碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究

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1、第34卷第7期华电技术Vo1．34No．72012年7月HuadianTechnologyJu1．2012碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究厉剑梁，兰维，吕渤林(1．中国华电集团公司，北京100031；2．华电电力科学研究院，浙江杭州310030)摘要：在介绍碟式斯特林太阳能热发电系统研究进展、动态及应用前景的基础上，对碟式斯特林太阳能热发电系统进行了设计和分析。针对碟式斯特林太阳能热发电系统的整个结构，建立了典型工作状态下碟式太阳能热发电系统支撑桁架的有限元分析模型，通过分析确定了最危险的工作状态。根据分析结果，对桁架的结构提出了优化建议。

2、关键词：碟式太阳能热发电系统；斯特林发电装置；结构；仿真；载荷中图分类号：TK519文献标志码：B文章编号：1674—1951(2012)07—0068—04中，碟式系统的占比迅速攀升至18％，其价格竞争1问题的提出力也逐渐接近槽式系统。碟式太阳能热发电系统利用旋转抛物面反射镜目前，我国碟式斯特林太阳能热发电技术的研将入射阳光聚集在焦点上，通过放置在焦点处的太发尚处于起步阶段。在过去的一段时间里，许多研阳能接收器来收集较高温度的热能，加热工质，驱动究单位都进行了碟式斯特林太阳能热发电系统集成发电机组发电；或者在焦点处直接放置太阳能斯特与示范技术基

3、础理论的研究与试验，建立了相应的林发电装置发电。整个系统包括旋转抛物面反射热发电模拟系统并积累了一定的经验。我国在太阳镜、接收器、跟踪装置和蓄热系统，如图1所示。碟能热发电系统性能、工艺、材料、部件及相关技术上式太阳能热发电系统具有寿命长、效率高、灵活性强与国外相比还存在很大差距，但目前很难实现技术等特点，可以单台供电，也可以多套并联使用，非常引进，所以，需要在该系统的很多研究领域进行突适合边远山区发电。破，从而掌握核心技术。目前，国内、外对碟式斯特林太阳能热发电系统结构的仿真研究较多，但多数集中在单个部件的仿真研究上，如对太阳能碟面(聚焦器)或

4、者单独支撑柱的研究等，对整个系统在正常工况下的仿真研究相对较少，迫切需要开展该方面的仿真研究工作。本文针对碟式斯特林太阳能热发电系统的整体结构，建立了典型工作状态下碟式太阳能热发电系统支撑桁架的有限元分析模型，分析典型工作状态下受自重载荷及各种风载荷作用的支撑桁架的变形及各部件内力，确定最危险的工作状态，并根据分析结果给出桁架结构的优化建议。2建模本文采用有限元分析软件，主要分析桁架系统在载荷作用下的静、动力特性，注重其线性特性图1碟式太阳能热发电系统效果图分析。碟式太阳能发电系统桁架结构典型工况的有限“点聚光”碟式太阳能热发电系统具有能量转元模

5、型如图2所示。根据结构的几何特征及受力变换效率高、占地面积小以及对水的需求几乎为零等形形态，有限元离散模型主要由梁单元和壳单元构特点，采用这项技术的几座国外商用电站(或大型成。斯特林发电装置简化为集中载荷，凸垫采用壳实验电站)已于近几年建成。在已完成规划的项目单元来模拟其受力变形特性，其余构件(支撑前臂收稿日期：2012—04—16；修回日期：2012—05—31的横梁、拉杆和立柱等)根据其变形特点采用梁单第7期厉剑梁，等：碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究·69·元来模拟。工作，对应正压力为0．31kPa。3)桁架系统的自重。在有限元分析过

6、程中，桁架系统的自重被当作惯性力施加到模型上。(2)约束条件。整个结构通过立柱固定在地面上，因此离散模型的约束条件为立柱底部节点6个自由度指定零位移，即完全固定。整个结构中各个构件均采用螺栓连接或焊接，因此，在有限元模型中，构件之间的连接方式为刚性连接。2．5模型整个系统的有限元模型建立之后如图3所示。图2碟式太阳能发电系统桁架结构的有限元模型2．1单元类型选择根据太阳能热发电系统桁架结构各个构件的受力和变形特点，结合相关单元的特性做出如下选择：梁单元选择Beam188，壳单元选择Shell63。2．2构件截面及几何参数在碟式斯特林太阳能热发电系

7、统桁架结构中，自定义截面形状包括7种类型，见表1。2．3材料和单元实常数碟式斯特林太阳能热发电系统桁架结构采用普通的碳素钢，弹性模量为200GPa，泊松比为0．3，密图3正常工作状态下的系统有限元模型度为7．8t／m。截面的几何形状有时并不能反映单3有限元计算结果元所有的几何特性，需要定义计算所需的其他实常数。对于壳单元，单元厚度是必需的实常数之一，根完成建模后进行有限元仿真分析，得到了有关据实体模型确定壳单元的厚度为lO．00mm。整个系统结构的内力及变形结果。此时的风载荷指2．4载荷与约束条件向z轴的负方向。(1)载荷。根据正常估算，太阳能桁

8、架结构主3．1变形图要承受电动机自重和风载荷作用。模型变形图如图4所示，图4中整个桁架系统1)发电机自重。发电机质量为500kg(含发电