槽式太阳能热发电系统中聚光装置的结构分析与优化

【摘要】：21世纪能源短缺、资源枯竭以及环境污染等问题日益突显，寻求和开发可再生、清洁能源是解决这些问题的必经之路。太阳能作为无限、清洁的能源，是未来能源的主要发展方向。槽式太阳能热发技术是太阳能热发电的主要形式之一，但存在成本高、效率低的问题，核心部件成本的降低和关键技术的创新成为槽式太阳能热发电急需解决的问题。 本论文依托广东省教育厅高层次人才项目的部分任务，在揭示槽式太阳能热发电系统的国内外发展现状及其工作原理、系统组成和技术难点的基础上，对槽式太阳能聚光装置进行了结构有限元分析及优化，实现了提高聚光效率、降低质量的目的，有利于降低成本和驱动系统的创新设计。 全文以中科院广州能源研究所三水太阳能发电示范基地的聚光装置为研究对象，首先对聚光装置的结构组成进行了分析，建立了聚光装置的三维模型，对聚光装置的载荷进行分析，理论推导了聚光装置的风载荷计算公式。然后以该三维模型为基础对聚光装置进行了有限元模态分析，并对聚光装置的模态结果进行分析；接着对聚光装置的强度和刚度进行了静力学分析，得到了不同工作角度时聚光装置的形变和应力分布，分析了反光镜形变、应力和支架应力与工作角度之间的变化关系，确定了聚光装置工作时各性能的最不利工况，为后面的结构优化提供了数据支撑。 然后，确定了聚光装置结构的总体优化方案。对反光镜的支点位置进行了优化，确定了最佳反光镜支点位置。对聚光装置进行了结构拓扑分析，根据拓扑分析结果选择聚光装置悬臂作为优化对象，以悬臂截面尺寸为优化参数，根据可制造化原则，对悬臂进行尺寸优化，在保证聚光精度的前提下，减轻了聚光装置的结构质量，综合性能明显提高。 【关键词】：槽式太阳能热发电系统 聚光装置 模态分析 静力学分析 结构优化
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 课题研究背景及意义11-16
• 1.1.1 能源现状11-13
• 1.1.2 太阳能发电技术13-15
• 1.1.3 本课题的研究目标和意义15-16
• 1.2 槽式太阳能热发电技术的研究现状16-17
• 1.3 槽式太阳能聚光装置的研究现状17-20
• 1.4 论文主要研究内容20-21
• 1.5 本章小结21-22
• 第二章 槽式太阳能热发电系统22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 槽式太阳能热发电系统的工作原理22-23
• 2.3 槽式太阳能热发电系统组成23-30
• 2.3.1 聚光集热系统23-29
• 2.3.2 热交换系统29
• 2.3.3 发电系统29
• 2.3.4 蓄热系统29-30
• 2.3.5 辅助能源系统30
• 2.4 槽式太阳能热发电系统存在的技术问题及解决途径30-31
• 2.4.1 槽式太阳能热发电系统目前存在的技术问题30
• 2.4.2 解决途径30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 槽式聚光装置结构建模及其载荷分析32-43
• 3.1 引言32
• 3.2 槽式聚光装置的结构组成32-33
• 3.3 槽式聚光装置的模型建立33-35
• 3.3.1 建模时的简化原则33
• 3.3.2 聚光装置支架结构建模33-35
• 3.3.3 反光镜结构建模35
• 3.4 聚光装置所受载荷的分析35-41
• 3.4.1 载荷的分类35-36
• 3.4.2 风载荷的特性36-37
• 3.4.3 静态风载荷的计算推导37-41
• 3.4.4 自重41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 聚光装置的有限元模态分析43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 有限元分析理论推导43-45
• 4.3 模态分析理论基础45-47
• 4.4 聚光装置模态分析47-52
• 4.4.1 ANSYS Workbench 介绍47
• 4.4.2 聚光装置有限元模态分析前处理47-49
• 4.4.3 模态分析结果49-51
• 4.4.4 结果分析51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 聚光装置的静力学分析53-65
• 5.1 引言53
• 5.2 静力学分析原理53
• 5.3 风载荷大小的确定53-55
• 5.4 聚光装置的有限元静态分析55-64
• 5.4.1 最大工作风速下的静态分析55-63
• 5.4.2 聚光装置极限载荷下的静态分析63-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 基于最佳工作性能的聚光装置结构优化65-79
• 6.1 引言65
• 6.2 结构优化设计理论65-66
• 6.2.1 尺寸优化65-66
• 6.2.2 形状优化66
• 6.2.3 拓扑优化66
• 6.3 结构总体优化方案的确定66-67
• 6.4 反光镜支点位置的优化67-70
• 6.5 基于拓扑分析的聚光装置结构优化改进70-78
• 6.5.1 聚光装置整体拓扑分析70-72
• 6.5.2 基于拓扑分析结果的结构优化改进72-76
• 6.5.2.1 空间结构优化改进72-73
• 6.5.2.2 基于拓扑分析结果的进一步尺寸优化73-76
• 6.5.3 聚光装置优化前后的性能比较与分析76-78
• 6.6 本章小结78-79
• 结论与展望79-82
• 全文总结79-80
• 未来研究展望80-82
• 参考文献82-89
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果89-90
• 致谢90-91
• 答辩委员会对论文的评定意见91

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