碟式斯特林太陽能熱發電系統結構仿真研究

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

碟式太陽能熱發電系統利用旋轉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，驅動發電機組發電;或者在焦點處直接放置太陽能斯特林發電裝置發電。整個系統包括旋轉拋物面反射鏡、接收器、跟蹤裝置和蓄熱系統，如圖1所示。碟式太陽能熱發電系統具有壽命長、效率高、靈活性強等特點，可以單臺供電，也可以多套并聯使用，非常適合邊遠山區發電。

圖1 碟式太陽能熱發電系統效果圖

“點聚光”碟式太陽能熱發電系統具有能量轉換效率高、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。在已完成規劃的項目中，碟式系統的占比迅速攀升至18%，其價格競爭力也逐漸接近槽式系統。

目前，我國碟式斯特林太陽能熱發電技術的研發尚處于起步階段。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電系統集成與示范技術基礎理論的研究與試驗，建立了相應的熱發電模擬系統并積累了一定的經驗。我國在太陽能熱發電系統性能、工藝、材料、部件及相關技術上與國外相比還存在很大差距，但目前很難實現技術引進，所以，需要在該系統的很多研究領域進行突破，從而掌握核心技術。

目前，國內、外對碟式斯特林太陽能熱發電系統結構的仿真研究較多，但多數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電系統的整體結構，建立了典型工作狀態下碟式太陽能熱發電系統支撐桁架的有限元分析模型，分析典型工作狀態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力，確定最危險的工作狀態，并根據分析結果給出桁架結構的優化建議。

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。

碟式太陽能發電系統桁架結構典型工況的有限元模型如圖2所示。根據結構的幾何特征及受力變形形態，有限元離散模型主要由梁單元和殼單元構成。斯特林發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，其余構件(支撐前臂的橫梁、拉桿和立柱等)根據其變形特點采用梁單元來模擬。

圖2 碟式太陽能發電系統桁架結構的有限元模型

2．1 單元類型選擇

根據太陽能熱發電系統桁架結構各個構件的受力和變形特點，結合相關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 構件截面及幾何參數

在碟式斯特林太陽能熱發電系統桁架結構中，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

碟式斯特林太陽能熱發電系統桁架結構采用普通的碳素鋼，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。對于殼單元，單元厚度是必需的實常數之一，根據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。根據正常估算，太陽能桁架結構主要承受電動機自重和風載荷作用。

1)發電機自重。發電機質量為500kg(含發電機支架)，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個節點上。

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

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

(2)約束條件。整個結構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點6個自由度指定零位移，即完全固定。整個結構中各個構件均采用螺栓連接或焊接，因此，在有限元模型中，構件之間的連接方式為剛性連接。

2．5 模型

整個系統的有限元模型建立之后如圖3所示。

圖3 正常工作狀態下的系統有限元模型

3 有限元計算結果

完成建模后進行有限元仿真分析，得到了有關整個系統結構的內力及變形結果。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中整個桁架系統結構的變形可以分解成2個方向:一是沿著z軸負方向，由風載荷產生;二是沿著豎直方向的變化，由自重產生(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電系統結構在正常工作條件下 z方向的位移，位移的大小位于［－0．010705，0］(m)區間內，整個結構 z方向的位移均小于(或等于)零;負值最大值出現在輻條系統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。整個結構的位移分布近似地關于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電系統結構上各根梁的軸力計算分析結果如圖6所示。由軸力云圖可知:支撐前臂結構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構的自重及風載荷產生的。輻條系統后面的梁承受壓力作用，前面的梁承受拉力作用，這樣的一種內力分布形式是由風載荷產生的。從定性的角度考慮，根據相關力學知識可知該計算結果是合理的。

整個桁架結構中局部梁出現較大的拉力和壓力作用，應該結合梁材料的抗拉強度、抗壓強度以及截面積對梁進行校核，進而根據校核結果判斷整個桁架結構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，整個太陽能熱發電系統結構各根梁z方向剪力計算分析結果如圖7所示。從圖7可以看到整個結構剪力的分布特點，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

整個結構的剪力分布不均勻，部分梁的剪力較大。從分布云圖上可以看到，整個結構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，支撐立柱和旋轉中心軸上也承受較大的剪力作用，需根據梁的抗剪強度對梁進行校核，繼而根據校核結果判斷整個桁架結構中各根梁可能的破壞形式或者整個結構的安全儲備。

4 結論與建議

在整個工作環境中，碟式斯特林太陽能熱發電系統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)作為承重結構的支撐立柱的受力較復雜，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、輻條系統和支撐立柱的作用，是整個結構的核心，其受力也較復雜;同支撐立柱一樣，部分梁要承受較大的軸力作用。

(4)熱發電系統結構中旋轉中心軸的受力同樣較復雜，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，繼而根據校核結果判斷整個桁架結構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結構的仿真計算，得到了系統結構可能的多種破壞形式，也找到了系統的多個薄弱點。這為碟式系統的結構設計提供了較有針對性的依據，同時也為碟式系統結構的優化提供了參考數據。在對多種類型碟式系統進行設計和研究時，也可以參考該仿真的方法和思路，對碟式系統的結構進行驗證和設計優化。

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