章学俊,苏小平,王宏楠

(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211816)

槽式太阳能发电技术前景广阔,但高成本仍然是制约其发展的主要因素[1]。槽式集热器是实现槽式太阳能发电的关键,成本占了电站建设成本的50%以上。而支架又是集热器的主要部件,它直接影响着集热器的制造成本和性能。从20世纪80年代开始,一些研究机构设计了多种集热器支架型式,例如 LUZ设计的 LS1—3型,EuroTrough协会研发的扭矩盒集热器,Solargenix的SGX－1等[2]。

扭矩盒集热器是目前结构型式最优,应用最广的集热器,但质量仍还有下降的空间。对支架结构尺寸进行优化能有效降低集热器的质量。但是,聚光效率是集热器最主要的性能指标,风载会导致镜面变形,改变镜面曲率和反射光线的路径,使聚光效率下降。镜面变形严重的话还会造成反射镜的破裂,增加后期维护成本。因此,对支架进行优化的重要前提是不降低集热器的聚光效率。

本文在ANSYS中对支架在8级风下进行了静力分析,对影响集热器几何聚光比的结构参数进行了灵敏度分析,选取对集热器聚光效率不敏感的参数对支架做了轻量化设计。

1 扭矩盒集热器结构

扭矩盒集热器单元由12 m长的钢结构支架和镜面组成[3]。支架包括一个扭矩盒和多个悬臂。扭矩盒横截面为正方形,边长H为1.2 m,采用螺栓和焊接连接。悬臂对镜面起主要的支撑作用,悬臂和扭矩盒都采用等边角钢。本文忽略了集热管,由于集热管在安装过程中可以与集热器的旋转轴相连,旋转轴的刚度很大,使得集热管变形量很小。集热器结构和主要参数如图1和表1所示。

图1 扭矩盒集热器

2 支架的静力分析

2.1 支架有限元模型

在ANSYS中采用参数化方法自底向上创建支架的几何模型,由坐标参数化的关键点生成线,再由线生成面。采用shell63壳单元对镜面进行网格划分,支架部分采用beam4三维梁单元,整个模型含有5 609个节点。

镜面与支架在每个有悬臂的截面上有5个连接位置,

表1 集热器主要结构参数

采用两种耦合方式。4个位置采用节点耦合,即由于shell63单元和beam4单元节点的自由度相同,两种单元共用一个节点;1个位置采用自由度耦合。支架的角钢采用刚性连接代替焊接和螺栓连接。支架和镜面的材料属性如表2所示。

表2 集热器材料属性

2.2 支架静力分析

a)施加载荷

选取8级风为工况进行静力分析,对应的载荷为270 Pa。如图2所示,风载以静载的形式加载在镜面上,沿y轴负方向时迎风面积最大。扭矩盒一端限制了6个自由度,为了避免过约束,另一端只施加5个自由度,可以沿z方向移动。

图2 集热器有限元模型

b)计算结果处理

镜面和支架的位移、应力如图3所示。支架的最大应力和位移为100.257 MPa和5.881 mm,镜面最大应力和位移为11.5 MPa和5.878 mm。支架和镜面的安全系数n可以通过式(1)计算:

其中:δs是材料的屈服应力,δmax是指定工况下的应力。镜面和支架的安全系数分别为3.39和2.49,还有优化的空间。

镜面和支架符合静强度要求以及镜面变形对集热器性能的影响是优化过程两个重要的约束条件。后者需要定量表示,本文通过ANSYS的后处理模块来完成。将模型更新为受力变形后的几何形状,如图4所示,定义镜面同一截面上的节点为一路径,在相邻两节点之间差值5个点,计算路径上所有点的光反射路线[4]。模型中总共计算10 653个点,点的总数和节点个数是相对应的。统计出所有反射光线。

图3 (a)镜面和支架应力(b)镜面和支架位移

图4 路径定义

经过集热管的点的个数,定义几何聚光比影响系数pec来表示风载对几何聚光比的影响。

式中,nn—镜面变形后反射光线经过集热管的点的个数,

ns—点的总个数。

受8级风影响,pec仅为0.670,发电效率明显下降。

2.3 支架结构参数灵敏度度分析

ANSYS灵敏度分析是概率设计模块中的一部分,用相对值来定量地评价输入变量的变化对于输出变量的影响程度,指导优化过程选取重要参数作为设计变量[5]。选择蒙特卡洛法进行敏感度分析。

在ANSYS中提取静力分析过程的分析文件,定义支架的结构参数为服从均匀分布的随机输入变量。各结构参数之间都是独立的,不需要进行随机变量相关性分析。定义几何聚光比影响系数pec和支架质量zmass为随机输出变量。

采用蒙特卡洛法,抽样方式选取拉丁超立方进行灵敏度分析[7],结果如图5所示。在2.5%水平下,对pec影响程度较高的是sec11,zthick,H和sec12。悬臂角钢截面尺寸sec11和sec12决定了悬臂的抗弯曲性能,H决定了悬臂对镜面支撑点的位置,也影响镜面的变形。所有结构尺寸都和质量成正比,其中影响程度较大的是 sec21,sec11,sec22和 sec12。

3 支架轻量化设计

轻量化设计是在满足约束条件的情况下使结构质量最轻[8],采用通用性强的零阶优化方法。

选取H和对pec较为不敏感的参数sec21,sec22进行优化。虽然H对pec较为敏感,但与pec成反比,减小H既能不降低pec,又能减轻质量。定义镜面应力zjmax小于20 MPa,支架应力zzmax小于150 MPa以及几何聚光比影响系数不小于0.97×pec(优化前的pec值)为状态变量,以质量最轻为目标进行优化,迭代25次后得到结果如表3所示。

图5 (a)pec敏感参数(b)总质量敏感参数

表3 集热器支架优化结果

从表3可以看出,经过优化后pec并没有减小,反而从原来的0.670上升到了0.673。质量减轻了7.66%,减重效果明显。

4 优化验证

将经过优化后的结构进行10级风下的静力分析,对应的载荷为520 Pa。

优化后,如图6所示,镜面和支架的最大应力分别为20.675 MPa和206.211 MPa,安全系数分别为1.89和1.21,优化后的模型是安全可靠的。10级风下,pec仅为0.439,集热器效率很低,不适合发电。

图6 镜面和支架10级风下应力

5 结论

1)以8级风最大迎风面积为工况对扭矩盒太阳能集热器进行了结构静强度分析,支架结构过于安全,可以对其进行结构优化来减轻质量。

2)以几何聚光比影响系数和总质量为目标变量对支架结构参数进行了灵敏度分析,得出了不同结构参数对于目标变量的影响程度,为优化分析提供了依据。

3)根据灵敏度分析结果,以扭矩盒结构尺寸为设计变量进行了优化,优化后pec值并没有降低,质量减轻了90 kg,并且支架结构能抵抗10级以上的大风。

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