聚光光伏跟踪系统设计与优化

摘要

近年来,随着能源危机的逐步加深,人们把目光逐步转向了清洁无污染、储量巨大、可持续利用的太阳能资源。为了提高太阳能资源的利用效率,聚光光伏的聚光比不断提高,聚光光伏系统所接收到光线的角度范围就越小,为了更加充分地利用太阳光,聚光光伏系统必须辅以精确的太阳跟踪系统。国内外许多研究人员对太阳能跟踪系统展开了大量工作,推动了太阳能发电的不断进步,同时也取得了一定的成果。尽管如此,由于太阳能资源的特殊性,聚光光伏跟踪系统的研制虽有较大成效,但各方面技术还不成熟,有待进一步的改进以提高跟踪精度和改善跟踪结构。
　　针对当前跟踪系统的不足,本文采用初步设计与仿真相结合的方法,对聚光光伏跟踪系统进行了设计与优化,研究的内容与结果对跟踪系统的设计具有实用价值与理论指导意义。论文主要进行了聚光光伏跟踪系统的初步设计与优化,主要包括:以最小5kW聚光光伏(CPV)跟踪系统为例,进行了跟踪系统的初步动力与结构设计。
　　首先确定CPV组件的面积与布置方式;其次,跟踪相关资料确定CPV组件的风载系数,计算了相关的力与力矩,并进行了方位角跟踪机构动力设计;第三,设计了推杆式高度角跟踪机构,并对其动力进行初步设计;最后,对跟踪系统的支承结构,如CPV支承主梁和立柱进行了初步结构设计与校核。运用流体分析软件CFX对CPV组件流场进行数值仿真分析。获得了不同漏风率下的CPV组件风载系数,同时,根据计算的不同漏风率下的风载系数,结合CPV组件面积利用率对CPV组件的布置进行了优化,获得了满足实际情况的优化了的CPV组件布置形式。在流体仿真分析的基础上,计算了CPV组件的仰俯力矩和跟踪系统的回转力矩,对高度角跟踪机构进行了结构和动力优化;对对方位角跟踪机构进行了动力优化设计,使得必要转矩减小,从而可以选择更小的方位角和高度角步进电机。运用CPV组件流体仿真结果,在综合考虑风载、CPV组件支架简化、CPV组件及其支承支架自重的基础上,对跟踪系统支承结构进行优化。确定了增加拉杆并适当调节不同位置拉杆的预紧力能够很好地满足系统总转角的要求的CPV组件支架。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 课题的来源和研究的目的及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 太阳能跟踪系统

1.2.2 动力与结构优化设计

1.3.3 光伏发电成本

1.4 论文研究的主要内容及论文安排

第二章 聚光光伏跟踪系统初步设计

2.1 CPV组件面积和布置方式

2.2 CPV组件风载计算

2.2.1 风速确定

2.2.2 关键力和力矩的计算

2.3 方位角跟踪机构动力初步设计

2.4 高度角跟踪机构设计

2.4.1 推杆式仰俯机构

2.4.2 推杆式仰俯机构设计

2.5 高度角跟踪机构动力初步设计

2.6 跟踪机构支承结构初步设计与校核

2.6.1 CPV组件支承主梁的设计与校核

2.6.2 立柱圆管初步设计与校核

2.7 本章小节

第三章 CPV组件仿真及布置优化

3.1 流场仿真概述

3.1.1 计算流体力学

3.1.2 ANSYS及ANSYS Workbench简介

3.2 CPV组件流场仿真步骤

3.3 不同漏风率下的几何模型的建立

3.4 CPV组件流场仿真及结果分析

3.5 本章小结

第四章 高度角跟踪机构优化设计

4.1 推杆式仰俯机构结构参数优化

4.2 推杆式仰俯机构动力优化设计

4.3 本章小节

第五章 方位角跟踪机构动力优化设计

5.1 回转力矩的计算

5.2 方位角跟踪机构动力优化设计

5.3 本章小节

第六章 跟踪系统支承结构优化设计

6.1 CPV组件支架静力学仿真

6.1.1 风作用下支承结构转角关系分析

6.1.2 支承结构静力学仿真

6.1.3 仿真结果与分析

6.2 CPV组件支承支架优化设计

6.2.1 仿真优化步骤及方案

6.2.2 仿真优化结果及分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文