厲劍梁，蘭維，呂渤林

(1．中國華電集團公司，北京 100031;2．華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

1 問題的提出

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡將入射陽光聚集在焦點上，通過放置在焦點處的太陽能接收器來收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電;或者在焦點處直接放置太陽能斯特林發(fā)電裝置發(fā)電。整個系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、接收器、跟蹤裝置和蓄熱系統(tǒng)，如圖1所示。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有壽命長、效率高、靈活性強等特點，可以單臺供電，也可以多套并聯(lián)使用，非常適合邊遠山區(qū)發(fā)電。

圖1 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)效果圖

“點聚光”碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、占地面積小以及對水的需求幾乎為零等特點，采用這項技術(shù)的幾座國外商用電站(或大型實驗電站)已于近幾年建成。在已完成規(guī)劃的項目中，碟式系統(tǒng)的占比迅速攀升至18%，其價格競爭力也逐漸接近槽式系統(tǒng)。

目前，我國碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研發(fā)尚處于起步階段。在過去的一段時間里，許多研究單位都進行了碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)集成與示范技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究與試驗，建立了相應(yīng)的熱發(fā)電模擬系統(tǒng)并積累了一定的經(jīng)驗。我國在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能、工藝、材料、部件及相關(guān)技術(shù)上與國外相比還存在很大差距，但目前很難實現(xiàn)技術(shù)引進，所以，需要在該系統(tǒng)的很多研究領(lǐng)域進行突破，從而掌握核心技術(shù)。

目前，國內(nèi)、外對碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仿真研究較多，但多數(shù)集中在單個部件的仿真研究上，如對太陽能碟面(聚焦器)或者單獨支撐柱的研究等，對整個系統(tǒng)在正常工況下的仿真研究相對較少，迫切需要開展該方面的仿真研究工作。

本文針對碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，建立了典型工作狀態(tài)下碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)支撐桁架的有限元分析模型，分析典型工作狀態(tài)下受自重載荷及各種風載荷作用的支撐桁架的變形及各部件內(nèi)力，確定最危險的工作狀態(tài)，并根據(jù)分析結(jié)果給出桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化建議。

2 建模

本文采用有限元分析軟件，主要分析桁架系統(tǒng)在載荷作用下的靜、動力特性，注重其線性特性分析。

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)典型工況的有限元模型如圖2所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何特征及受力變形形態(tài)，有限元離散模型主要由梁單元和殼單元構(gòu)成。斯特林發(fā)電裝置簡化為集中載荷，凸墊采用殼單元來模擬其受力變形特性，其余構(gòu)件(支撐前臂的橫梁、拉桿和立柱等)根據(jù)其變形特點采用梁單元來模擬。

圖2 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)的有限元模型

2．1 單元類型選擇

根據(jù)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件的受力和變形特點，結(jié)合相關(guān)單元的特性做出如下選擇:梁單元選擇Beam 188，殼單元選擇Shell 63。

2．2 構(gòu)件截面及幾何參數(shù)

在碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)中，自定義截面形狀包括7種類型，見表1。

2．3 材料和單元實常數(shù)

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)采用普通的碳素鋼，彈性模量為200GPa，泊松比為0．3，密度為7．8 t/m3。截面的幾何形狀有時并不能反映單元所有的幾何特性，需要定義計算所需的其他實常數(shù)。對于殼單元，單元厚度是必需的實常數(shù)之一，根據(jù)實體模型確定殼單元的厚度為10．00mm。

2．4 載荷與約束條件

(1)載荷。根據(jù)正常估算，太陽能桁架結(jié)構(gòu)主要承受電動機自重和風載荷作用。

1)發(fā)電機自重。發(fā)電機質(zhì)量為500kg(含發(fā)電機支架)，作為集中載荷處理，作用于支撐前臂的前端;將其載荷等分成4部分分別施加到支撐前臂前端的4個節(jié)點上。

2)風載荷。系統(tǒng)在80 km/h風速下能夠正常工作，對應(yīng)正壓力為0．31 kPa。

3)桁架系統(tǒng)的自重。在有限元分析過程中，桁架系統(tǒng)的自重被當作慣性力施加到模型上。

(2)約束條件。整個結(jié)構(gòu)通過立柱固定在地面上，因此離散模型的約束條件為立柱底部節(jié)點6個自由度指定零位移，即完全固定。整個結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件均采用螺栓連接或焊接，因此，在有限元模型中，構(gòu)件之間的連接方式為剛性連接。

2．5 模型

整個系統(tǒng)的有限元模型建立之后如圖3所示。

圖3 正常工作狀態(tài)下的系統(tǒng)有限元模型

3 有限元計算結(jié)果

完成建模后進行有限元仿真分析，得到了有關(guān)整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形結(jié)果。此時的風載荷指向z軸的負方向。

3．1 變形圖

模型變形圖如圖4所示，圖4中整個桁架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變形可以分解成2個方向:一是沿著z軸負方向，由風載荷產(chǎn)生;二是沿著豎直方向的變化，由自重產(chǎn)生(原來的位置及變形后的位置，分別在圖中進行了指示)。

表1 主要構(gòu)件截面形式

圖4 模型變形圖

3．2 位移云圖

圖5顯示的是整個太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在正常工作條件下 z方向的位移，位移的大小位于［－0．010705，0］(m)區(qū)間內(nèi)，整個結(jié)構(gòu) z方向的位移均小于(或等于)零;負值最大值出現(xiàn)在輻條系統(tǒng)及其附近的尾部輔助梁上。因為支撐立柱的底部固定在地面上，因此其位移為0。整個結(jié)構(gòu)的位移分布近似地關(guān)于y－z平面對稱。

圖5 模型z方向位移云圖

3．3 軸力云圖

正常工作條件下，整個碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上各根梁的軸力計算分析結(jié)果如圖6所示。由軸力云圖可知:支撐前臂結(jié)構(gòu)頂層梁承受拉力作用，底層梁承受壓力作用，初步分析是由整個結(jié)構(gòu)的自重及風載荷產(chǎn)生的。輻條系統(tǒng)后面的梁承受壓力作用，前面的梁承受拉力作用，這樣的一種內(nèi)力分布形式是由風載荷產(chǎn)生的。從定性的角度考慮，根據(jù)相關(guān)力學知識可知該計算結(jié)果是合理的。

整個桁架結(jié)構(gòu)中局部梁出現(xiàn)較大的拉力和壓力作用，應(yīng)該結(jié)合梁材料的抗拉強度、抗壓強度以及截面積對梁進行校核，進而根據(jù)校核結(jié)果判斷整個桁架結(jié)構(gòu)中各根梁可能的破壞形式(受拉破壞和受壓破壞)。

圖6 模型的軸力云圖

3．4 剪力云圖

在正常工作條件下，整個太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各根梁z方向剪力計算分析結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看到整個結(jié)構(gòu)剪力的分布特點，在對稱的位置上大小近似相等(有限元計算中存在誤差，因而數(shù)值并非嚴格意義上的相等，在相差不多的情況下可以認為相等)。

圖7 模型的剪力云圖

整個結(jié)構(gòu)的剪力分布不均勻，部分梁的剪力較大。從分布云圖上可以看到，整個結(jié)構(gòu)中支撐前臂后上部的部分梁以及與凸墊連接的梁上的剪力較大，此外，支撐立柱和旋轉(zhuǎn)中心軸上也承受較大的剪力作用，需根據(jù)梁的抗剪強度對梁進行校核，繼而根據(jù)校核結(jié)果判斷整個桁架結(jié)構(gòu)中各根梁可能的破壞形式或者整個結(jié)構(gòu)的安全儲備。

4 結(jié)論與建議

在整個工作環(huán)境中，碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可能破壞部件的受力情況如下:

(1)輻條與凸墊連接的梁上可能會承受較大的拉力或壓力作用。

(2)作為承重結(jié)構(gòu)的支撐立柱的受力較復(fù)雜，不僅承受較大的壓力作用，還要承受較大的z向剪力作用。

(3)支撐前臂后上方的梁起到連接支撐前臂、輻條系統(tǒng)和支撐立柱的作用，是整個結(jié)構(gòu)的核心，其受力也較復(fù)雜;同支撐立柱一樣，部分梁要承受較大的軸力作用。

(4)熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)中心軸的受力同樣較復(fù)雜，z向剪力比較大。

(5)支撐前臂后上部與支撐面板連接的梁上承受較大的z向剪力作用，此外拉力作用也較明顯。

(6)支撐前臂后上部與中間部分連接的梁上承受較大的拉力作用。

(7)支撐前臂中間部分底層的梁上承受較大的壓力作用。

(8)支撐前臂與凸墊連接的梁上承受較大的z向剪力作用。

因此，建議對上述各個部件進行安全性校核:結(jié)合梁材料的抗拉(壓、剪)強度及截面積對梁進行校核，繼而根據(jù)校核結(jié)果判斷整個桁架結(jié)構(gòu)中各根梁的可能的破壞形式(受拉破壞和受壓破壞)。

綜上所述，通過對整個碟式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仿真計算，得到了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能的多種破壞形式，也找到了系統(tǒng)的多個薄弱點。這為碟式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了較有針對性的依據(jù)，同時也為碟式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考數(shù)據(jù)。在對多種類型碟式系統(tǒng)進行設(shè)計和研究時，也可以參考該仿真的方法和思路，對碟式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行驗證和設(shè)計優(yōu)化。

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