塔式太陽(yáng)能定日鏡結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性及風(fēng)致響應(yīng)研究.pdf

1、定日鏡是一種在鋼結(jié)構(gòu)支撐下,可以實(shí)時(shí)進(jìn)行方位角和仰角的調(diào)整,跟蹤太陽(yáng)的反射鏡系統(tǒng)。定日鏡群是塔式太陽(yáng)熱能發(fā)電站的主要設(shè)備,也是電站的主要投資部分,其造價(jià)約占整個(gè)發(fā)電站總造價(jià)的一半以上。從塔式太陽(yáng)能電站建立開始,定日鏡抗風(fēng)問(wèn)題就一直是設(shè)計(jì)中的難題,一般定日鏡設(shè)計(jì)要滿足在6級(jí)風(fēng)作用下正常工作,在8級(jí)風(fēng)作用下不受破壞的要求。在使用過(guò)程中必須保證入射到平面鏡上的太陽(yáng)光經(jīng)反射后能始終準(zhǔn)確地投向目標(biāo)點(diǎn),定日鏡與目標(biāo)點(diǎn)的位置較遠(yuǎn),繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸的微小偏移就

2、能帶來(lái)巨大的誤差,影響到聚光效果。在強(qiáng)風(fēng)作用下,定目鏡還容易受到破壞,歷史上已經(jīng)多次發(fā)生定日鏡受到風(fēng)荷載破壞的實(shí)例,我國(guó)已建成的定日鏡也曾多次發(fā)生過(guò)風(fēng)致傾覆和結(jié)構(gòu)破壞事故。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)往往都位于空曠平整的場(chǎng)地,大氣流動(dòng)對(duì)于鏡身所產(chǎn)生的風(fēng)力作用較大,所以對(duì)于定日鏡表面風(fēng)荷載及其風(fēng)致響應(yīng)的研究非常必要。太陽(yáng)熱能發(fā)電技術(shù)發(fā)展得比較成熟的國(guó)家,如美國(guó)、西班牙等都形成了符合其氣候、地貌環(huán)境的抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)方法,但對(duì)于太陽(yáng)能技術(shù)起步較晚的國(guó)家來(lái)說(shuō)

3、,如何解決反射裝置在一定風(fēng)速下正常工作,以及在大風(fēng)情況下保證設(shè)備安全還是個(gè)亟需解決的問(wèn)題,目前相關(guān)的研究比較少。
　　 本文通過(guò)理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等技術(shù),針對(duì)定日鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面風(fēng)壓分布、脈動(dòng)特性、統(tǒng)計(jì)特性、流場(chǎng)面貌、風(fēng)致響應(yīng)、等效風(fēng)荷載等方面的精細(xì)化研究,同時(shí)提出了具有通用性的新插值方法。主要研究成果有:
　　 (1)根據(jù)定日鏡群輻射狀布置,不同位置單體仰角、風(fēng)向角各不相同的特點(diǎn),進(jìn)行多工況風(fēng)洞試驗(yàn),得到了定日

4、鏡結(jié)構(gòu)在0°～90°仰角、0°～180°風(fēng)向角范圍內(nèi),共130種工況下的風(fēng)壓分布狀況;總結(jié)了其風(fēng)壓分布隨風(fēng)向角及仰角的變化規(guī)律;計(jì)算出各工況下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、及風(fēng)力坐標(biāo)下三個(gè)方向的力矩系數(shù);找出最不利工況,指明各工況局部風(fēng)壓極值及其所處位置。
　　 (2)使用數(shù)值模擬技術(shù),建立了典型工況下的單個(gè)定日鏡CFD模型;編制相應(yīng)的UDF程序,模擬出與風(fēng)洞試驗(yàn)一致的風(fēng)場(chǎng)入口條件;選取標(biāo)準(zhǔn)λ-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算,模擬得到的定日鏡表面風(fēng)

5、壓分布與風(fēng)洞結(jié)果一致。另外彌補(bǔ)了風(fēng)洞試驗(yàn)中不易獲取流場(chǎng)分布的缺陷,更深層次地解釋了定日鏡風(fēng)壓分布的成因,找出其影響因素和變化規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)研究定日鏡群流場(chǎng)的干擾效應(yīng)。針對(duì)不同工況、不同距離、不同布置形式進(jìn)行模擬,計(jì)算相關(guān)干擾因子,結(jié)合流場(chǎng)分布狀況,深入分析各因素對(duì)定日鏡表面風(fēng)壓的影響。
　　 (3)對(duì)定日鏡表面風(fēng)壓的脈動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究,通過(guò)對(duì)比分析測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓功率譜來(lái)解釋其脈動(dòng)特性。利用偏度、峰度等指標(biāo)評(píng)價(jià)了各工況風(fēng)壓的

6、統(tǒng)計(jì)特性,給出了不同峰值因子下的正態(tài)保證率,并對(duì)其進(jìn)行了擬合優(yōu)度檢驗(yàn),對(duì)風(fēng)壓的高斯特性進(jìn)行判別。針對(duì)定目鏡的局部非高斯特性,使用目標(biāo)概率法確定其表面風(fēng)壓的計(jì)算峰值因子。修正了脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)估算公式,利用CFD模擬得到的鏡面平均風(fēng)壓系數(shù)及鏡面參考點(diǎn)風(fēng)速、湍流動(dòng)能等參數(shù)估算了鏡面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù),與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
　　 (4)提出新的插值方法,該方法基于POD技術(shù)并借鑒地理統(tǒng)計(jì)學(xué)中“網(wǎng)格化”思想,對(duì)具有“準(zhǔn)靜態(tài)”特征的空間本

7、征向量進(jìn)行處理。引入Kriging插值方法,編制與Surfer軟件接口的Matlab程序,利用Surfer軟件強(qiáng)大的空間插值功能,對(duì)結(jié)構(gòu)表面各階本征向量進(jìn)行空間插值。該方法具有較強(qiáng)的通用性,可廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中,并有進(jìn)一步拓展的前景。
　　 (5)進(jìn)行了定日鏡結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)域與頻域分析。實(shí)現(xiàn)定日鏡多工況下的參數(shù)化建模,利用定日鏡結(jié)構(gòu)頻率、振型、振型參與系數(shù)、質(zhì)量參與系數(shù)等動(dòng)力特性對(duì)其風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行預(yù)判。通過(guò)有限元計(jì)算

8、模型,進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析,計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng),得到不同工況下定日鏡的風(fēng)振系數(shù)。結(jié)合POD技術(shù)與CQC法,根據(jù)隨機(jī)荷載的大部分能量集中在少數(shù)模態(tài)中,只取少數(shù)幾階模態(tài)就能夠代表真實(shí)過(guò)程這一特點(diǎn),在響應(yīng)計(jì)算中使用占用多數(shù)能量的前若干階時(shí)間主坐標(biāo)與本征向量的組合代替原有時(shí)程數(shù)據(jù),提高計(jì)算效率。研究時(shí)域、頻域法計(jì)算得到的風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)定日鏡風(fēng)振共振響應(yīng)以整體運(yùn)動(dòng)的前幾階模態(tài)為主,且具有良好的分離性的特征,由此論證了慣性力——LRC法對(duì)該種結(jié)構(gòu)的適用性