陈健陵，陈 驹，詹 旭

（1.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643000；2.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731； 3.浙江大学，浙江 杭州 310000；4.四川轻化工大学自动化与信息工程学院，四川 自贡 643000）

1 研究背景

新疆哈密熔盐光热电站50 000 kW 级电站项目是新疆首个大型光热电站主设备的设计供货项目。大型光热发电站中通常选址在年日照率90%以上的开阔地带，安装大规模定日镜来聚光，定日镜作为光热电站的关键的设备，它通过追日算法自动调整自身的水平方位角α和竖向方位角β，以最佳姿态将太阳光反射到吸热塔上，大量镜子的反射光斑叠加后形成的高温将水加热成蒸汽，推动汽轮机做功发电，如图1所示。因此，定日镜属于精密设备，其投射精度将直接影响热电厂的发电效率，所以，对定日镜的设计制造精度应严格控制。由于定日镜处于西北沙漠开阔地区，且镜面的面积较大，因而结构设计主要受风荷载控制，但因为定日镜的姿态角要不断随太阳的方位角变化，其风荷载体形系数μs也应是姿态角α和β的变量μs（α，β）；此外，数以万计的定日镜之间，是否有明显的干涉影响，也是值得考虑和研究的问题，研究并确定定日镜的风荷载体形系数，是保证定日镜结构设计安全性和经济性的必要工作。本文通过对定日镜及镜群开展风洞试验研究并对试验数据进行了拟合分析，给出了不同姿态角下定日镜的风荷载体形系数的计算公式和适合工程设计的推荐数值，并通过结构振动模态分析和疲劳分析，获得了定日镜的疲劳寿命。

图1 定日镜场及吸热塔

2 风洞试验简介

定日镜场及吸热塔如图2所示。定日镜实物的镜面尺寸为8 m×8 m，支柱高为5 m。定日镜试验模型采用ABS 工程塑料制作，缩尺比例为1 20∶ ，如图2所示。50年一遇基本风压为0.35 kPa。研究镜场中定日镜间的相互影响时间距分别取0.5D，D，1.5D和2D，如图3所示。

图2 定日镜场及吸热塔

图3 镜场干扰效应及整体布置及测点布置

3 定日镜体型系数试验研究

3.1 定日镜体型系数随水平角α变化关系

通过单定日镜测力试验，底座六分力天平可测得的六分力系数时程数据，其中阻力系数，即定日镜体型系数按下式计算：

式（1）中：μFx为沿X轴风力的均值。

根据试验数据和式（1），可得定日镜体风荷载型系数随水平角0°～180°变化曲线，如图4所示。

图4 由测力数据得出的整体体型系数

为了进一步研究定日镜体型系数随水平角变化关系，根据典型工况下由测力数据得出的阻力系数CFx，通过数值拟合得到水平风向角为0°～180°工况下的相应计算公式。

3.1.1 竖向角0°定日镜体型系数随水平角变化关系

当竖向角为0°时，定日镜体型系数随水平角变化采用3次多项式进行拟合，得到的拟合公式为μs=2×10-6α3- 0.000 5α2+0.016 2α+1.172。

3.1.2 竖向角30°定日镜体型系数随水平角变化关系

当竖向角为30°时，定日镜体型系数随水平角变化采用3 次多项式进行拟合，得到的拟合公式为μs=2×10-4α3- 0.000 4α2+0.015 0α+1.037 9。

3.1.3 竖向角60°定日镜体型系数随水平角变化关系

当竖向角为60°时，定日镜体型系数随水平角变化采用3 次多项式进行拟合，得到的拟合公式为μs=5×10-7α3- 0.000 1α2+0.002 3α+0.559 3。

3.1.4 竖向角90°定日镜体型系数随水平角变化关系

当竖向角为90°时，定日镜体型系数随水平角变化采用3 次多项式进行拟合，得到的拟合公式为μs=6×10-8α3- 0.000 02α2+0.000 2α+0.079 6。

3.2 定日镜体型系数随竖向角β的变化关系

3.2.1 水平角0°定日镜体型系数随竖向角β变化关系

当水平角为0°时，定日镜体型系数随竖向角变化采用3次多项式进行拟合，得到的拟合公式为μs=3×10-6β3- 0.000 5β2+0.007 3β+1.222 1。

3.2.2 水平角45°定日镜体型系数随竖向角变化关系

当水平角为45°时，定日镜体型系数随竖向角变化采用3 次多项式进行拟合，得到的拟合公式为μs=4×10-6β3- 0.000 7β2+0.014 7β+1.029 4，其中μs为定日镜体型系数，β为竖向角。

3.2.3 水平角90°定日镜体型系数随竖向角变化关系

当水平角为90°时，定日镜体型系数较小，所以体型系数随竖向角变化的离散程度较大，即使采用6 次多项式拟合，得到的拟合公式为μs=2×10-11β6-5×10-9β5+5×10-7β4-2×10-5β3+0.000 2β2+0.002 1β-0.004 2，其中，μs为定日镜体型系数，β为竖向角。

3.3 定日镜体型系数、竖向角、水平角三维视图

通过单定日镜测力试验，得到竖向角0°～90°，水平角0°～180°共130 工况下定日镜体型系数。定日镜体型系数随竖向角、水平角变化关系μs（α，β）如图5所示。

图5 定日镜体型系数随竖向角、水平角变化关系图

4 结论

根据定日镜的结构特征，抗风设计是保证其安全性及经济性的重要环节。由于定日镜的镜面姿态是随镜面的水平角和竖向角变化的，其体形系数也必将是镜面水平角和竖向角的变量，因此建筑结构荷载规范GB 5009—2012 中并没有现成的体形系数可以参选，而定日镜的来流状况又难于直接模拟。鉴于以上原因，本文通过风洞试验获得测点数据并通过对测点数据进行数值分析的方法获得了定日镜的最大风荷载体形系数，通过数据拟合，获得了定镜的最大体型系数为 1.28，在镜面水平角和竖向角均为0°时取得，其他夹角坐标下均不大于此值，为定日镜的结构设计奠定了理论基础。