塔式太阳能定日镜结构风荷载特性及风致响应研究

【摘要】：定日镜是一种在钢结构支撑下,可以实时进行方位角和仰角的调整,跟踪太阳的反射镜系统。定日镜群是塔式太阳热能发电站的主要设备,也是电站的主要投资部分,其造价约占整个发电站总造价的一半以上。从塔式太阳能电站建立开始,定日镜抗风问题就一直是设计中的难题,一般定日镜设计要满足在6级风作用下正常工作,在8级风作用下不受破坏的要求。在使用过程中必须保证入射到平面镜上的太阳光经反射后能始终准确地投向目标点,定日镜与目标点的位置较远,绕转动轴的微小偏移就能带来巨大的误差,影响到聚光效果。在强风作用下,定日镜还容易受到破坏,历史上已经多次发生定日镜受到风荷载破坏的实例,我国已建成的定日镜也曾多次发生过风致倾覆和结构破坏事故。太阳能发电系统往往都位于空旷平整的场地,大气流动对于镜身所产生的风力作用较大,所以对于定日镜表面风荷载及其风致响应的研究非常必要。太阳热能发电技术发展得比较成熟的国家,如美国、西班牙等都形成了符合其气候、地貌环境的抗风标准与设计方法,但对于太阳能技术起步较晚的国家来说,如何解决反射装置在一定风速下正常工作,以及在大风情况下保证设备安全还是个亟需解决的问题,目前相关的研究比较少。 本文通过理论分析、风洞试验、数值模拟等技术,针对定日镜结构进行表面风压分布、脉动特性、统计特性、流场面貌、风致响应、等效风荷载等方面的精细化研究,同时提出了具有通用性的新插值方法。主要研究成果有: (1)根据定日镜群辐射状布置,不同位置单体仰角、风向角各不相同的特点,进行多工况风洞试验,得到了定日镜结构在0°~90°仰角、0°~180°风向角范围内,共130种工况下的风压分布状况;总结了其风压分布随风向角及仰角的变化规律;计算出各工况下的阻力系数、升力系数、及风力坐标下三个方向的力矩系数;找出最不利工况,指明各工况局部风压极值及其所处位置。 (2)使用数值模拟技术,建立了典型工况下的单个定日镜CFD模型;编制相应的UDF程序,模拟出与风洞试验一致的风场入口条件;选取标准k ?ε湍流模型进行计算,模拟得到的定日镜表面风压分布与风洞结果一致。另外弥补了风洞试验中不易获取流场分布的缺陷,更深层次地解释了定日镜风压分布的成因,找出其影响因素和变化规律。通过数值模拟技术研究定日镜群流场的干扰效应。针对不同工况、不同距离、不同布置形式进行模拟,计算相关干扰因子,结合流场分布状况,深入分析各因素对定日镜表面风压的影响。 (3)对定日镜表面风压的脉动特性进行了深入研究,通过对比分析测点风压功率谱来解释其脉动特性。利用偏度、峰度等指标评价了各工况风压的统计特性,给出了不同峰值因子下的正态保证率,并对其进行了拟合优度检验,对风压的高斯特性进行判别。针对定日镜的局部非高斯特性,使用目标概率法确定其表面风压的计算峰值因子。修正了脉动风压系数估算公式,利用CFD模拟得到的镜面平均风压系数及镜面参考点风速、湍流动能等参数估算了镜面脉动风压系数,与风洞试验得到的结果进行对比。 (4)提出新的插值方法,该方法基于POD技术并借鉴地理统计学中“网格化”思想,对具有“准静态”特征的空间本征向量进行处理。引入Kriging插值方法,编制与Surfer软件接口的Matlab程序,利用Surfer软件强大的空间插值功能,对结构表面各阶本征向量进行空间插值。该方法具有较强的通用性,可广泛应用于风洞试验和现场实测中,并有进一步拓展的前景。 (5)进行了定日镜结构风振响应的时域与频域分析。实现定日镜多工况下的参数化建模,利用定日镜结构频率、振型、振型参与系数、质量参与系数等动力特性对其风振响应进行预判。通过有限元计算模型,进行动力时程分析,计算动态响应,得到不同工况下定日镜的风振系数。结合POD技术与CQC法,根据随机荷载的大部分能量集中在少数模态中,只取少数几阶模态就能够代表真实过程这一特点,在响应计算中使用占用多数能量的前若干阶时间主坐标与本征向量的组合代替原有时程数据,提高计算效率。研究时域、频域法计算得到的风振响应结果,发现定日镜风振共振响应以整体运动的前几阶模态为主,且具有良好的分离性的特征,由此论证了惯性力——LRC法对该种结构的适用性。根据分析结果研究寻找更为实用的设计方法,制定出详细的定日镜抗风设计相关参数。 【关键词】：定日镜 风洞试验 数值模拟 克里格插值 风致响应 等效风荷载
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU312.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 研究背景和意义14-18
• 1.1.1 国外塔式太阳热能发电的发展情况14-16
• 1.1.2 我国塔式太阳热能发电的发展情况16-17
• 1.1.3 定日镜结构体系17-18
• 1.2 研究历史与现状18-20
• 1.3 结构风工程研究方法20-25
• 1.3.1 现场实测方法21
• 1.3.2 风洞试验方法21-22
• 1.3.3 数值模拟方法22-24
• 1.3.4 结构风致响应计算方法24-25
• 1.4 本文的工作25-27
• 第2章 定日镜表面风压分布及流场特性27-70
• 2.1 引言27
• 2.2 刚性模型风洞试验27-33
• 2.2.1 试验设备与仪器27-28
• 2.2.2 风场的模拟28-30
• 2.2.3 试验设计30-32
• 2.2.4 数据处理32-33
• 2.3 定日镜风场数值模拟33-41
• 2.3.1 数值模拟基本理论33-36
• 2.3.2 计算域及网格设置36-39
• 2.3.3 湍流模型39-40
• 2.3.4 入口及边界条件40-41
• 2.4 定日镜表面平均风压分布41-61
• 2.4.1 风向角对风压分布的影响41-49
• 2.4.2 仰角对风压分布的影响49-52
• 2.4.3 镜面平行于地面时的风压分布与流场特性52-56
• 2.4.4 最不利工况56-61
• 2.5 定日镜间的相互干扰效应61-69
• 2.5.1 定日镜群的布置及干扰工况61-63
• 2.5.2 两定日镜径向干扰研究63-67
• 2.5.3 四定日镜辐射状布置干扰研究67-69
• 2.6 小结69-70
• 第3章 定日镜风压脉动特性与统计分析70-100
• 3.1 引言70
• 3.2 风压脉动特性分析70-80
• 3.2.1 风压功率谱计算理论70-72
• 3.2.2 风压功率谱曲线72-77
• 3.2.3 脉动风压相关性77-79
• 3.2.4 脉动风压相干性79-80
• 3.3 脉动风压概率特性80-91
• 3.3.1 判别理论81-83
• 3.3.2 定日镜表面风压高斯特性判别83-88
• 3.3.3 峰值风压88-89
• 3.3.4 目标概率法计算峰值因子89-91
• 3.4 定日镜脉动风压系数计算91-99
• 3.4.1 脉动风压系数估算公式91-95
• 3.4.2 脉动风压系数估算95-99
• 3.5 小结99-100
• 第4章 定日镜表面风压的预测100-134
• 4.1 引言100-101
• 4.2 POD 法在结构表面风压预测中的应用101-103
• 4.2.1 POD 理论101-103
• 4.2.2 利用POD 实现结构表面风压预测103
• 4.3 特征向量插值103-112
• 4.3.1 DEM 网格化103-105
• 4.3.2 空间插值方法105-107
• 4.3.3 Kriging 插值107-112
• 4.4 Matlab 与Surfer 的接口调用112-113
• 4.5 定日镜表面风压重构与预测113-129
• 4.5.1 平均风压与脉动风压系数的插值精度113-115
• 4.5.2 定日镜表面风压POD 特性115-117
• 4.5.3 定日镜表面风压的重构117-119
• 4.5.4 定日镜表面风压预测与误差分析119-129
• 4.6 低矮房屋屋面风压预测129-133
• 4.6.1 低矮房屋现场实测129-130
• 4.6.2 低矮房屋屋面风压POD 特性130
• 4.6.3 低矮房屋屋面风压预测与误差分析130-133
• 4.7 本章小结133-134
• 第5章 定日镜风致响应及等效风荷载134-169
• 5.1 引言134-135
• 5.2 风致响应时域分析方法135-137
• 5.3 脉动风压的模拟137-142
• 5.3.1 脉动风速谱137-138
• 5.3.2 AR 法模拟风压时程138-139
• 5.3.3 定日镜结构风荷载时程模拟139-141
• 5.3.4 风洞风压时程序列141-142
• 5.4 定日镜计算模型142-148
• 5.4.1 有限元模型142-143
• 5.4.2 动力特性分析143-148
• 5.5 定日镜风振系数计算148-156
• 5.5.1 风振结点位移响应148-152
• 5.5.2 结点位移谱分析152-154
• 5.5.3 风振系数154-156
• 5.6 风振响应的频域分析方法156-163
• 5.6.1 CQC 位移响应计算表达式156-158
• 5.6.2 背景响应与共振响应158-159
• 5.6.3 POD 缩阶模态计算位移响应159-160
• 5.6.4 利用缩阶CQC 法计算定日镜风振响应160-163
• 5.7 定日镜等效风荷载计算163-168
• 5.7.1 阵风因子法（GLF 法）164
• 5.7.2 惯性风荷载法（GBJ）164-165
• 5.7.3 荷载响应相关法（LRC）165
• 5.7.4 惯性力——LRC 法165-167
• 5.7.5 算例167-168
• 5.8 小结168-169
• 结论及展望169-172
• 参考文献172-180
• 致谢180-181
• 附录 A 攻读博士学位期间发表的论文181

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