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大型碟式太阳能聚光器风效应的数值计算研究

余明果  
【摘要】:抛物面碟式聚光系统是一种钢架结构支撑下基于两轴太阳光线追踪的聚焦热电转换系统,运行过程中随着太阳光线角度变化而实时进行方位角和俯仰角的调整。碟式聚光器的抗风性能研究一直是其设计中最为关键的问题之一。聚光器在追踪太阳光线过程中必须保证入射的太阳光线经抛物面反射后能始终准确地投向空间位置的焦斑,反射面整体非常小的相对转动轴的位移或者镜面微小的变形就能导致投向焦斑的光线产生显著的偏差而影响热效率。由于碟式发电技术热机的特殊性,增加单个聚光器反射面积能有效的降低平均电力成本,聚光器的面积增加使其对大气边界层中风效应更加敏感。另一方面太阳能热发电系统通常建设在空旷平整的场地,近地面大气湍流流动对于聚光器所产生的风力作用较大,其空间抛物面形状的风压分布也随俯仰角和方位角不同而较为复杂。对于如何解决聚光集热装置在许可风速下正常工作,以及在强风环境保持结构安全仍是当前各国光热发电技术发展的热点问题。针对风效应作用下的碟式聚光器,本文建立和研究了大规模碟式聚光器风洞数值模型及计算方法,对大气边界层风环境、多角度空间姿态、阵列群干扰作用和镜面排列间隙的碟式聚光器风荷载特性进行了研究。本文主要研究内容和成果有:(1)介绍了碟式结构风效应数值风洞分析的基本理论知识,完善了碟式聚光器数值风洞模拟方法。该方法基于有限体积法求解技术以及多面体多重网格优化控制技术建立了基于大气边界层湍流理论的大型抛物面碟式聚光器风效应数值计算模型。通过与标准模型风洞试验结果比较,验证了数值模拟方法的有效性,对不同雷诺平均方程湍流模型下的计算精度也做了对比研究。采用碟式结构风效应数值风洞模拟技术是本文的研究结果能够成功运用于实际抗风性能设计的关键因素。(2)利用建立的数值风洞模型对单体碟式聚光器进行了全尺寸数值模拟。研究了碟式聚光器风力系数随俯仰角以及方位角的变化特性,对聚光器最不利抗风姿态以及最佳避风位置等进行了评估。对碟式聚光器典型运行工况下的表面平均风压分布和压力系数等值线图进行了研究,并对风压分布随竖向仰角和水平方向方位角的变化规律进行了探讨。根据典型空间姿态角度下碟式聚光器周围空气流动速度、涡旋分布、回流尺度等特性,弥补了风洞试验中难以获取流场分布的缺陷,更深层次地解释了碟式聚光器风压分布的形成原因。(3)针对不同间隙尺寸条件下聚光器高面隙比的几何特点,构建了适用于镜面间隙网格生成的策略,采用数值风洞关键技术对镜面排列间隙效应进行了全尺寸模拟,全面评估镜面间隙对风荷载的影响特性。通过分析镜面间隙尺寸设计值从0到60mm分布情况下,碟式聚光器的阻力系数、升力系数、侧力系数、倾覆力矩系数、总合力系数随竖向仰角和水平方位角的变化规律,获取聚光器风荷载对不同间隙尺寸影响最为敏感的空间位置。研究镜面间隙影响下聚光镜反射面与背面平均风压系数分布规律,总结了间隙尺寸对镜面单元中心及边缘风压梯度分布的特征。分析了不同间隙尺寸对聚光器有效反射面积的影响及整体风力下降幅度,探讨镜面间隙尺寸对聚光器成本及热经济性的影响。(4)研究了碟式聚光器阵列群行列分布间距优化算法,对3×3阵列全尺寸聚光器群干扰效应进行了数值模拟研究。在不同俯仰角、方位角组合条件下,研究聚光器干扰效应的风力系数变化规律、相关干扰因子和表面平均风压分布。结合不同俯仰角和方位角工况条件下无干扰聚光器与受扰聚光器之间干扰效应的变化规律与流场分布,深入分析了绕流特性对表面平均风压的影响。(5)基于聚光器群干扰效应条件下的聚光器风力特性及表面风压分布,进行了风效应作用下流固耦合分析,研究了碟式聚光器镜面变形对聚焦性能影响的计算方法。通过建立的流固耦合计算模型将聚光器流场分析结果用于空气动力学响应分析,得到了不同俯仰角工况的聚光镜结构动力特性参数和应变变形。通过将干扰效应下的镜面变形分析结果用于聚光器聚焦精度研究,建立相关数学模型,评估聚光器风荷载下镜面变形对焦斑变形的影响。


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