大功率碟式太阳能聚光器网架静载特性有限元分析

摘要

聚光器网架是大功率碟式太阳能热发电系统的重要组成部分,它集中了整个碟式太阳能发电系统三分之二的重量;同时它又是集热镜的骨架,影响和决定着聚能器的可靠性。要使太阳能热发电系统正常工作,包括聚能器在内的钢构机架必须满足两个条件:一是在12级风下不会损坏或倒塌,即满足强度要求;二是在8级风下能够正常高效聚焦,即满足精度要求。因此,开展25KW碟式太阳能聚光器网架进行强度、精度、自振特性分析及改善设计,对碟式太阳能发电系统非常重要。
　　本文首先对聚光器网架进行了强度分析。基于聚光器网架几何模型建立了网架精细化有限元模型,分析并明确了常规工况和结构校核工况及相应参数,对聚光器网架受力特点及其风载荷进行了深入研究,得到了聚光器网架结构在常规工况和结构校核工况下相应的变形和应力云图及一系列重要结论。研究表明:在常规工作条件下,自重对网架变形有较大影响,随着网架高度角的增加,网架变形量逐渐增大,当高度角为90°时网架变形幅值达到61mm;在结构校验载荷下,聚能器网架结构满足强度要求。
　　其次对聚光器网架碟面聚焦性能进行了分析。在有限元模型的基础上,对聚光器网架在最大工作载荷作用下和存在安装误差时进行了变形分析,并用MATLAB数值计算了聚光器网架变形后的焦斑位置,得到了相应的变形云图和焦斑位置仿真图。研究表明,在最大工作载荷作用下,高度角为0°时,网架的变形均值最大,达到9mm,但变形后的焦斑位置和理想焦斑位置基本重合,即聚光器能正常工作,满足精度要求;在安装误差下,造成的角度偏转误差对焦斑位置有较大的影响,并提出了降低安装误差的方法。
　　最后对聚光器网架进行了自振特性分析和改善设计。模态分析表表明:聚光器网架结构前八阶固有频率主要集中在1.5547Hz-8.1978Hz之间,高于脉动风载荷卓越频率,不会与风载荷发生共振,但网架存在局部刚度不足的问题。为了提高局部刚度,提出了三种改善方案。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3论文主要研究内容

1.4论文篇章安排

第二章 聚光器网架有限元建模

2.1引言

2.2聚光器网架几何模型的建立

2.3聚光器网架有限元模型建立

2.4本章小节

第三章 聚光器网架强度分析

3.1引言

3.2聚光器网架强度分析理论基础

3.3风荷载计算

3.4基于ANSYS的聚光器网架强度的有限元分析

3.5本章小节

第四章 聚光器网架碟面精度分析

4.1引言

4.2聚光器网架碟面精度分析理论基础[48]

4.3最大工作载荷下的精度分析

4.4安装误差下的精度分析

4.5 提高聚光器网架精度的措施

4.6本章小节

第五章 聚光器网架自振特性分析

5.1引言

5.2 模态分析

5.3自振特性改善设计

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2论文展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间研究成果