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聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)是采用大面積的反射鏡面(稱之為太陽能聚光器)將低密度太陽輻射能聚集到小面積的接收器上，形成高密度輻射能來加熱接收器內(nèi)傳熱工質(zhì)，進(jìn)而驅(qū)動熱機(jī)-發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。它能與儲熱系統(tǒng)或常規(guī)火力發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，從而實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)電，是實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)升級并助力“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)的重要途徑。太陽能聚光器是為光熱發(fā)電系統(tǒng)提供高品質(zhì)熱源的重要光學(xué)裝置，但由于其迎風(fēng)面積大和結(jié)構(gòu)質(zhì)量重，服役過程易受自重和風(fēng)載荷作用引起結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致反射鏡面的光學(xué)形面偏離原設(shè)計曲面，惡化其聚光性能和聚焦能流分布品質(zhì)，由此引發(fā)聚光熱發(fā)電系統(tǒng)的光-電轉(zhuǎn)換效率顯著下降等問題。因此，建立考慮載荷作用下聚光器鏡面變形的光學(xué)模型（即光-機(jī)集成模型），實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測其實際服役載荷下的光學(xué)性能尤其重要，能為聚光器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與服役性能評價提供基礎(chǔ)。

湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院顏健副教授一直從事太陽能聚光集熱與發(fā)電技術(shù)、太陽能高效高溫吸熱器、聚光器結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制與性能保持輕量化設(shè)計等方面的科研工作。前期開展了單體碟式機(jī)架和雙機(jī)架群體干擾的風(fēng)載荷分布及繞流特性，形成了碟式聚光系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，掌握了承載工況下碟式聚光系統(tǒng)的風(fēng)振變形時域響應(yīng)特性。他作為核心骨干成員參與完成了湘電集團(tuán)38 kW大型碟式/斯特林太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)研制工作（碟式聚光器直徑達(dá)17.7 m，XEM-Dish），全程參與了設(shè)計分析、安裝調(diào)試、實驗測試和發(fā)電運(yùn)行等階段，對載荷作用下太陽能聚光系統(tǒng)的高效光學(xué)服役運(yùn)行有著深入認(rèn)識。近年來，為了解決工程設(shè)計時載荷下聚光系統(tǒng)光學(xué)性能和能流分布快速評估，他們提出了一種普適簡單的太陽能聚光系統(tǒng)光-機(jī)集成建模方法，該方法是通過將反射鏡面離散成大量的平面微元網(wǎng)格來直接實現(xiàn)有限元力學(xué)分析和光學(xué)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一與信息集成，適用于所有的鏡面反射式太陽能聚光系統(tǒng)。本文旨在介紹這種服役載荷下太陽能聚光系統(tǒng)光學(xué)性能評估方法，并以碟式聚光系統(tǒng)為例開展相關(guān)研究與討論。

圖1太陽能碟式/斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的光-機(jī)-熱-功-電集成關(guān)系

1、鏡面光學(xué)信息與變形信息集成的平面微元替代方法

聚光器反射鏡面是實現(xiàn)太陽光能聚集的光學(xué)功能形面，其任意點的光學(xué)信息均由空間坐標(biāo)和法線矢量組成，理論而言可采用大量平面微元來逼近任意復(fù)雜曲面。如此，可將聚光器反射鏡面離散成大量的平面微元，并用這些平面微元的光學(xué)信息（位置矢量和法線矢量）去替代整個聚光器反射鏡面進(jìn)行聚光分析。這種平面微元離散既符合采用光線跟蹤方法進(jìn)行聚光器光學(xué)分析的光學(xué)離散需求，又完全符采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行聚光器結(jié)構(gòu)變形分析的離散需求，直接實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形與光學(xué)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一和集成，示意如圖2所示。以拋物碟式聚光器反射鏡面離散后任意的一個四邊形平面微元abcd(或三角形平面微元abc)為對象，記為平面微元i。服役載荷作用下聚光器結(jié)構(gòu)變形，平面微元i的節(jié)點分別運(yùn)動到點位置。此時，平面微元i的幾何形心點p1也變化到點pt位置。他們的位置矢量和微元平面法線矢量即為光學(xué)信息，然后在結(jié)合光線跟蹤方法即可建立聚光器的光學(xué)模型，具有簡單和普適的優(yōu)點。

圖2采用平面微元的光學(xué)信息和變形信息集成示意圖

2、結(jié)構(gòu)變形后接收器的位姿模型

理想情況下，在腔體接收器的接收窗中心點F1建立與接收器固結(jié)的局部坐標(biāo)系F1-x1y1z1，即局部坐標(biāo)系F1-x1y1z1隨接收器一起運(yùn)動，如圖3所示。服役載荷作用下SDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形會導(dǎo)致接收器偏離原來位置，即接收器會產(chǎn)生幾何畸變和剛體位移，但是由于接收器自身剛度很大，所以幾何畸變非常小，在光學(xué)分析中可忽略其影響。因此，可假定接收器是剛體，僅考慮給接收器的剛體位移影響。當(dāng)SDC系統(tǒng)受服役載荷作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形后，接收器的空間位姿會發(fā)生變化，相應(yīng)的與接收器固連的局部坐標(biāo)系也由F1-x1y1z1變化到Ft-x2y2z2。通過建立局部坐標(biāo)系Ft-x2y2z2與全局坐標(biāo)系O-xyz之間的轉(zhuǎn)換模型，就能確定接收器的空間位姿。

圖3碟式聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形前后接收器的位姿變化示意圖

3、太陽能聚光系統(tǒng)的光-機(jī)集成模擬流程

載荷作用下太陽能聚光系統(tǒng)的光-機(jī)集成模擬流程如圖4所示，它涉及太陽能聚光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形模擬、光-機(jī)信息集成和光學(xué)模擬等過程。主要步驟如下：

步驟1：在Ansys14.0軟件平臺建立太陽能聚光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有限元模型，施加相應(yīng)的邊界條件并求解得到聚光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形結(jié)果。

步驟2：通過編制APDL程序從Ansys 14.0軟件中導(dǎo)出聚光系統(tǒng)有限元模型中反射鏡面各平面微元節(jié)點的空間坐標(biāo)和變形信息，以及接收器固結(jié)特征點的空間坐標(biāo)和變形信息，用于后續(xù)的光學(xué)模擬。

步驟3：采用光線跟蹤方法進(jìn)行理想工況（結(jié)構(gòu)非變形）下太陽能聚光系統(tǒng)的光學(xué)模擬，用于評價本文中采用平面微元替代復(fù)雜曲面反射鏡進(jìn)行光學(xué)分析的有效性，也可對步驟1中光學(xué)分析的網(wǎng)格數(shù)量或網(wǎng)格離散尺寸的合理性進(jìn)行檢驗。

步驟4：基于建立的太陽能聚光系統(tǒng)光-機(jī)集成模型，在VC++軟件平臺編制光線跟蹤程序代碼，進(jìn)行服役載荷作用下太陽能聚光系統(tǒng)的光學(xué)模擬，得到接收器表面的能流分布和光學(xué)效率等結(jié)果。

步驟5：在Matlab軟件平臺編制相應(yīng)程序，分別計算平面微元替代曲面反射鏡產(chǎn)生的原理誤差，以及聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的光學(xué)誤差，用于詳細(xì)評估載荷作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形對反射鏡面光學(xué)性能的影響。

圖4太陽能聚光系統(tǒng)光-機(jī)集成數(shù)值模擬的流程圖

4、碟式聚光系統(tǒng)的光-機(jī)集成分析

圖5是XEM-Dish系統(tǒng)的風(fēng)荷載模擬與承載變形求解流程，首先在Gambit軟件中建立碟式聚光系統(tǒng)的流域模型，并導(dǎo)入Fluent 6.3軟件中進(jìn)行風(fēng)載荷的模擬，獲得聚光系統(tǒng)的表面風(fēng)壓載荷分布。而后，將風(fēng)壓載荷加載到有限元模型，計算聚光系統(tǒng)的承載變形分布，進(jìn)而處理得到反射鏡面的光學(xué)信息并進(jìn)行光學(xué)分析。其中，風(fēng)載荷數(shù)值模擬時采用Realizable k-ε湍流模型；B類地貌，參考高度10 m處的來流風(fēng)速為17.1 m/s，即八級風(fēng)的下限。

圖5 XEM-Dish系統(tǒng)的風(fēng)荷載與承載變形的數(shù)值計算流程

4.1 自重載荷作用

圖6是自重載荷作用下XEM-Dish系統(tǒng)的鏡面斜率偏差的均方根值隨其工作高度角的變化。SDy隨著工作高度角的增加而逐漸增大，在90°高度角達(dá)到最大值。但SDx值在0°~60°高度角下均在0.58 mrad左右。從圖7的鏡面斜率偏差值的分布統(tǒng)計可以看到，反射鏡面沿x軸方向的斜率偏差值sdx未關(guān)于0 mrad對稱分布，而是整體存在一定的偏移距離，此偏移距離與SDx值基本相等。例如，在0°高度角時，sdx基本關(guān)于-0.60 mrad對稱分布，而此工況的SDx值為0.61 mrad。由于碟式聚光器自身在重力載荷作用下的SDx值只有0.218 mrad，可以認(rèn)為增加的0.392 mrad是由其它結(jié)構(gòu)的承載變形而附加的剛體位移。此外，反射鏡面沿y軸方向的斜率偏差值sdy關(guān)于0 mrad對稱分布，以及反射鏡面的變形關(guān)于O-xz平面對稱，這些均符合理論情況。

圖6自重載荷作用下XEM-Dish系統(tǒng)中反射鏡面局部斜率偏差的均方根

圖7自重載荷作用下XEM-Dish系統(tǒng)的變形分布(左)、鏡面斜率偏差(中)及其統(tǒng)計分布

圖8是在45°和90°典型工作高度角下焦平面和吸熱器表面的聚焦能流分布，可以看到兩者的聚焦能流分布很相似，并且與理想工況也很接近。兩種工況下的系統(tǒng)光學(xué)效率分別是87.29%和87.33%。整體而言，自重載荷對XEM-Dish系統(tǒng)的光學(xué)效率和聚焦能流分布的影響非常小。主要是因為XEM-Dish系統(tǒng)機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛度富裕，產(chǎn)生的變形非常小，焦平面上聚焦光斑的中心與接收器的中心基本重合，未產(chǎn)生明顯偏焦現(xiàn)象。

圖8自重載荷作用下XEM-Dish系統(tǒng)焦平面(左)和吸熱器表面的聚焦能流分布

4.2 自重與風(fēng)載荷的聯(lián)合作用

圖9給出了自重和風(fēng)載荷聯(lián)合作用下整機(jī)模型中聚光器鏡面局部斜率偏差的均方根值。SDx與SDy均會隨著風(fēng)向角的變化而改變，在90°風(fēng)向角時SDy達(dá)到最大而SDx達(dá)到最小，因為此時碟式聚光系統(tǒng)的側(cè)面迎風(fēng)，主要產(chǎn)生沿y軸方向的變形和剛體旋轉(zhuǎn)位移。SDx值在180°風(fēng)向角時達(dá)到最大，為7.613 mrad，它要明顯大于0°風(fēng)向角的3.953 mrad。因為在聚光器背面迎風(fēng)的180°風(fēng)向角時支撐立柱和高度角跟蹤機(jī)構(gòu)所承受的傾覆力矩最大，所以聚光器產(chǎn)生了更大的剛體旋轉(zhuǎn)位移。

圖9自重與風(fēng)載荷作用下XEM-Dish系統(tǒng)鏡面局部斜率偏差的均方根。(a)0°風(fēng)向角和(b)45°高度角

圖10是自重與0°風(fēng)向角載荷聯(lián)合作用下XEM-Dish系統(tǒng)的變形和鏡面斜率偏差結(jié)果?？梢钥吹讲煌叨冉窍路瓷溏R面的變形分布和斜率偏差分布特征均不盡相同，通常變形最大的區(qū)域位于聚光器的邊緣，但斜率偏差最大的區(qū)域并非如此。例如，XEM-Dish系統(tǒng)在0-0°工況的峰值變形達(dá)到最大，是107.66 mm，它位于聚光器的頂部位置。此工況的最大鏡面斜率偏差值達(dá)到了12.02 mrad，通常位于輻射梁上方的反射鏡面，而且沿圓周方向基本對稱分布。斜率偏差分量sdx的分布與總斜率偏差值(PT_angle)的分布基本重合，說明sdx占充分的主導(dǎo)地位；而sdy均基本關(guān)于0 mrad對稱分布且數(shù)值相對較小，因為0°風(fēng)向角下碟式聚光系統(tǒng)及其風(fēng)載荷邊界均關(guān)于O-xz平面對稱，上述對稱性與理論符合。斜率偏差分量sdx占主導(dǎo)地位，是因為在自重和風(fēng)載荷的聯(lián)合作用下聚光器產(chǎn)生了更顯著的剛體旋轉(zhuǎn)位移。也就是說聚光器和支撐桁架一起產(chǎn)生了剛體運(yùn)動，此剛體運(yùn)動的主要貢獻(xiàn)來源于：其一是風(fēng)載荷作用下支撐立柱產(chǎn)生變形(表現(xiàn)為彎曲變形，相當(dāng)于懸臂梁)，導(dǎo)致安裝在其頂部的支撐桁架和聚光器等一起隨立柱頂端的變形而整體運(yùn)動；其二是高度角跟蹤機(jī)構(gòu)在傾覆力矩的作用下變形，導(dǎo)致支撐桁架和聚光器一起繞高度角跟蹤軸線產(chǎn)生剛體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖10自重與0°風(fēng)向角載荷作用下XEM-Dish系統(tǒng)的變形分布(左)、鏡面斜率偏差(中)及其統(tǒng)計分布

圖11給出了典型工況下XEM-Dish系統(tǒng)焦平面和吸熱器表面的聚焦能流分布?？梢钥吹浇蛊矫娴木劢构獍叨即嬖诓煌潭鹊钠箚栴}，即聚焦光斑的中心偏離了接收窗的中心。而且吸熱器表面的能流分布也存在不同程度的能量非均勻問題，尤其是在45°-180°工況下吸熱器表面基本只有一側(cè)能接收到太陽輻射能量，表現(xiàn)出極其的不均勻分布特征，且也導(dǎo)致了峰值能流密度的增加。這對吸熱器和斯特林熱機(jī)的運(yùn)行而言都非常不利，如果不采用任何改善措施則此工況XEM-Dish系統(tǒng)應(yīng)該停機(jī)避險。盡管在八級風(fēng)作用XEM-Dish系統(tǒng)的聚焦能流分布不盡人意，但是其光學(xué)效率和直接有用能比例均較為優(yōu)異，它們分別保持在87.0%左右和73.0%左右。從光學(xué)攔截效率來看，其中最差的0°-0°工況也能在200 mm攔截半徑下實現(xiàn)98.16%的光學(xué)攔截效率。

圖11自重和風(fēng)載荷聯(lián)合作用下XEM-Dish系統(tǒng)的焦平面(左)和吸熱器表面的能流分布

5、總結(jié)

提出的一種考慮載荷作用下碟式聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形影響的光-機(jī)集成建模方法，可以用于詳細(xì)預(yù)測和評估載荷作用下碟式聚光系統(tǒng)的光學(xué)性能和能流分布，該方法具有普適和簡單的優(yōu)點，適用于所有的鏡面反射式太陽能聚光系統(tǒng)。以XEM-Dish系統(tǒng)為研究對象，建立了XEM-Dish系統(tǒng)的光機(jī)集成模型，深入研究了XEM-Dish系統(tǒng)(整機(jī)結(jié)構(gòu))在自重、自重和風(fēng)載荷(風(fēng)速為17.1 m/s)聯(lián)合作用下的承載變形分布、鏡面斜率偏差分布和聚焦能流分布等規(guī)律，揭示了載荷作用下XEM-Dish系統(tǒng)光學(xué)性能惡化的主要形式—即類似于跟蹤誤差的偏焦現(xiàn)象。

團(tuán)隊接下來的工作：提出的光-機(jī)集成建模方法適用于采用反射鏡面進(jìn)行聚光的任何太陽能聚光系統(tǒng)，這也包括商業(yè)應(yīng)用的拋物槽式聚光器和塔式定日鏡等，團(tuán)隊正在將采用該方法詳細(xì)評估載荷作用下上述商業(yè)太陽能聚光系統(tǒng)的光學(xué)性能，并為其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

注：本文介紹的學(xué)術(shù)成果部分已經(jīng)發(fā)表，部分還處于整理發(fā)表過程。上述成果介紹僅用于學(xué)術(shù)交流，歡迎各位同仁和企業(yè)界朋友交流指導(dǎo)【如需技術(shù)交流，歡迎添加微信：yanjianZL】。論文主要作者為：顏健，彭佑多，劉永祥。

作者簡介

顏健，工學(xué)博士，湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（未來技術(shù)學(xué)院），副教授，碩士研究生導(dǎo)師。2018年畢業(yè)于湖南科技大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，湖南省優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者，“全國高校黃大年式教師團(tuán)隊”青年骨干成員，湖南省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(資源開發(fā)裝備設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊)青年骨干成員，第八屆中國研究生能源裝備創(chuàng)新設(shè)計大賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師。一直從事太陽能聚光集熱與發(fā)電技術(shù)、太陽能高效高溫吸熱器、聚光器結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制與性能保持輕量化設(shè)計等方面的科研工作。近年來，主持國家自然科學(xué)基金青年項目1項、湖南省自然科學(xué)基金青年項目1項和教育廳科研項目1項；作為科研骨干參與國家自然科學(xué)基金面上項目2項、湖南省戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)和湖南省自然科學(xué)省市聯(lián)合基金重點等省部級和企業(yè)橫向項目6項；發(fā)表太陽能聚光熱利用相關(guān)SCI/EI學(xué)術(shù)論文30余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利15項。