基于ANSYS的槽式太阳能聚光器支架结构分析

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目前 ，国内外对槽式太 阳能热发电的研究主要收稿日期：2013-03-25基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项 目(2O1OCB2271O4)；南通市 2011B产学研合作科技计划--新能源泉及其装备制造资助项目(BC2011009)《机械与电子》2O13(9)集中在传热和跟踪方面，对反射镜支撑结构的研究很少，聚光器支架是反射镜的承载机构，在设计时要尽量防止镜面破坏 和变 形。LUZ(鲁兹 )公 司生产了扭矩管式的槽式太阳能支架，Solargenix公司开发了全铝框架的槽式抛物面太阳能聚光器，9O年代末，Schlaich等人开发了新-代的槽式抛物面聚光器，聚光器安装在矩形扭矩盒式支架上。由于支架制作简单、安装维护费用减少，与扭矩管型相比重量更轻，变形减小，具有更好的强度和刚度[1]。杨谋存进行了抛物槽式聚光器结构与光学分析，模拟了支架在不同风速、不同角度下 的运行结果。中国科学院电工研究所和山东皇明太 阳能股份有限公 司，对槽式太阳能集热系统中的关键部件进行了研究，重点研究了槽式太阳能热发电系统聚光器的支撑结构，对支撑结构和镜面的承受荷载进行了受力分析 引。

桑夏太阳能槽式集热聚光器由矩形扭矩盒支架和抛物面镜片组成，聚光器是槽式太阳能热发电集热设备中的重要组成部分。抛物型反射镜面的作用是接收和反射太阳光，其接收的效率和聚光的精度主要撒于抛物型反射镜表面形状的精度 ]。然而槽式太阳能聚光器总是工作在露天环境下，必然会受到各种各样环境荷载的作用(如风载、雪载、冰雹和温度等的影响)。在荷载的作用下除了使反射镜面产生变形位移以外，还会使反射镜面和其他结构产生相应的应力，当应力过大的时候有可能使聚光器结构遭到破坏L4]。因此，聚光器要满足-定 的强度和刚度要求。聚光器支架利用液压装置进行驱动，在驱动过程中会产生振动，为了避免共振发生，对支架进行了模态分析。 · 37 。

ANSYS 分1 聚光器支架太阳能辐射采集系统由抛物面反射镜、支架、驱动跟踪装置和接收器组成。槽式太阳能的反射镜支架与反射镜接触部分，要尽量与反射镜相贴合，防止反射镜的变形和损坏，支架必须具有良好的刚度、抗疲劳能力及耐候性等，以达到长期运行的目的。支架在设计时，要尽量减少支架的重量使转动更容易，降低支架转动惯量。

槽式太阳能聚光器支架设计要求包括：截面形状要满足聚光的要求 ；有足够 的刚度和 良好的抗疲劳能力；有良好的抗风和抗腐蚀能力；有良好的运动能力 ；具有良好 的保养 、维护和运输性能 。

在 ANSYS中主要建立支架和抛物面反射镜模型，如图1所示。支架模型的建立参数主要依据桑夏太阳能公司提供的数据，支架模型的数据参数如表 1所示 。

图 1 在 ANSYS中建立的支架模型表 1 槽式太阳能支架结构参数名 称 参 数 名 称 参 数自玻厚度(ram) 5 驱动方式 液压驱动镜面大小(mm ) 1 202×1 097 开口宽度(ram) 6 009支架总长(ram) 12 150 聚光比 8O焦距(ram) 1 710 镜面间隙(ram) 82 边界条件和荷载边界条件是约束模型在某-方向上的 自由度 ，使其不发生移动或转动。在模型中，根据支架的实际特点，将支架端面-个小平面的自由度全部约束住，使其不发生移动和转动，如图 2所示。由于支架是在露天环境下工作，必然会受到各种各样环境荷载的作用。作用在抛物面反射镜上的荷载会使抛物面反射镜及其支架产生不同程度的变形 ，导致部分反射光偏离接收器，当这种变形达到-定程度时，反射光线将全部偏离接收器，从而降低了太阳能的利用率。因此，太阳能聚光器镜面应具有-定的强度，可承受自重和风力等外载荷引起的变形和应变。支· 38 ·架的开I：1是迎风面或是背风面时，支架的变形最大，此时重力的影响主要集中在下半部分。在抛物面上施加 8级风，按最高风速加载，重力方向垂直向下。

图 2 支架约束位置3 风压计算风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出风速-风压的关系5]。

风的动压为 ：P 1 000×0.5XJD×口 (1)P 为风压；p为空气密度； 为风速。

由于空气密度 p和重度r的关系为rpXg，因此，有lD r。在式(1)中使用这-关系，可得：(2)式(2)为标准风压公式。在标准状态下(气压为101 325 Pa，温度为 15。C)，空气重度 r-0.012 25kN/m。。重力加速度 g-9.8 m/s ，由此可得 ：- (3) ” 1 600根据支架的参数，求出镜面的投影面积为：S- ld (4)z为聚光器支架的总体长度；d为抛物镜面的开口宽度。则每片镜面受到的压力为：- (5)P为每片镜面受到的压力；S为投影面积；N为镜面数量，N-60。

按照8级风最高风速(20.7 m/s)，计算每片镜面受到的力(32'1.895 6 N/m )，给每片镜片施加压力荷载 〖虑到镜片是抛物线型的，施加荷载时不表 2 风速与风压 之间的关系《机械与电子)2013(9)