塔式太陽能定日鏡結(jié)構(gòu)風荷載特性及風致響應研究.pdf

1、定日鏡是一種在鋼結(jié)構(gòu)支撐下,可以實時進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,定日鏡抗風問題就一直是設計中的難題,一般定日鏡設計要滿足在6級風作用下正常工作,在8級風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)反射后能始終準確地投向目標點,定日鏡與目標點的位置較遠,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。在強風作用下,定目鏡還容易受到破壞,歷史上已經(jīng)多次發(fā)生定日鏡受到風荷載破壞的實例,我國已建成的定日鏡也曾多次發(fā)生過風致傾覆和結(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)生的風力作用較大,所以對于定日鏡表面風荷載及其風致響應的研究非常必要。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)境的抗風標準與設計方法,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速下正常工作,以及在大風情況下保證設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、風洞試驗、數(shù)值模擬等技術(shù),針對定日鏡結(jié)構(gòu)進行表面風壓分布、脈動特性、統(tǒng)計特性、流場面貌、風致響應、等效風荷載等方面的精細化研究,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、風向角各不相同的特點,進行多工況風洞試驗,得到了定日

4、鏡結(jié)構(gòu)在0°～90°仰角、0°～180°風向角范圍內(nèi),共130種工況下的風壓分布狀況;總結(jié)了其風壓分布隨風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)、及風力坐標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;編制相應的UDF程序,模擬出與風洞試驗一致的風場入口條件;選取標準λ-ε湍流模型進行計算,模擬得到的定日鏡表面風

5、壓分布與風洞結(jié)果一致。另外彌補了風洞試驗中不易獲取流場分布的缺陷,更深層次地解釋了定日鏡風壓分布的成因,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。針對不同工況、不同距離、不同布置形式進行模擬,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壓的影響。
　　 (3)對定日鏡表面風壓的脈動特性進行了深入研究,通過對比分析測點風壓功率譜來解釋其脈動特性。利用偏度、峰度等指標評價了各工況風壓的

6、統(tǒng)計特性,給出了不同峰值因子下的正態(tài)保證率,并對其進行了擬合優(yōu)度檢驗,對風壓的高斯特性進行判別。針對定目鏡的局部非高斯特性,使用目標概率法確定其表面風壓的計算峰值因子。修正了脈動風壓系數(shù)估算公式,利用CFD模擬得到的鏡面平均風壓系數(shù)及鏡面參考點風速、湍流動能等參數(shù)估算了鏡面脈動風壓系數(shù),與風洞試驗得到的結(jié)果進行對比。
　　 (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)計學中“網(wǎng)格化”思想,對具有“準靜態(tài)”特征的空間本

7、征向量進行處理。引入Kriging插值方法,編制與Surfer軟件接口的Matlab程序,利用Surfer軟件強大的空間插值功能,對結(jié)構(gòu)表面各階本征向量進行空間插值。該方法具有較強的通用性,可廣泛應用于風洞試驗和現(xiàn)場實測中,并有進一步拓展的前景。
　　 (5)進行了定日鏡結(jié)構(gòu)風振響應的時域與頻域分析。實現(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)等動力特性對其風振響應進行預判。通過有限元計算

8、模型,進行動力時程分析,計算動態(tài)響應,得到不同工況下定日鏡的風振系數(shù)。結(jié)合POD技術(shù)與CQC法,根據(jù)隨機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)就能夠代表真實過程這一特點,在響應計算中使用占用多數(shù)能量的前若干階時間主坐標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振響應結(jié)果,發(fā)現(xiàn)定日鏡風振共振響應以整體運動的前幾階模態(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