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槽式聚光镜组系统的抗风性能研究

邹琼  
【摘要】:太阳能热发电是目前国际上的热门研究课题,槽式太阳能发电是一种在国际上处于主流的、商业化基础良好的技术形式。由于太阳能热发电站多分布在空旷平整地区,故风荷载是其结构设计最重要的控制荷载。槽式聚光镜镜面结构形式为弧形,且高度较低,近地面风场比较复杂,其风压分布也较为复杂,国内对此类结构受到的风荷载及风致响应研究较少。目前,我国对槽式聚光镜结构抗风设计是按照国外已有的规范或技术标准进行,但由于地貌状况和气候条件不同,完全按照国外资料设计的聚光镜组通常不能满足强度和刚度要求。槽式聚光镜系统的结构设计需要满足在6级风作用下正常工作,在8级风作用下不受破坏的要求,并且在使用过程中需要保证经过反射的太阳光准确的投射到集热管上,否则会造成一定的能量损失,影响槽式聚光镜的发电功率。槽式聚光镜系统的这些问题都是目前我国太阳能热发电迫切需要解决的,而国内对此的相关研究较少。槽式聚光镜由于使用功能的要求,其镜面需要跟随太阳转动,在此过程中其体型、质量分布和刚度都有不同程度的变化。对于这种变体型、变刚度、变质量分布结构的动力特性及动力响应的研究,在国内外开展的还比较少,但有一定的理论与工程应用价值。本文通过风洞试验、理论分析、数值模拟及现场实测等技术手段对槽式聚光镜系统的抗风性能进行了分析研究,包括了槽式聚光镜的风压分布、脉动风压特性、动力特性分析、风致响应及等效风荷载等方面,主要成果如下:(1)通过对槽式聚光镜进行刚性模型测压试验,得到了槽式聚光镜在不同竖向仰角和水平风向角下镜面上平均风压分布和脉动风压分布特征,并分析了风压分布随竖向仰角和水平风向角的变化规律,并给出聚光镜最不利工况下平均风压系数等值线图;引用相关文献中对槽式聚光镜进行数值模拟的结果,将其结果与风洞试验结果进行对比,由此验证数值风洞模拟方法应用于槽式聚光镜风效应研究是可能的。此外还通过风洞试验分析了槽式聚光镜在干扰工况下的风压分布,并通过对风洞试验数据的处理给出了单镜工况和干扰工况下聚光镜阻力系数CFx、升力系数CFz随竖向仰角的变化规律,并与其他文献的试验结果进行了对比。(2)对槽式聚光镜模型进行了测力实验,获得了单镜工况和干扰工况下槽式聚光镜的六个风力(力矩)系数随竖向仰角和水平风向角的变化规律,并研究了聚光镜的相互干扰特性;提取出六个风力(力矩)系数的最大值及最大值出现的工况,为后续进行槽式聚光镜结构设计或者优化分析提供了计算依据。将测压试验与测力实验下的阻力系数CFx、升力系数CFz、基底倾覆力矩系数MyC进行了对比分析,由此可以互相验证了两种试验方法的准确性。(3)对槽式聚光镜的测点在不同工况下脉动风压功率谱的变化规律的分析,探讨了影响脉动风压的主要因素;在文章中给出了槽式聚光镜风压分布非高斯的判别标准,并采用概率密度分布直方图及风压时程曲线对非高斯测点进行进一步验证;采用全概率逼近法计算出极值风压系数,给出了典型工况下槽式聚光镜极值风压系数的等值线图。(4)采用ANSYS软件对槽式聚光镜结构进行了模态分析,获得了聚光镜的动力特性参数的计算结果;并且对位于某地的槽式聚光镜原型进行了现场实测,通过分析得到了槽式聚光镜动力特性参数的实测结果,并将两者的结果进行了对比分析,总体来说两者所得结果吻合度较好,说明槽式聚光镜有限元模型是合理适用的。(5)基于槽式聚光镜有限元模型对槽式聚光镜进行瞬态分析,获得了槽式聚光镜位移峰值响应,所得结论是聚光镜结构在离支撑结构较远的边缘部位位移峰值响应最大,进行聚光镜结构设计时应加强此处的支撑结构刚度。此外,为了方便结构设计人员的使用,给出了典型工况下槽式聚光镜结构代表测点的风振系数。(6)采用多阶模态力法对槽式聚光镜结构的风致响应了进行计算,并将所得结果与时域分析法得到的结果进行了对比,表明多阶模态力法有计算代价小,计算精度高等优点,故在设计应用中多阶模态力法更适合用来计算槽式聚光镜的风致响应和等效风荷载。最后给出了槽式聚光镜镜面等效风荷载的计算公式和槽式聚光镜整体受力的计算公式,重点是给出了最不利工况下的镜面上不同区域局部风载体型系数的取值及风振系数的建议取值,并在文章最后给出了槽式聚光镜在最不利工况下分区后的等效风荷载,可以为槽式聚光镜结构设计提供参考依据。


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