厲劍梁，蘭維，呂渤林

(1．中國(guó)華電集團(tuán)公司，北京 100031;2．華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

1 問題的提出

碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡將入射陽(yáng)光聚集在焦點(diǎn)上，通過放置在焦點(diǎn)處的太陽(yáng)能接收器來收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電;或者在焦點(diǎn)處直接放置太陽(yáng)能斯特林發(fā)電裝置發(fā)電。整個(gè)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(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)具有壽命長(zhǎng)、效率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以單臺(tái)供電，也可以多套并聯(lián)使用，非常適合邊遠(yuǎn)山區(qū)發(fā)電。

圖1 碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)效果圖

“點(diǎn)聚光”碟式太陽(yáng)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(duì)水的需求幾乎為零等特點(diǎn)，采用這項(xiàng)技術(shù)的幾座國(guó)外商用電站(或大型實(shí)驗(yàn)電站)已于近幾年建成。在已完成規(guī)劃的項(xiàng)目中，碟式系統(tǒng)的占比迅速攀升至18%，其價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力也逐漸接近槽式系統(tǒng)。

目前，我國(guó)碟式斯特林太陽(yáng)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(shí)間里，許多研究單位都進(jìn)行了碟式斯特林太陽(yáng)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(yàn)，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(yàn)。我國(guó)在太陽(yáng)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(guó)外相比還存在很大差距，但目前很難實(shí)現(xiàn)技術(shù)引進(jìn)，所以，需要在該系統(tǒng)的很多研究領(lǐng)域進(jìn)行突破，從而掌握核心技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)、外對(duì)碟式斯特林太陽(yáng)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(gè)部件的仿真研究上，如對(duì)太陽(yáng)能碟面(聚焦器)或者單獨(dú)支撐柱的研究等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在正常工況下的仿真研究相對(duì)較少，迫切需要開展該方面的仿真研究工作。

本文針對(duì)碟式斯特林太陽(yáng)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(yáng)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(fēng)載荷作用的支撐桁架的變形及各部件內(nèi)力，確定最危險(xiǎn)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(dòng)力特性，注重其線性特性分析。

碟式太陽(yáng)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?jiǎn)卧蜌卧獦?gòu)成。斯特林發(fā)電裝置簡(jiǎn)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(diǎn)采用梁?jiǎn)卧獊砟M。

圖2 碟式太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的受力和變形特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)單元的特性做出如下選擇:梁?jiǎn)卧x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(yáng)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(shí)常數(shù)

碟式斯特林太陽(yáng)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(shí)并不能反映單元所有的幾何特性，需要定義計(jì)算所需的其他實(shí)常數(shù)。對(duì)于殼單元，單元厚度是必需的實(shí)常數(shù)之一，根據(jù)實(shí)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(yáng)能桁架結(jié)構(gòu)主要承受電動(dòng)機(jī)自重和風(fēng)載荷作用。

1)發(fā)電機(jī)自重。發(fā)電機(jī)質(zhì)量為500kg(含發(fā)電機(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)上。

2)風(fēng)載荷。系統(tǒng)在80 km/h風(fēng)速下能夠正常工作，對(duì)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(dāng)作慣性力施加到模型上。

(2)約束條件。整個(gè)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(diǎn)6個(gè)自由度指定零位移，即完全固定。整個(gè)結(jié)構(gòu)中各個(gè)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(gè)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(jì)算結(jié)果

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

3．1 變形圖

模型變形圖如圖4所示，圖4中整個(gè)桁架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變形可以分解成2個(gè)方向:一是沿著z軸負(fù)方向，由風(fēng)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(jìn)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(gè)太陽(yáng)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(gè)結(jié)構(gòu) z方向的位移均小于(或等于)零;負(fù)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?yàn)橹瘟⒅牡撞抗潭ㄔ诘孛嫔希虼似湮灰茷?。整個(gè)結(jié)構(gòu)的位移分布近似地關(guān)于y－z平面對(duì)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(gè)碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上各根梁的軸力計(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)的自重及風(fēng)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(fēng)載荷產(chǎn)生的。從定性的角度考慮，根據(jù)相關(guān)力學(xué)知識(shí)可知該計(jì)算結(jié)果是合理的。

整個(gè)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(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及截面積對(duì)梁進(jìn)行校核，進(jìn)而根據(jù)校核結(jié)果判斷整個(gè)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(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各根梁z方向剪力計(jì)算分析結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看到整個(gè)結(jié)構(gòu)剪力的分布特點(diǎn)，在對(duì)稱的位置上大小近似相等(有限元計(jì)算中存在誤差，因而數(shù)值并非嚴(yán)格意義上的相等，在相差不多的情況下可以認(rèn)為相等)。

圖7 模型的剪力云圖

整個(gè)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(gè)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(qiáng)度對(duì)梁進(jìn)行校核，繼而根據(jù)校核結(jié)果判斷整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)中各根梁可能的破壞形式或者整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)論與建議

在整個(gè)工作環(huán)境中，碟式斯特林太陽(yáng)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(huì)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(gè)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(duì)上述各個(gè)部件進(jìn)行安全性校核:結(jié)合梁材料的抗拉(壓、剪)強(qiáng)度及截面積對(duì)梁進(jìn)行校核，繼而根據(jù)校核結(jié)果判斷整個(gè)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(duì)整個(gè)碟式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)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(gè)薄弱點(diǎn)。這為碟式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了較有針對(duì)性的依據(jù)，同時(shí)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(duì)多種類型碟式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究時(shí)，也可以參考該仿真的方法和思路，對(duì)碟式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

［1］StineW B，Diver R B．A Compendium of Solar Dish/Stirling Technology［R］．Albuquerque:Sandia National Laboratories，1995．

［2］John R Bean，Richard B Diver．Technical Status of the Dish/Stirling Joint Venture Program［R］．Albuquerque:Sandia National Laboratories，1995．

［3］Beninga Kelly J，Davenport Roger L，Johansson Stefan N．Design，Testing and Commercialization Plans for the SAIC/STM 20 kW Sub(e)Solar Dish/Stirling System［C］．Orlando:Proceedings of the 30th IECEC，1995．

［4］Gineste JM，F(xiàn)lamant G，Olalde G．Incident Solar Radiation Data at Odeillo Solar Furnaces［J］．J．Phys．IV，1999(9):623－628．

［5］Steffen Ulmer，Wolfgang Reinalter，Peter Heller，et al，Beam Characterization and Improvement with a Flux Mapping System for Dish Concentrators［J］．ASME J．Sol．Energy Eng．，2002，124(2):182 －188．

［6］Stine W B．Experimentally Validated Long-term Energy Production Prediction Model for Solar Dish/Stirling Electric Generating Systems［R］．Orlando:Proceedings of the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，1995．

［7］Bean JR，R BDiver．Performance of the CPG 7．5 kWe Dish Stirling System［R］．Atlanta:Proceedings of the 28th IECEC，1993．

［8］Andraka Charles E．Alignment Strategy Optimization Method for Dish Stirling Faceted Concentrators［C］．Long Beach:Energy Sustainability，2007．