可展開太陽能聚焦系統(tǒng)的研究.pdf

1、可折疊/展開結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、收攏體積小、發(fā)射成本低等優(yōu)勢，這為構(gòu)建大聚焦比、大口徑的空間太陽能聚焦器提供了一條有效的解決途徑，因此，開展高效可展開太陽能聚焦器系統(tǒng)的研究對于推動空間太陽能高溫利用的發(fā)展有著重要的意義。本文對可展開太陽能聚焦器系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和性能分析，提出了大口徑、大收納比、可高效折疊/展開的空間可展開太陽能聚焦器系統(tǒng)的設(shè)計方案，探索了性能提高的策略，完成了可展開聚焦器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和分析。
　　本文

2、首先基于懸臂梁假設(shè)，利用ANSYS軟件對充氣支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)分析。結(jié)果表明:低階頻率（前3階頻率）幾乎不受內(nèi)壓的影響;內(nèi)壓對于高階頻率（后7階）的影響較大;內(nèi)壓在影響結(jié)構(gòu)固有頻率的同時也改變了結(jié)構(gòu)的振型。
　　利用有限元方法對充氣展開的非線性動力力學(xué)控制方程進(jìn)行了離散求解，以一個開口面積為20m2、焦距為8m的充氣結(jié)構(gòu)模型為研究對象，對其一次、三次折疊未充氣狀態(tài)的支撐桿及反射部件的展開過程進(jìn)行了動態(tài)仿真計算。對比支撐桿一次

3、折疊和三次折疊展開過程中內(nèi)壓隨時間的變化可以得出支撐桿內(nèi)壓變化與其折疊次數(shù)無關(guān)。充氣展開過程中，在充氣薄膜材料上有褶皺的出現(xiàn)，這將影響展開后反射部件的聚焦性能。
　　根據(jù)蒙特卡洛光線跟蹤法及光線的鏡面反射定律，分析了充氣式可展開太陽能聚焦器的聚焦性能，并通過調(diào)整充入氣體參數(shù)、聚焦器的結(jié)構(gòu)壁厚和結(jié)構(gòu)形式等對其展開過程及聚焦性能進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明:單一壁厚薄膜反射面結(jié)構(gòu)展開后的聚焦效率約為50％;通過調(diào)整薄膜壁厚沿徑向的變化，可以有效

4、改善充氣反射面展開聚焦性能，聚焦效率最大可達(dá)60％;成型反射面結(jié)合充氣式或機(jī)械式支撐桿的新型聚焦器的展開聚焦效率可以達(dá)到理想設(shè)計值。
　　為了克服充氣式展開聚焦器在充氣過程中存在的褶皺問題，整個聚焦結(jié)構(gòu)采用由充氣薄膜材料預(yù)制成型的多組小尺寸的聚光鏡片疊裝，在空間展開為大面積的聚焦器。采用Pro/E軟件進(jìn)行參數(shù)化三維建模、裝配，對新型聚焦器的展開鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計，并對可伸展支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗壓性能、抗彎性能和振動特性進(jìn)行研究。在支撐桿頂端受

5、30N軸向和徑向力時，可展開支撐桿結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗壓和抗彎性能，支撐結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)非常高;第5階振型對應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移最大，約為0.1m。
　　對預(yù)制成型的折疊聚焦器在空間展開的預(yù)期過程進(jìn)行了運(yùn)動仿真，獲得了展開軌跡曲線及位置曲線等相關(guān)數(shù)據(jù)，并對存在各種誤差時展開結(jié)構(gòu)的聚焦性能進(jìn)行了分析。研究表明:組裝鏡片能夠按照預(yù)期實現(xiàn)由收納狀態(tài)到工作狀態(tài)的展開過程，并最終達(dá)到了預(yù)期的展開鎖定效果;支撐桿長度伸縮誤差對焦點(diǎn)精度的影響比支撐桿孔徑間隙

6、誤差的影響要大;存在軸間隙誤差時，焦點(diǎn)坐標(biāo)位置x和y誤差均在半徑為3mm的圓內(nèi)變化，焦點(diǎn)位置誤差不具有規(guī)律性;隨著指向誤差、焦面位置誤差及鏡面加工誤差的增大，聚焦器焦面光斑半徑增大，并且由圓形光斑逐漸演變?yōu)闄E圓形，能流峰值降低，整個焦面接收的總能量保持守恒。鏡面誤差對焦面能流和光斑形狀的影響最大，應(yīng)合理設(shè)置接收面的大小和位置。
　　利用FLUENT軟件對吸熱器內(nèi)的流動換熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對吸熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使每根吸熱管內(nèi)工