熱發電項目正逐步增多[1]。太陽能熱發電是將太陽能轉化為熱能，然后利用熱功轉化過程發電的技術。隨著運行經驗的積累，太陽能熱發電系統的成本和投資風險都在逐步降低。

槽式太陽能熱發電是目前太陽能熱發電的主要形式之一，其主要是利用槽式聚光鏡將太陽光聚在一條線上，然后利用在這條線上安裝的一個管狀集熱器來吸收太陽能，并對傳熱工質進行加熱，再借助蒸汽的動力循環來發電[2]。在槽式太陽能熱發電站的建設中，集熱器支撐裝置的安裝屬于槽式太陽能集熱器安裝過程中的重要步驟之一，而立柱的安裝是支撐裝置安裝的關鍵工作，決定了槽式太陽能熱發電系統的精度與穩定性。本文以山東德州某槽式太陽能熱發電項目為例，分析了集熱器立柱安裝工程中出現的誤差問題，并研究了立柱安裝精度的控制要點。

1 槽式太陽能集熱器支撐裝置的構成及立柱的安裝工藝流程

1.1 槽式太陽能集熱器支撐裝置的構成

槽式太陽能熱發電系統由多列槽式太陽能集熱器組成，圖1為皇明太陽能股份有限公司位于山東省德州市的某槽式太陽能熱發電項目的槽式太陽能集熱器陣列。

圖1 槽式太陽能集熱器陣列Fig. 1 Trough solar collector array

槽式太陽能集熱器的支撐裝置主要包括立柱、真空管支撐、支撐臂、軸承座等；其中，立柱包括支撐立柱和驅動立柱。具體如圖2所示[3]。

圖2 槽式集熱器的支撐裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of supporting device of trough solar collector

1.2 槽式太陽集熱器立柱的安裝工藝流程

槽式太陽能集熱器立柱在初步安裝時的順序為：驅動立柱定位固定→支撐立柱安裝→測量距離確定支撐立柱的位置、定位→支撐立柱固定。

立柱的安裝是支撐裝置安裝的基礎，其安裝精度直接決定了槽式太陽能集熱器的安裝精度。因此，合理分配各安裝步驟的誤差，編制合理的施工文件，嚴格控制安裝過程，是保證最終安裝質量的基礎。

綜合分析槽式太陽能集熱器立柱安裝過程中的關鍵部件及安裝工藝，可提高安裝質量控制能力。上述項目中包括4列槽式太陽能集熱器，每列槽式太陽能集熱器的立柱間的距離控制均如圖3所示。其中，2根相鄰立柱的上端距離為L上、下端距離為L下，M1～M6為2根相鄰立柱的相對位置。

圖3 立柱間的距離控制圖Fig. 3 Distance control chart between columns

在槽式太陽能集熱器陣列中，立柱間的位置關系如圖4所示，其中，柱0為驅動立柱，柱1～柱6為支撐立柱。

根據安裝精度的要求，并結合零部件的結構特點，對立柱安裝時的工藝進行重新設計。新的安裝工藝流程為：驅動立柱定位、安裝→支撐立柱安裝→支撐立柱間距調整→支撐立柱標高調整→支撐立柱間距復測調整→支撐立柱標高復測調整→驗收交接。

2 控制要素分析

1)為保證立柱的安裝精度，在施工前，需要根據零部件的技術特點并結合安裝工藝流程，編制立柱安裝專項方案。該方案應該對施工中的人員、機器、原料、方法、環境，即“人、機、料、法、環”5個要素進行界定，明確各要素的要求。該方案編制完成后，按照監理流程進行審批。

2)測量精度是立柱安裝精度控制的關鍵因素，為避免測量誤差影響安裝精度，應采用多人測試、復測相結合的方法進行測量控制。

3)立柱間距的精度高低決定了槽式聚光器能否準確無誤地安裝，以及安裝后在溫度變化條件下其能否正常工作。

4)立柱安裝過程中，通過測量立柱上、下端間的距離來控制垂直度。垂直度精度是影響立柱及減速機受力狀態，以及集熱器的跟蹤精度及抗風荷載能力的關鍵因素。

5)安裝過程中，需先將驅動立柱調整、固定在理想位置，然后以其為基準安裝支撐立柱，整列集熱器的其他6根支撐立柱的理論中心線的位置偏差需為±3 mm。

6)分別使用水平儀、經緯儀測量立柱標高和各立柱中心面共面精度，并進行調整。

7)在立柱頂端平面上設置標桿，標桿橫置，標桿零刻度線與立柱中心面對齊，以驅動立柱中心面為基準，使用水平儀、經緯儀測量其他立柱中心面偏差，然后根據測量值進行調整，直至符合要求。

8)立柱間距及立柱垂直度通過測量、調整立柱上、下端距離來綜合控制，即要求立柱之間上端與上端、下端與下端之間的間距符合要求，且立柱的上端或下端距離與理論值L理論的差值符合要求。

3 工程案例分析

對上文中的某槽式太陽能熱發電項目(其立柱布置方式見圖3、圖4)的立柱安裝過程中產生誤差的原因進行分析。該項目的太陽能集熱器共為4列(A列～D列)，每列太陽能集熱器的立柱由6根支撐立柱和1根驅動立柱組成。相關部門已按既定安裝工藝完成了立柱的安裝。

根據圖3所示的立柱間的距離，立柱間距離的測量數據如表1所示。圖5為4列集熱器中每2根相鄰立柱的上端距離L上與其下端距離L下的差值，即位置偏差ΔL的曲線圖。

圖5 集熱器立柱間的位置偏差分布Fig. 5 Distribution of position deviation between collector columns

由于立柱間距的位置偏差須為±3 mm，由圖5可知，4列集熱器中，A列和B列集熱器的立柱上端距離與下端距離之間的差值絕大部分都超過了3 mm，所以立柱的安裝不滿足設計要求。

這可能是因為在立柱的安裝過程中采用的是水平儀控制立柱的垂直度，由于測量儀器的精度較低，再加上測量時的誤差、測量人員不同等原因，導致垂直度超過了允許的偏差值。

通過上述原因分析，對原有立柱施工方案進行修訂。修訂后的方案為：驅動立柱安裝(位置度、垂直度、高度達到要求后固定)→支撐立柱安裝→支撐立柱間距復測調試→支撐立柱的直線度、高度復測調試→支撐立柱的垂直度復測調試。

在立柱的安裝調試過程中，立柱的間距、高度、垂直度最為重要。安裝過程中，測試人員應盡量固定，測試方法采取正向測試后再逆向復測，避免因操作失誤而影響安裝精度。重新安裝調試后對集熱器立柱間的距離再次進行測量，數據如表2所示，2根相鄰立柱間的位置偏差曲線如圖6所示。

表2 修訂后的集熱器立柱間的距離統計表Table 2 Revised statistics table of distance between collector columns

由圖6可以看出，施工方案調整后，立柱的位置偏差全部控制在允許的偏差范圍內，達到了立柱的安裝要求，從而可保證槽式太陽能集熱器的安裝精度。

圖6 修訂后的集熱器立柱位置偏差分布Fig. 6 Revised position deviation distribution between collector columns

4 結論

本文分析了槽式太陽能集熱器立柱的位置偏差特點及安裝工藝路線，并結合實際的立柱安裝案例，對立柱在安裝過程中的精度控制進行了詳細闡述。在立柱安裝過程中，應對施工方案進行嚴格論證，在施工過程中做好過程管理，特別是數據的記錄與檢測復驗工作，以便在施工過程中及時進行糾偏分析，達到立柱安裝的精度要求，從而實現立柱的高精度安裝。該做法是在實際工程施工中總結得到的，在后續的立柱安裝過程中，經過實踐驗證了該方法是可行、有效的。

本文的研究旨在提供一種科學合理的槽式太陽能集熱器立柱的安裝調試方法，以便解決長期困擾槽式太陽能熱發電站的集熱器陣列建設時的技術瓶頸，提高施工效率和安裝質量。

目前，中國槽式太陽能熱發電處于研究與實踐相結合的階段，科研機構、企業相關人員都在消化國外技術、探索適合中國國情的技術路線，本文的研究方法可為相關研究人員、研究機構提供有益的指導，為槽式太陽能集熱器立柱的安裝調試提供有益的幫助，為現階段槽式太陽能集熱器的安裝施工提供有力的技術支持；同時，也希望為采用類似結構的其他項目提供可靠的技術支持，并且該方法在大規模槽式太陽能集熱器陣列的建設、施工中的作用更為顯著。