塔式太陽能定日鏡結(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)時進(jìn)行方位角和仰角的調(diào)整,跟蹤太陽的反射鏡系統(tǒng)。定日鏡群是塔式太陽熱能發(fā)電站的主要設(shè)備,也是電站的主要投資部分,其造價約占整個發(fā)電站總造價的一半以上。從塔式太陽能電站建立開始,定日鏡抗風(fēng)問題就一直是設(shè)計中的難題,一般定日鏡設(shè)計要滿足在6級風(fēng)作用下正常工作,在8級風(fēng)作用下不受破壞的要求。在使用過程中必須保證入射到平面鏡上的太陽光經(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)動軸的微小偏移就

2、能帶來巨大的誤差,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,我國已建成的定日鏡也曾多次發(fā)生過風(fēng)致傾覆和結(jié)構(gòu)破壞事故。太陽能發(fā)電系統(tǒng)往往都位于空曠平整的場地,大氣流動對于鏡身所產(chǎn)生的風(fēng)力作用較大,所以對于定日鏡表面風(fēng)荷載及其風(fēng)致響應(yīng)的研究非常必要。太陽熱能發(fā)電技術(shù)發(fā)展得比較成熟的國家,如美國、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)計方法,但對于太陽能技術(shù)起步較晚的國家來說

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)備安全還是個亟需解決的問題,目前相關(guān)的研究比較少。
　　 本文通過理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等技術(shù),針對定日鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面風(fēng)壓分布、脈動特性、統(tǒng)計特性、流場面貌、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)場入口條件;選取標(biāo)準(zhǔn)λ-ε湍流模型進(jìn)行計算,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。通過數(shù)值模擬技術(shù)研究定日鏡群流場的干擾效應(yīng)。針對不同工況、不同距離、不同布置形式進(jìn)行模擬,計算相關(guān)干擾因子,結(jié)合流場分布狀況,深入分析各因素對定日鏡表面風(fēng)壓的影響。
　　 (3)對定日鏡表面風(fēng)壓的脈動特性進(jìn)行了深入研究,通過對比分析測點(diǎn)風(fēng)壓功率譜來解釋其脈動特性。利用偏度、峰度等指標(biāo)評價了各工況風(fēng)壓的

6、統(tǒng)計特性,給出了不同峰值因子下的正態(tài)保證率,并對其進(jìn)行了擬合優(yōu)度檢驗(yàn),對風(fēng)壓的高斯特性進(jìn)行判別。針對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)壓的計算峰值因子。修正了脈動風(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、湍流動能等參數(shù)估算了鏡面脈動風(fēng)壓系數(shù),與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對比。
　　 (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)計學(xué)中“網(wǎng)格化”思想,對具有“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)場實(shí)測中,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)等動力特性對其風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行預(yù)判。通過有限元計算

8、模型,進(jìn)行動力時程分析,計算動態(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)過程這一特點(diǎn),在響應(yīng)計算中使用占用多數(shù)能量的前若干階時間主坐標(biāo)與本征向量的組合代替原有時程數(shù)據(jù),提高計算效率。研究時域、頻域法計算得到的風(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法對該種結(jié)構(gòu)的適用性