塔式太陽能定日鏡抗風(fēng)性能及輕量化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、定日鏡作為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的重要聚光設(shè)備，其不僅數(shù)量眾多、占地面積巨大，而且是塔式太陽能熱發(fā)電站的主要投資部分，其建造費(fèi)用約占發(fā)電系統(tǒng)總造價(jià)的一半以上。定日鏡的主要作用是跟蹤太陽運(yùn)動并將接收的太陽光反射到遠(yuǎn)處吸收塔頂部的集熱器上。由于太陽能熱發(fā)電站通常位于平坦開闊的場地，大氣流動所形成的風(fēng)荷載將直接作用在定日鏡上使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓曲變形，從而導(dǎo)致反射到吸收塔上的光斑散焦，影響整個發(fā)電系統(tǒng)的聚光效率和發(fā)電功率，嚴(yán)重時甚至?xí)鸲ㄈ甄R發(fā)生風(fēng)

2、致傾覆和倒塌破壞，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展定日鏡抗風(fēng)性能和輕量化設(shè)計(jì)研究，對于提高定日鏡的安全性和耐久性以及減小電站投資具有十分重要的意義。
　　本課題在國家自然科學(xué)基金《定日鏡齒輪系統(tǒng)精密傳動特性及傳動精度控制》（51075407）和重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目《復(fù)雜荷載作用下塔式太陽能定日鏡聚光效率研究》（CYB14010）的資助下，圍繞定日鏡的風(fēng)流場特性、風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)和輕量化設(shè)計(jì)等問題展開研究工作，主要內(nèi)容包括以下幾個

3、方面：
　?。?）基于計(jì)算流體動力學(xué)方法，建立定日鏡數(shù)值風(fēng)洞模型，并對100種位置狀態(tài)下定日鏡結(jié)構(gòu)的風(fēng)流場特性進(jìn)行分析，從而得到反射鏡面上平均風(fēng)壓分布隨俯仰角和方位角的變化規(guī)律，并對其產(chǎn)生原因進(jìn)行相應(yīng)的解釋；通過對定日鏡在各位置狀態(tài)下的阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)向力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、方位力矩系數(shù)以及合力系數(shù)和合力矩系數(shù)的對比分析，得到各系數(shù)最大值時定日鏡所對應(yīng)的空間位置狀態(tài)。根據(jù)脈動風(fēng)速（風(fēng)壓）功率譜和 AR模型，利用

4、Matlab程序得到不同高度處具有空間相關(guān)性的脈動風(fēng)速（風(fēng)壓）時程樣本以及相應(yīng)的功率譜密度函數(shù)曲線，并對數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。
　　（2）基于彈性薄板彎曲理論，分別采用鏡面撓曲變形的大、小撓度彎曲模型對不同邊界條件下反射鏡鏡面的力學(xué)模型進(jìn)行研究，并通過有限元仿真驗(yàn)證理論模型的正確性，同時對影響鏡面撓厚比的鏡面風(fēng)壓和長厚比進(jìn)行分析。
　　（3）針對傳統(tǒng)優(yōu)化方法在定日鏡輕量化設(shè)計(jì)過程中表現(xiàn)出的靈敏度依賴性和計(jì)算低

5、效性等缺陷，提出將響應(yīng)面模型與序列二次規(guī)劃算法相結(jié)合的方法。該方法在保證定日鏡強(qiáng)度、剛度和動態(tài)性能等要求的基礎(chǔ)上，對風(fēng)場作用下產(chǎn)生非線性響應(yīng)的定日鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。首先利用數(shù)值風(fēng)洞模型和Davenport功率譜分別得到作用在反射鏡面上的靜態(tài)風(fēng)荷載和脈動風(fēng)頻率，通過拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到充滿整個設(shè)計(jì)空間的試驗(yàn)樣本點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值仿真分析，再建立各響應(yīng)值關(guān)于15個設(shè)計(jì)變量的二階響應(yīng)面模型，并采用序列二次規(guī)劃算法進(jìn)行定日鏡輕量化設(shè)

6、計(jì)。
　?。?）針對定日鏡抗風(fēng)設(shè)計(jì)過程中僅考慮縱向風(fēng)而忽略豎向風(fēng)和橫向風(fēng)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的問題，提出利用不同方向上的脈動風(fēng)壓功率譜和AR模型進(jìn)行三維脈動風(fēng)場的時程模擬，并將平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載共同作用在建立的定日鏡有限元模型上，通過對5種典型位置狀態(tài)下定日鏡的動力特性和風(fēng)致動態(tài)響應(yīng)分析，得到風(fēng)場各分量荷載對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。
　?。?）利用數(shù)值風(fēng)洞模型對不同避險(xiǎn)停放位置處定日鏡的風(fēng)荷載系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，并在特征值屈曲分析的基礎(chǔ)上確