碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究

第 34 卷 第 7 期 华 电 技 术 Vol ． 34 No． 72012 年 7 月 Huadian Technology Jul ．2012碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究厉剑梁 1 ， 兰维 2 ， 吕渤林 2（ 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）摘 要 在介绍碟式斯特林太阳能热发电系统研究进展 、 动态及应用前景的基础上 ， 对碟式斯特林太阳能热发电系统进行了设计和分析 。 针对碟式斯特林太阳能热发电系统的整个结构 ， 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 ， 通过分析确定了最危险的工作状态 。 根据分析结果 ， 对桁架的结构提出了优化建议 。关键词 碟式太阳能热发电系统 ； 斯特林发电装置 ； 结构 ； 仿真 ； 载荷中图分类号 TK 519 文献标志码 B 文章编号 1674 － 1951（ 2012） 07 － 0068 － 04收稿日期 2012 － 04 － 16； 修回日期 2012 － 05 － 311 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第 7 期 厉剑梁 ， 等 碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究 69表 1 主要构件截面形式序号 名称 截面形状 截面尺寸 /mm 厚度 /mm 模型标识1 辐条 方形管 30． 00 30． 00 2． 00 黄色2 辐条及辅梁 矩形管 40． 00 30． 00 2． 00 白色3 辐条辅梁 （ 尾部圆管 ） 及 6 根拉杆 圆管 30． 00 （ 外径 ） 2． 00 紫色 / 灰色4 前臂支撑 L1 － L16 方形管 50． 00 50． 00 1． 755 前臂支撑 L17 － L42 方形管 40． 00 40． 00 1． 756 支撑立柱 圆管 508． 00 （ 外径 ） 10． 007 旋转中心轴 实心圆轴 60． 00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 Beam188， 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 200 GPa， 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． 00 mm。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 ） 。 70 华 电 技 术 第 34 卷图 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图 6 模型的轴力云图架结构中各根梁可能的破坏形式 （ 受拉破坏和受压破坏 ） 。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 第 7 期 厉剑梁 ， 等 碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究 71（ 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 。参考文献 ［ 1］ Stine W B， Diver R B． A Compendiumof Solar Dish /StirlingTechnology［ R］ ． Albuquerque Sandia National Laborato-ries， 1995．［ 2］ John R Bean， Richard B Diver ．Technical Statusof the Dish /Stirling Joint Venture Program［ R］ ． Albuquerque SandiaNational Laboratories， 1995．［ 3］ Beninga Kelly J， Davenport Roger L， JohanssonStefan N．Design， Testing and CommercializationPlans for the SAIC/STM 20 kW Sub（ e） Solar Dish/Stirling System［ C］ ． Orlan-do Proceedingsof the 30th IECEC， 1995．［ 4］ Gineste J M， Flamant G， Olalde G． Incident Solar Radia-tion Data at Odeillo SolarFurnaces［ J］ ． J． Phys． IV， 1999（ 9） 623 － 628 ．［ 5］ Steffen Ulmer， Wolfgang Reinalter， Peter Heller ， et al，Beam Characterization and Improvement with a Flux Map-ping Systemfor Dish Concentrators［ J］ ． ASME J． Sol ． En-ergy Eng． ， 2002， 124（ 2） 182 － 188．［ 6］ Stine W B． Experimentally Validated Long-term Energy Pro-duction Prediction Model for Solar Dish /Stirling ElectricGeneratingSystems［ R］ ． Orlando Proceedingsof the Inters-ociety Energy Conversion Engineering Conference， 1995．［ 7］ Bean J R， R B Diver ．Performanceof the CPG7． 5 kWe DishStirling System［ R］ ． Atlanta Proceedingsof the 28th IEC-EC， 1993．［ 8］ Andraka Charles E． Alignment Strategy Optimization Meth-od for Dish Stirling Faceted Concentrators［ C］ ． LongBeach Energy Sustainability， 2007．（ 编辑 白银雷 ）作者简介 厉剑梁 （ 1981 ） ， 男 ， 浙江东阳人 ， 助理工程师 ， 从事力学分析 、 结构设计 、 有限元计算及科技管理等方面的工作（ E-mail jianliang － li chd ． com． cn欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍） 。（ 上接第 31 页 ） fcos ti （ i 1， 2， ， k － 1， k 1， ， n）也不变 ， 并记此时的目标函数值为 f*cos t 。 显然 ， 由式（ 10） 知 ， 当 k 号机组负荷下降负荷 ε 后 ， 对应目标函数值 f*cos t ＜ f*cos t， 这说明 f *cos t 不是优化问题 5 的最优值 ， 这正好与前面的假定相矛盾 。 因而 ， 优化问题 5的最优解肯定落在超平面 ∑ni 1Pi PD 上 。 这就证明了优化问题 4 与对应的负荷分配的优化问题原型 5等价 。5 结论上面定理表明 只要将优化问题 4 中的等式约束变为带不等式约束 ， 就可将 Lemke 算法直接用于求解负荷优化问题 4， 这恰恰说明上面求解优化问题假定是成立的 。参考文献 ［ 1］ 李鹏 ． 等微增率准则在机组负荷优化分配中的应用条件［ J］ ． 南方电网技术 ， 2008， 10， 2（ 5） 43 － 47．［ 2］ 谢政 ， 李建平 ， 汤泽滢 ． 非线性最优化 ［ M］ ． 长沙 国防科技大学出版社 ， 2003 ．［ 3］ 汪军 ， 徐治皋 ． 机组负荷分配优化模型的神经网络计算［ J］ ． 汽轮机技术 ， 1998， 40（ 3） 153 － 156 ．（ 编辑 王书平 ）作者简介 钟浩浩 （ 1968 ） ， 男 ， 广东梅州人 ， 工程师 ， 从事火力发电厂热控设备管理及维护方面的工作 （ E-mail zhonghaohaogdyd． com） 。第 7 期 Abstracts 81operation mode of the extra long non-cooled gas temperatureprobe were introduced ．The reasonsof faults occurred in opera-tion were analyzed， and relevant treatment measureswere given ．Key words ultra supercritical unit； double tangentialcircle boil-er； non-cooled gastemperatureprobe； induced voltage； relay12 － 07 － 62 Analysis on energy- saving effect ofvariable frequency technology for draught fans ofthermal power plants and operational measuresWANG Shaoping（ PanzhihuaBranch of Huadian Sichuan PowerGenerationCorporation Limited， Panzhihua617065， China）Abstract Using the variable frequency technology， the drivingsystemsof the draught fans of two 150 MW CFB boilers in Pan-zhihuaBranch of Huadian Sichuan Power GenerationCorporationLimited were reformed ． Based on comparative analysis on theenergyconsumption indexesof the fans before and after the refor-mation， the technical measuresof energy-savingreformation wereput forward ． So the service powerconsumptionrate was reducedeffectively， and the economic benefit was improved ．Key words powerplant； variable frequency technology； servicepowerconsumption rate； reformation； energy-saving； measure12 － 07 － 65 Design of afterheat utilization systemof boiler flue gasMENG Fanqiang （ China Huadian Engineering CorporationLimited， Beijing 100035， China）Abstract To use the flue gasafterheat of thermal powerplant ra-tionally is an important measurefor energy conservationand canincrease the unit efficiency and decreasethe coal consumption ．Combining with an actual boiler flue gas afterheatutilization pro-ject of a power plant， the design of the systemwas expounded，which provides reference for related power plants in their boilerflue gas afterheat utilization projects ．Key words flue gas afterheat utilization； energy conservation；design12 － 07 － 68 Simulation and study on structure ofdish stirling solar thermal power generating systemLI Jianliang 1 ， LAN Wei 2， L Bolin 2 （ 1． China Huadian Cor-poration， Beijing 100031， China； 2． China Huadian ElectricResearchInstitute， Hangzhou310030， China）Abstract The study progress， the tendency and the applicationprospect of the dish stirling solar thermal power generation sys-tem were introduced ．Basedon this， the dish stirling solar ther-mal powergenerationsystemwas designedand analyzed ．Aimingat the whole structure of the dish stirling solar thermal powergenerationsystem， the finite element analysis model of support-ing girder of the dish solar thermal power generationsystem un-der typical operationcondition was established； based on analy-sis， the most dangerworking condition was determined ．Accord-ing to the analysis results， a suggestionof girder structure opti-mization wasput forward ．Key words dish type solar thermal power generating system；stirling power generationdevice； structure； simulation； load12 － 07 － 72 Selection and calculation of heat stor-age material for solar thermal power generationYU Xiuyan （ China Huadian Engineering Corporation Limited，Beijing 100035， China）Abstract The selection of heat storage material for dish-styleand tower type solar thermal powergeneration systemsusing theair as heat carrier was expounded ． The purpose is to determinethe kind and structure of the heat storagematerial initially and toaccomplish the preliminary screeningof the heat storagematerialby calculation and analysis ．The heat exchangingcharacteristicsand the resistance characteristics of two heat storagematerials，the ceramic ball and the honeycombceramic material， were cal-culated， compared and analyzed in detail； and it was provedtheoretically that to use the honeycombceramic material as theheat storagematerial is proper ．Key words new energy utilization； solar photo-thermal powergeneration； heat reservoir； selection of heat storage material；欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍氥氥氥氥honeycombceramic material中英文摘要编写要求（ 1） 应按照摘要编写的 4 个要素 （ 论文的目的 、 方法 、 结果 、 结论 ） 进行编写 。 目的 研究 、 研制 、 调查等的前提 、 目的 、所涉及的主题范围 。 方法 所用的原理 、 理论 、 条件 、 对象 、 材料 、 工艺 、 结构 、 手段 、 装备 、 程序等 。 结果 实验 、 研究的结果 、 数据 ， 被确定的关系 ， 观察得到的效果 、 性能等 。 结论 结果的分析 、 研究 、 比较 、 应用 ， 提出的问题等 。（ 2） 摘要编写应内容充实 ， 中文摘要一般为 150 ～ 250 字 ， 英文摘要应为 150 个单词左右 。（ 3） 摘要应尽可能取消或减少课题研究的背景信息 ； 出现的数据应是最重要 、 最关键的数据 ； 缩略语 、 略称 、 代号等 ，除了相邻专业的读者也能清楚理解以外 ， 在首次出现时必须写出中 、 英文全称 ； 不得简单重复题名中已有的信息 ； 除了实在无法变通以外 ， 一般不列数学公式 ， 不出现插图 、 表格 ； 不用引文 ， 除非该文献证实或否定了他人已出版的著作 。（ 4） 摘要编写用第三人称 。 建议采用 “ 对 进行了研究 ” 、 “ 报告了 现状 ” 、 “ 进行了 调查 ” 等记述方法标明一次文献的性质和文献主题 ， 不必使用 “ 本文 ” 、 “ 作者 ” 等作为主语 。