扭矩盒集熱器支架輕量化設計

章學俊,蘇小平,王宏楠

(南京工業大學機械與動力工程學院,江蘇南京211816)

槽式太陽能發電技術前景廣闊,但高成本仍然是制約其發展的主要因素[1]。槽式集熱器是實現槽式太陽能發電的關鍵,成本占了電站建設成本的50%以上。而支架又是集熱器的主要部件,它直接影響著集熱器的制造成本和性能。從20世紀80年代開始,一些研究機構設計了多種集熱器支架型式,例如 LUZ設計的 LS1—3型,EuroTrough協會研發的扭矩盒集熱器,Solargenix的SGX－1等[2]。

扭矩盒集熱器是目前結構型式最優,應用最廣的集熱器,但質量仍還有下降的空間。對支架結構尺寸進行優化能有效降低集熱器的質量。但是,聚光效率是集熱器最主要的性能指標,風載會導致鏡面變形,改變鏡面曲率和反射光線的路徑,使聚光效率下降。鏡面變形嚴重的話還會造成反射鏡的破裂,增加后期維護成本。因此,對支架進行優化的重要前提是不降低集熱器的聚光效率。

本文在ANSYS中對支架在8級風下進行了靜力分析,對影響集熱器幾何聚光比的結構參數進行了靈敏度分析,選取對集熱器聚光效率不敏感的參數對支架做了輕量化設計。

1 扭矩盒集熱器結構

扭矩盒集熱器單元由12 m長的鋼結構支架和鏡面組成[3]。支架包括一個扭矩盒和多個懸臂。扭矩盒橫截面為正方形,邊長H為1.2 m,采用螺栓和焊接連接。懸臂對鏡面起主要的支撐作用,懸臂和扭矩盒都采用等邊角鋼。本文忽略了集熱管,由于集熱管在安裝過程中可以與集熱器的旋轉軸相連,旋轉軸的剛度很大,使得集熱管變形量很小。集熱器結構和主要參數如圖1和表1所示。

圖1 扭矩盒集熱器

2 支架的靜力分析

2.1 支架有限元模型

在ANSYS中采用參數化方法自底向上創建支架的幾何模型,由坐標參數化的關鍵點生成線,再由線生成面。采用shell63殼單元對鏡面進行網格劃分,支架部分采用beam4三維梁單元,整個模型含有5 609個節點。

鏡面與支架在每個有懸臂的截面上有5個連接位置,

表1 集熱器主要結構參數

采用兩種耦合方式。4個位置采用節點耦合,即由于shell63單元和beam4單元節點的自由度相同,兩種單元共用一個節點;1個位置采用自由度耦合。支架的角鋼采用剛性連接代替焊接和螺栓連接。支架和鏡面的材料屬性如表2所示。

表2 集熱器材料屬性

2.2 支架靜力分析

a)施加載荷

選取8級風為工況進行靜力分析,對應的載荷為270 Pa。如圖2所示,風載以靜載的形式加載在鏡面上,沿y軸負方向時迎風面積最大。扭矩盒一端限制了6個自由度,為了避免過約束,另一端只施加5個自由度,可以沿z方向移動。

圖2 集熱器有限元模型

b)計算結果處理

鏡面和支架的位移、應力如圖3所示。支架的最大應力和位移為100.257 MPa和5.881 mm,鏡面最大應力和位移為11.5 MPa和5.878 mm。支架和鏡面的安全系數n可以通過式(1)計算:

其中:δs是材料的屈服應力,δmax是指定工況下的應力。鏡面和支架的安全系數分別為3.39和2.49,還有優化的空間。

鏡面和支架符合靜強度要求以及鏡面變形對集熱器性能的影響是優化過程兩個重要的約束條件。后者需要定量表示,本文通過ANSYS的后處理模塊來完成。將模型更新為受力變形后的幾何形狀,如圖4所示,定義鏡面同一截面上的節點為一路徑,在相鄰兩節點之間差值5個點,計算路徑上所有點的光反射路線[4]。模型中總共計算10 653個點,點的總數和節點個數是相對應的。統計出所有反射光線。

圖3 (a)鏡面和支架應力(b)鏡面和支架位移

圖4 路徑定義

經過集熱管的點的個數,定義幾何聚光比影響系數pec來表示風載對幾何聚光比的影響。

式中,nn—鏡面變形后反射光線經過集熱管的點的個數,

ns—點的總個數。

受8級風影響,pec僅為0.670,發電效率明顯下降。

2.3 支架結構參數靈敏度度分析

ANSYS靈敏度分析是概率設計模塊中的一部分,用相對值來定量地評價輸入變量的變化對于輸出變量的影響程度,指導優化過程選取重要參數作為設計變量[5]。選擇蒙特卡洛法進行敏感度分析。

在ANSYS中提取靜力分析過程的分析文件,定義支架的結構參數為服從均勻分布的隨機輸入變量。各結構參數之間都是獨立的,不需要進行隨機變量相關性分析。定義幾何聚光比影響系數pec和支架質量zmass為隨機輸出變量。

采用蒙特卡洛法,抽樣方式選取拉丁超立方進行靈敏度分析[7],結果如圖5所示。在2.5%水平下,對pec影響程度較高的是sec11,zthick,H和sec12。懸臂角鋼截面尺寸sec11和sec12決定了懸臂的抗彎曲性能,H決定了懸臂對鏡面支撐點的位置,也影響鏡面的變形。所有結構尺寸都和質量成正比,其中影響程度較大的是 sec21,sec11,sec22和 sec12。

3 支架輕量化設計

輕量化設計是在滿足約束條件的情況下使結構質量最輕[8],采用通用性強的零階優化方法。

選取H和對pec較為不敏感的參數sec21,sec22進行優化。雖然H對pec較為敏感,但與pec成反比,減小H既能不降低pec,又能減輕質量。定義鏡面應力zjmax小于20 MPa,支架應力zzmax小于150 MPa以及幾何聚光比影響系數不小于0.97×pec(優化前的pec值)為狀態變量,以質量最輕為目標進行優化,迭代25次后得到結果如表3所示。

圖5 (a)pec敏感參數(b)總質量敏感參數

表3 集熱器支架優化結果

從表3可以看出,經過優化后pec并沒有減小,反而從原來的0.670上升到了0.673。質量減輕了7.66%,減重效果明顯。

4 優化驗證

將經過優化后的結構進行10級風下的靜力分析,對應的載荷為520 Pa。

優化后,如圖6所示,鏡面和支架的最大應力分別為20.675 MPa和206.211 MPa,安全系數分別為1.89和1.21,優化后的模型是安全可靠的。10級風下,pec僅為0.439,集熱器效率很低,不適合發電。

圖6 鏡面和支架10級風下應力

5 結論

1)以8級風最大迎風面積為工況對扭矩盒太陽能集熱器進行了結構靜強度分析,支架結構過于安全,可以對其進行結構優化來減輕質量。

2)以幾何聚光比影響系數和總質量為目標變量對支架結構參數進行了靈敏度分析,得出了不同結構參數對于目標變量的影響程度,為優化分析提供了依據。

3)根據靈敏度分析結果,以扭矩盒結構尺寸為設計變量進行了優化,優化后pec值并沒有降低,質量減輕了90 kg,并且支架結構能抵抗10級以上的大風。

[1]羅智慧,龍新峰.槽式太陽能熱發電技術研究現狀與發展[J].電力設備,2006,7(11):29-32.

[1]Luo Zhihui,Long Xinfeng.State and Trend of Solar Parabolic Trough Power Generation Technology[J].Electrical Equipment, 2006,7(11):29-32.

[2]Hank Price,Eckhard Lupfert, David Kearney,etc.Advances in Parabolic Trough Solar Power Technology[J].Solar Energy Engineering, 2002 , 124:109-125.

[3]Eckhard Lüpfert, Michael Geyer, Wolfgang Schiel,etc.EUROTROUGH DESIGN ISSUES AND PROTOTYPE TESTING AT PSA[C].International Solar Energy Conference.Washington,DC:ASME, 2001.387-391.

[4]Klaus Pottler,Eckhard Lu¨pfert, Glen H.G.Johnston,etc.Photogrammetry:A Powerful Tool for Geometric Analysis of Solar Concentrators and Their Components[J].Solar Energy Engineering,2005,127:94-101.

[5]盧利平.載貨汽車車架拓撲優化設計及有限元分析 [D].合肥:合肥工業大學,2009.2-8.

[5]Lu Liping.Topology Optimization and Finite Element Analysis on a Truck Frame:[D].Hefei:Hefei University Of Technology,2009.2-8.

[6]于楊.基于概率有限元數值模擬的結構可靠性分析及軟件開發[D].長沙:中南大學,2011.4-7.

[6]Yu Yang.The Structure Analysis Based on Probability Finite Element and Software Development:[D].Hunan Changsha:Central South University , 2011.4-7.

[7]李毅德.轎車側面柱碰撞的耐撞性優化設計研究[D].長沙:湖南大學,2011.49-50.

[7]Li Yide.A Study on Optimal Design of Crashworthiness of Car Side Structure in Side Pole Impact:[D].Hunan:Hunan University,2011.49-50.

[8]張朝暉.ANSYS12.0結構優化設計及實例詳解[M].北京:機械工業出版社,2009.528-530.

[8]Zhang Chaohui.ANSYS12.0 Structure Optimization Design and Examples with Explanation[M].Beijing:China Machine Press,2009.528-530.