摘 要

太阳能发电系统是把太阳光辐射能转换为电能的一种发电系统，有光伏和光热两种发电方式。定日镜是太阳能发电系统的主要设备之一，主要用于聚集太阳光。它需要大量钢材去支撑镜面，因而质量很大，导致成本很高，它的造价占了整体成本的一半以上。由于定日镜的用钢量过多导致了大量的成本，限制了太阳能技术的发展，因而本文对其结构进行设计并改进，以此来减少定日镜的用钢量。

本文主要工作如下：

1. 对传统定日镜进行有限元分析，得到其质量为5397kg，以及其在四种不同仰角情况下受风载荷影响的形变、应力和应变情况。
2. 对传统定日镜的进行结构设计，增加了一种伞状构件，形成伞状定日镜，并进行有限元分析。得到其质量为5445kg以及变形情况，并与传统定日镜进行对比，质量增加了48kg，但变形程度得到了改善。
3. 在约束条件允许的范围内，利用正交表对伞状定日镜进行正交试验，得到一组优化数据。对优化后的伞状定日镜进行有限元分析，将优化后的结果与传统定日镜相对比。优化后的伞状定日镜总质量为4920kg，在变形程度相差不大的情况下，比传统定日镜减少了477kg。
4. 对优化后的伞状定日镜进行成本估算。

关键词：定日镜 风载荷 伞状定日镜 设计优化

Structural Design and Finite Element Analysis of Heliostats

ABSTRACT

Solar power system is a kind of power generation system which converts solar radiation energy into electric energy and it includes photovoltaic power generation and solar thermal power generation.Heliostats are used to concentrate sunlight and are one of the main equipment of the whole solar power systems.A lot of steel is needed to support due to the high quality of heliostats.It accounts for more than half of the total cost.The situation limits the development of solar technology. Therefore,the structure of heliostats was designed and improved to reduce the amount of steel used in the thesis.

The main work of the thesis was as follows:

1. The mass of traditional heliostat was 5397kg.Deformations,stresses and strains of heliostat under wind loads at four different elevations was obtained by finite element analysis.
2. The structure design of the traditional heliostats was carried out and an umbrella structure was added to form the umbrella heliostats.What’s more,the finite element analysis was carried out.The results show that the weight of traditional heliostats was 5445kg.Compared with the traditional heliostat, the mass increased by 48kg and the deformation degree was improved.
3. A set of optimized data was obtained by orthogonal test of umbrella heliostat with orthogonal table.The optimized umbrella heliostats were analyzed by finite element analysis.The weight of the optimized umbrella heliostats was 4920kg.Compared with the traditional heliostats,the weight of the optimized umbrella heliostats was 477kg less than that of the traditional heliostats when the deformation degree was little difference.
4. Estimating the cost of the optimized umbrella heliostats.

Keywords:heliostat;wind load;heliostat with umbrella-shaped structure;design optimization

目录

第一章 绪论 1

1.研究的背景和意义 1

1.1国内外研究进展 2

1.2研究方法 4

第二章 传统定日镜结构与有限元分析 5

2.1传统定日镜介绍 5

2.2传统定日镜有限元分析 6

2.2.1传统定日镜的基本参数 6

2.2.2传统定日镜有限元模型的建立 7

2.2.3传统定日镜模型的形变与应变 12

2.3传统定日镜的重量与成本 17

第三章 伞状定日镜结构设计与有限元分析 18

3.1伞状定日镜的结构设计 18

3.2伞状定日镜有限元分析 19

3.2.1伞状定日镜基本参数 19

3.2.2伞状定日镜有限元模型的建立 19

3.2.3伞状定日镜的形变与应变 21

3.3伞状定日镜与传统定日镜的对比 23

第四章 伞状定日镜优化 26

4.1 伞状定日镜优化目标 26

4.2模态分析 26

4.3谐响应分析 26

4.4设计正交试验 27

4.5优化后的伞状定日镜模型的建立 28

4.6优化后伞状定日镜模型的形变与应变 29

4.7 优化后与优化前伞状定日镜的对比 30

4.8 成本估算 33

第五章 总结与展望 34

5.1总结 34

5.2展望 34

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.研究的背景和意义

传统的如石油、煤炭等化石能源过去一直被人们所需求，但从二十世纪中期以来，随着人类的不断开采与消耗，这些不可再生能源开始逐渐走向枯竭的未来。不仅如此，这些化石能源的开发利用还产生了大量的有害物质，并已经对环境产生了严重的污染。面对人们对能源需求的急剧增加、能源的日益匮乏以及环境污染日益严重的情况，各个国家开始将目光投向清洁无污染、循环可再生的新能源方面。作为其中的佼佼者，与其他能源相比，太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，因而开始被人们所重视。

太阳能利用方式主要分为光伏发电和光热发电两种。光热发电分为塔式、槽式和碟式^[1]三种形式。其中, 塔式光热发电系统由于具有聚光比高、发电效率高的优点，同时适宜大规模应用、可持续发电，因而成为了各国最为密切关注的太阳能发电技术。

CSP（聚光太阳能）系统是最有前途的太阳能技术之一，近年来发展迅速。此技术主要有四种：抛物槽、太阳能塔（中央接收器系统）、线性菲涅耳和碟式斯特林^[2]。其中，抛物槽和太阳能塔系统较为重要。定日镜是塔式太阳能发电站的主要设备之一，它主要由反射镜、支撑架、传动系统以及控制网络这四个部分组成。在太阳能塔中，定日镜在两个轴上跟踪太阳，并将太阳光线反射到塔顶的“接收器”上^[3]。通过这种方式，定日镜提高了对太阳能的利用效率，但其成本却极为昂贵。数量众多的定日镜占据了定日场中大多数的土地，成为了塔式太阳能热发电站中的主要投资部分，其造价甚至有发电系统总造价的一半以上^[17]。在美国Solar One对太阳能发电厂的总投资中，定日镜的投资甚至达到了52%^[4]。一般来说，定日镜的设计和应用会受到多方面因素影响，如风载荷、材料、光学性能等。其中，定日镜的聚光精度较为重要。而对于镜面来说，随着各种外界环境的腐蚀以及时间的推移，镜面会逐渐变形^[5]，导致聚光精度越来越低。为此，需要提高其结构刚度，因而要求对定日镜不断进行研究，进而提高效率与减少额外的成本，以此来推动太阳能技术的发展与应用。

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