摘 要

由于各定日镜与聚光点相距较远，镜面的微小偏差就会严重影响整个系统的聚光效果。另外，大风作用后结构经常受损，世界各地已经发生了多起由于风荷载影响导致的定日镜结构被损坏甚至倾覆的事故。加之定日镜本身也是整个发电系统的最高投资成本，且结构风致效应不同于其他常规建筑，故相关研究人员针对定日镜风致响应和表面荷载问题做了大量的研究分析，采用数值模拟、风洞试验等一系列方法开展相关试验。

本论文主要采用理论分析的研究方法，基于ANSYS计算平台建立定日镜有限元模型，分析其在不同工况下的振型图。计算风荷载数值后对结构施加等效风荷载，分析不同仰角时结构的变形情况和内力情况，为确保定日镜的安全稳定及结构优化提供理论依据。

本文主要研究的内容有：

1. 运用ANSYS软件构建了定日镜有限元模型，并得到了仰角分别为0°、30°、60°、90°的四种工况。
2. 得到了四种工况下的定日镜结构的前15阶振型图，通过对比发现其变形规律。
3. 求得了风荷载数值并施加到定日镜结构中。
4. 得到了定日镜在风荷载作用下的位移变形图及内力图，得到了结构变形最大及内力最大的位置。

关键词：定日镜；结构响应；振型；结构变形

Abstract

In consideration of its own characteristics, the tower type solar power generation system has been built on a flat and open space, so no obstacles can be used to cushion the influence of the wind generated by the flow of air on the setting mirror. However, due to the far distance between the daily mirrors and the concentrating points, the small deviation of the mirror will seriously affect the concentrating effect of the whole system. In addition, the structure of the gale is often damaged, and there have been many accidents in the world which have been damaged or even overturned due to the influence of wind load. In addition, the sun set itself is also the highest investment cost of the whole power generation system, and the structure wind effect is different from other conventional buildings. Therefore, the related researchers have done a lot of research and Analysis on the wind induced response and surface load problems of the daily mirror, and carried out a series of related experiments with numerical simulation and wind tunnel test.

This paper mainly adopts the research method of theoretical analysis, establishes the finite element model of the sun mirror based on the ANSYS computing platform, and analyzes its vibration mode under different working conditions. After calculating the wind load, the equivalent wind load is applied to the structure, and the deformation and internal forces of the structure are analyzed in different elevation angles, which provides a theoretical basis for the safety and stability of Baoding daily mirror and the structure optimization.

The main contents of this paper are as follows:

(1) using the ANSYS software, the finite element model of the sun mirror was constructed, and four working conditions with elevation angles of 0 degrees, 30 degrees, 60 degrees and 90 degrees were obtained.

(2) the first 15 mode shapes of the sun mirror structure under four working conditions were obtained, and the deformation rules were found by comparison.

(3) the wind load values are obtained and applied to the structure of the sun mirror.

(4) the displacement deformation map and internal force diagram of the sun mirror under wind load are obtained, and the maximum deformation and maximum internal force are obtained.

KeyWords：heliostat；Structural response; mode of vibration； structural distortion

目录

塔式太阳能定日镜风致振动研究 I

摘 要 III

第一章 绪论 7

1.1研究背景 7

1.1.1国外塔式太阳能系统发展历程 7

1.1.2中国塔式太阳能系统发展状况 8

1.1.3定日镜结构体系 9

1.2定日镜抗风研究历史及现状 10

1.2.1国外定日镜抗风研究历史及现状 10

1.2.2我国定日镜抗风研究现状 10

1.3定日镜抗风研究面临的问题 11

第二章 定日镜有限元模型的模态分析 12

2.1 模态分析的理论介绍 12

2.2 ANSYS软件介绍 12

2.3 定日镜结构的有限元模型 12

2.4 定日镜结构不同仰角下的模态分析 14

2.4.1 仰角为90°时定日镜结构模态分析 14

2.4.2 仰角为60°时定日镜结构模态分析 16

2.4.3 仰角为30°时定日镜结构模态分析 19

2.4.4 仰角为0°式定日镜结构模态分析 21

2.4.5 四种仰角下定日镜结构振型图比较分析 23

2.5 本章小结 24

第三章 定日镜结构的受力分析 25

3.1 风荷载计算 25

3.2 位移分析 27

3.3 应力分析 29

3.4 本章小结 33

第四章 总结与展望 34

4.1 总结 34

4.2 展望 34

参考文献 36

第一章 绪论

1.1研究背景

从20世纪中叶以来，由于燃油价格的持续上涨，许多国家不得不对新式可再生能源开始投入大量精力以满足自身生存发展需求。尤其是70年代的石油危机，人类不得不正视自己即踏入能源危机的困境，许多国家的相关政府部门及科研机构都向新能源的开采及应用技术投入大量人力物力。在诸多可再生新能源中，太阳能不仅具有清洁和分布区域十分广泛的优势，运用得当完全可以满足人类基本生活需求，故而太阳能开采技术备受人们重视。而太阳能在大气空间中传播存在的形式十分分散，导致人们采集太阳能时进展不顺。该难题通过建立由反光镜和聚光镜组成的镜组来聚集分散的太阳光能量再转化为电能的方式解决，即聚光太阳能系统。光伏发电和光热发电已成为当下全社会最常用最受欢迎的两种太阳能发电方式。光伏发电技术能够将光能直接转换成电能，但有占用面积大、受气候条件影响较大且构件生产过程不环保的缺点。光热发电技术则是通过构建太阳能集热器来收集太阳能并产生热能，再把热能进一步转化为蒸汽，由蒸汽驱动汽轮机来直接发电以供使用。

本文主要研究塔式太阳能发电系统，它是最重要的太阳能热发电方法之一。其原理如下：首先是通过在大范围场地里建立起许多个可以独立追踪太阳光的定日镜来把分散的太阳光集中反射到场地中央的有接收器的集热塔上，接收器将收集到的光能转化成热能，然后利用蓄热器驱动热能机器，该机器可将热能直接转化为电能从而完成整个系统从收集太阳能到逐步转化为电能的工作。

1.1.1国外塔式太阳能系统发展历程

西方国家在研究塔式太阳能发电系统方面起步较早。早在1950年，全球首座塔式太阳能发电的试验电站就在莫斯科动力研究所各项工作人员的长时间努力下设计建造起来，这在太阳能热发电领域无疑可以说是创下了先河，引领了整个时代的研究方向。欧美各国从20世纪70年开始也积极投入了大量科研人才来进一步发展该技术。到1981年。九个国家在意大利西西里岛建立了世界上第一座连接电网的塔式太阳能热电站，额定功率虽只有1MW远低于次年美国建立的Solar One电站的10MW功率，仍意义非凡。西班牙分别采用液态钠和混合盐作为吸热介质于1981、1983年兴建了输出功率分别为0.5MW、1MW的小规模电站SSPS、CESA-1。法国于1983年使用熔盐作为吸热介质兴建了2.5MW功率的Themis发电站。随着技术的不断积累和成熟，加上人类生活对大规模发电站的实际需求，国外近年来新型塔式太阳能热发电站的性能在额定输出功率方面已得到显著改善。如西班牙于2006、2007年分别采用熔硝酸盐和蒸汽作为传热介质兴建的输出功率分别为15MW、11MW的Solar Tres电站和PS10电站。表1.1展示了几个有代表性电站的部分信息。

表1. 1 早期部分塔式太阳能电站

1.1.2中国塔式太阳能系统发展状况

由于研究经费不充足、技术条件不成熟，我国在塔式太阳能热发电研究领域开展的工作并不多，起步时间也偏晚。到上世纪70年代，才有相关研究人员开展部分基础试验和研究。一套功率仅为1KW的塔式太阳能模拟热发电装置于“六五”期间在天津建成。2005年10月，在南京市江宁开发区建成了我国第一座塔式太阳能热发电系统并发电成功。该电站占地面积约为40亩，由发电机、定日镜场和塔式接收器等装置组成，其中塔的高度为33m，场地布置了32面单面面积为20㎡的定日镜，功率为70KW。在“十一五”期间，中国科学院电工研究所针对塔式太阳能热发电站的定日镜优化技术、镜面版反射技术以及整个电站的整体设计和控制技术等同皇明太阳能公司合作开展相关研究试验。以此为基础，我国首个MW级的塔式太阳能热发电站于2012年8月在北京延庆县成功建造完毕，试运行成功表明，中国的塔式太阳能热发电技术取得重大进展。

1.1.3定日镜结构体系

塔式太阳能发电系统的核心设备便是定日镜组。定日镜组不仅占据绝大部分场地，而且由于其独特的制造工艺，占整个发电系统总成本一半以上。以1982年建造在美国的Solar One电站为例，首次投资总花费约1.42亿美元。约7000万美元占总数一半左右都用于定日镜的设计与建造。可以看出，只有不断开发定日镜结构优化设计和定日镜施工技术，降低整个发电系统的成本，才能推动塔式太阳能发电系统不断成熟进入市场。

定日镜作为塔式太阳能发电站的聚光装置，由镜框、镜面、跟踪传输部件以及相关控制系统组成，由刚性支架作为支撑构件，工作过程中不断将分散的太阳光精确反射到接收器上的功效则是运用控制系统来改变方向和仰角来实现。为了满足整个电站能够持续高效工作的基本要求，定日镜的设计必须做到平整度精确、聚光精度高、反射率高，此外由于定日镜群所在场地多是空旷的野外，要求定日镜结构的机械性能和稳定性较强以抵抗风荷载影响并保持正常工作状态，还应满足工作寿命长、操作简单且便于维修等要求。而定日镜的各部分结构都应满足相应设计要求：反射镜通常采用镀了高反射性材料在表面上的质量轻又抗风沙的玻璃以避免由于定日镜和聚热塔相距太远导致的太阳光被反射后发生过大散焦的问题；镜架和基座要能提升稳定性和机械强度以提高整体抗风性来抵抗恶劣的场地和气候条件；转动装置应能方便又准确的调整镜面方位角和仰角以便镜面对入射光保持良好的追踪状态。

1.2定日镜抗风研究历史及现状

自塔式太阳能电站投入使用以来，遇到的最大难题便是定日镜的风阻问题。由于结构对风荷载的敏感性以及轻质灵活性，定日镜设计中最重要的四项指标便是风阻、追踪质量、光学质量及结构功耗。大多数定日镜设计要求结构在8级风的作用下完好无损，并保持6级风下效率不变的状态。由于定日镜远离热塔的集热器，故镜面上的细微偏移就会导致聚光效果的严重下滑。定日镜在强风的作用下很容易被破坏。加之定日镜自身构造特别，风荷载对其影响与常规建筑有很大差别。此外，定日镜群在太阳能电站场地中多呈辐射状分布，故各个位置的定日镜仰角和方位角都有很大差别，这意味着我们在定日镜抗风试验研究中需考虑其仰角和方位角造成的工况不同的影响。

1.2.1国外定日镜抗风研究历史及现状

早在20世纪60年代，Brosens等^[1][2]就已经对刚性定日镜在阵风作用下产生的振动问题开展了研究，并针对定日镜的结构稳定性做了不少分析。Hoyer等^[3]针对风致效应对于定日镜设计的相关影响提出了不少优化措施。1975年，Anderson等^[4]在沙漠、强风等恶劣气候条件下开展了槽式太阳能聚光器试验，发现许多聚光器的工作状态都受到了影响。Cutting等^[5]则在分析定日镜结构过程中运用有限差分法计算出了强风作用下该定日镜的强度及其稳定性。

20世纪80年代以来，由于太阳能发电站的持续建设，人们针对其聚光部件在风作用下的工作性能开展了大量试验。Strickland等^[6]运用风洞试验分析了定日镜在气流作用下的流场特征。测试得到了结构斯托哈罗数和形体之间的关系。Bhumralkar等^[7]是最早在太阳能发电设备的抗风研究中运用到数值模拟的人，他对一所太阳能热能发电站通过二维数值模拟分析出其在大气作用下的变化情况。Griffith等^[8]对定日镜开展有限元模拟模态分析，并将其与实验室进行的实际定日镜模态测量对比分析，进而证明了有限元模型的正确性。Brian Edwardsa等^[9]通过建立刚度和太阳光反射路径误差之间的函数以避免设计中反射装置刚度过大或不够的缺陷，因此，可以在确保安全性和实用性的同时降低结构成本。Peterka等^[10]运用风洞试验获得了多种受力条件下定日镜的最大表面风载荷和平均风载值，以构造最经济的能减小弯矩和风致力的模型。整体来说，以西班牙和美国为首的部分西方发达国家在太阳能发电领域取得先机，通过大量试验已经研究出了符合自己国家特殊气候及地形环境的定日镜设计理念，起步较晚的国家也在积极开展强风作用下保证设备不受破坏以及正常风速作用下正常工作的相关研究，比如伊朗的N Naeeni等^[11][12]结合了风洞试验和数值模拟的方法对某槽式太阳能定日镜开展相关研究并得到了不同风速下该定日镜的表面荷载。

1.2.2我国定日镜抗风研究现状

国内近年来也针对定日镜抗风研究投入了大量精力并取得十分珍贵的试验成果。湖南大学孙进等^[13]运用数值模拟的方法对多定日镜的单体情况和七种典型工况进行数值计算以获得试验镜表面风压以及风场分布情况。针对单个定日镜模型，他采用流体动力学软件FLUENT进行计算和分析，而定日镜相互间的干扰因素他也考虑进去了，至于定日镜结构风振响应中的多个振型相互间的耦合作用，他利用完全二次型组合法(CQC)考虑其耦合作用进行计算，最后可以得到精确结果但计算量过大。而王莺歌等^[14][15]提出将正交风场内在分解分解(POD)技术应用于定日镜结构响应计算，应用POD法进行风致响应分析可以在保证计算精度的基础上大大减少工作量。此外，王莺歌等^[16]还通过建立数值风洞模型来研究定日镜群中单体间的相互干扰作用，模拟计算出了两定日镜前后分布和四定日镜辐射分布时在不同工况下的风力干扰因子并绘制了相应流场分布图。李正农等^[17]用两种方法比较了塔式太阳能定日镜的风效应：数值模拟和现场实测。首先，基于有限元理论构造出对应的有限元模型，然后通过模态分析得到定日镜结构的主要频率和振型参数，再和现场实测数据进行比较。最终两种数据吻合较好，表明该有限元模型贴近实际定日镜，为后续的定日镜风致效应研究提供了依据。

1.3定日镜抗风研究面临的问题

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