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)

1 问题的提出

碟式太阳能热发电系统利用旋转抛物面反射镜将入射阳光聚集在焦点上，通过放置在焦点处的太阳能接收器来收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电;或者在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置发电。整个系统包括旋转抛物面反射镜、接收器、跟踪装置和蓄热系统，如图1所示。碟式太阳能热发电系统具有寿命长、效率高、灵活性强等特点，可以单台供电，也可以多套并联使用，非常适合边远山区发电。

图1 碟式太阳能热发电系统效果图

“点聚光”碟式太阳能热发电系统具有能量转换效率高、占地面积小以及对水的需求几乎为零等特点，采用这项技术的几座国外商用电站(或大型实验电站)已于近几年建成。在已完成规划的项目中，碟式系统的占比迅速攀升至18%，其价格竞争力也逐渐接近槽式系统。

目前，我国碟式斯特林太阳能热发电技术的研发尚处于起步阶段。在过去的一段时间里，许多研究单位都进行了碟式斯特林太阳能热发电系统集成与示范技术基础理论的研究与试验，建立了相应的热发电模拟系统并积累了一定的经验。我国在太阳能热发电系统性能、工艺、材料、部件及相关技术上与国外相比还存在很大差距，但目前很难实现技术引进，所以，需要在该系统的很多研究领域进行突破，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，注重其线性特性分析。

碟式太阳能发电系统桁架结构典型工况的有限元模型如图2所示。根据结构的几何特征及受力变形形态，有限元离散模型主要由梁单元和壳单元构成。斯特林发电装置简化为集中载荷，凸垫采用壳单元来模拟其受力变形特性，其余构件(支撑前臂的横梁、拉杆和立柱等)根据其变形特点采用梁单元来模拟。

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Beam 188，壳单元选择Shell 63。

2．2 构件截面及几何参数

在碟式斯特林太阳能热发电系统桁架结构中，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，密度为7．8 t/m3。截面的几何形状有时并不能反映单元所有的几何特性，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，根据实体模型确定壳单元的厚度为10．00mm。

2．4 载荷与约束条件

(1)载荷。根据正常估算，太阳能桁架结构主要承受电动机自重和风载荷作用。

1)发电机自重。发电机质量为500kg(含发电机支架)，作为集中载荷处理，作用于支撑前臂的前端;将其载荷等分成4部分分别施加到支撑前臂前端的4个节点上。

2)风载荷。系统在80 km/h风速下能够正常工作，对应正压力为0．31 kPa。

3)桁架系统的自重。在有限元分析过程中，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3 正常工作状态下的系统有限元模型

3 有限元计算结果

完成建模后进行有限元仿真分析，得到了有关整个系统结构的内力及变形结果。此时的风载荷指向z轴的负方向。

3．1 变形图

模型变形图如图4所示，图4中整个桁架系统结构的变形可以分解成2个方向:一是沿着z轴负方向，由风载荷产生;二是沿着竖直方向的变化，由自重产生(原来的位置及变形后的位置，分别在图中进行了指示)。

表1 主要构件截面形式

图4 模型变形图

3．2 位移云图

图5显示的是整个太阳能热发电系统结构在正常工作条件下 z方向的位移，位移的大小位于［－0．010705，0］(m)区间内，整个结构 z方向的位移均小于(或等于)零;负值最大值出现在辐条系统及其附近的尾部辅助梁上。因为支撑立柱的底部固定在地面上，因此其位移为0。整个结构的位移分布近似地关于y－z平面对称。

图5 模型z方向位移云图

3．3 轴力云图

正常工作条件下，整个碟式斯特林太阳能热发电系统结构上各根梁的轴力计算分析结果如图6所示。由轴力云图可知:支撑前臂结构顶层梁承受拉力作用，底层梁承受压力作用，初步分析是由整个结构的自重及风载荷产生的。辐条系统后面的梁承受压力作用，前面的梁承受拉力作用，这样的一种内力分布形式是由风载荷产生的。从定性的角度考虑，根据相关力学知识可知该计算结果是合理的。

整个桁架结构中局部梁出现较大的拉力和压力作用，应该结合梁材料的抗拉强度、抗压强度以及截面积对梁进行校核，进而根据校核结果判断整个桁架结构中各根梁可能的破坏形式(受拉破坏和受压破坏)。

图6 模型的轴力云图

3．4 剪力云图

在正常工作条件下，整个太阳能热发电系统结构各根梁z方向剪力计算分析结果如图7所示。从图7可以看到整个结构剪力的分布特点，在对称的位置上大小近似相等(有限元计算中存在误差，因而数值并非严格意义上的相等，在相差不多的情况下可以认为相等)。

图7 模型的剪力云图

整个结构的剪力分布不均匀，部分梁的剪力较大。从分布云图上可以看到，整个结构中支撑前臂后上部的部分梁以及与凸垫连接的梁上的剪力较大，此外，支撑立柱和旋转中心轴上也承受较大的剪力作用，需根据梁的抗剪强度对梁进行校核，继而根据校核结果判断整个桁架结构中各根梁可能的破坏形式或者整个结构的安全储备。

4 结论与建议

在整个工作环境中，碟式斯特林太阳能热发电系统可能破坏部件的受力情况如下:

(1)辐条与凸垫连接的梁上可能会承受较大的拉力或压力作用。

(2)作为承重结构的支撑立柱的受力较复杂，不仅承受较大的压力作用，还要承受较大的z向剪力作用。

(3)支撑前臂后上方的梁起到连接支撑前臂、辐条系统和支撑立柱的作用，是整个结构的核心，其受力也较复杂;同支撑立柱一样，部分梁要承受较大的轴力作用。

(4)热发电系统结构中旋转中心轴的受力同样较复杂，z向剪力比较大。

(5)支撑前臂后上部与支撑面板连接的梁上承受较大的z向剪力作用，此外拉力作用也较明显。

(6)支撑前臂后上部与中间部分连接的梁上承受较大的拉力作用。

(7)支撑前臂中间部分底层的梁上承受较大的压力作用。

(8)支撑前臂与凸垫连接的梁上承受较大的z向剪力作用。

因此，建议对上述各个部件进行安全性校核:结合梁材料的抗拉(压、剪)强度及截面积对梁进行校核，继而根据校核结果判断整个桁架结构中各根梁的可能的破坏形式(受拉破坏和受压破坏)。

综上所述，通过对整个碟式系统结构的仿真计算，得到了系统结构可能的多种破坏形式，也找到了系统的多个薄弱点。这为碟式系统的结构设计提供了较有针对性的依据，同时也为碟式系统结构的优化提供了参考数据。在对多种类型碟式系统进行设计和研究时，也可以参考该仿真的方法和思路，对碟式系统的结构进行验证和设计优化。

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