風(fēng)載作用的碟式光熱系統(tǒng)吸熱器表面能流分布預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于碟式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種風(fēng)載作用的碟式 光熱系統(tǒng)吸熱器表面能流分布預(yù)測方法，用于指導(dǎo)碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)機(jī)架結(jié)構(gòu)和吸熱器腔 體的設(shè)計，以及對設(shè)計完成的碟式太陽能聚光系統(tǒng)在風(fēng)載荷作用下吸熱器腔體的能流分布 進(jìn)行預(yù)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 碟式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)是太陽能光熱高品位利用中活躍的研究方向，為了有效 實(shí)現(xiàn)太陽光能的傳輸與熱腔能流的合理分布，需要聚光器鏡面幾何具有良好的"保型"能 力，并且鏡面幾何與吸熱器要保持合理的空間位置關(guān)系，是涉及光-機(jī)-熱多場多過程的科 學(xué)問題。然而，隨著功率增大其碟式機(jī)架具有空間大尺度和大質(zhì)量等特點(diǎn)，尤其風(fēng)載引起的 機(jī)械位移場對系統(tǒng)聚光性能影響是顯著的。因此，風(fēng)載作用的碟式光熱系統(tǒng)吸熱器表面能 流分布預(yù)測方法是至關(guān)重要的。
[0003] 目前，國內(nèi)外研究的碟式聚光系統(tǒng)能流預(yù)測方法主要思路是采用光線跟蹤方法， 考慮反射鏡面形微觀誤差和視日跟蹤誤差，對焦平面的能流分布進(jìn)行預(yù)測。這在文獻(xiàn)Kent S. Jfferis. Optical Analysis of parabolic dish concentrators for solar dynamic power systems in spac[C]· NASA Technical Memorandum. 1985.以及文獻(xiàn)李瑞恒，邪玉 明，劉偉.空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)IOKW聚能器焦平面熱流分布計算.太陽能學(xué)報， 2005,26(1):116-120.中都有報導(dǎo)。預(yù)測方法均主要集中在面形微觀誤差和跟蹤誤差等 方面，僅文獻(xiàn)劉穎，戴景民，孫曉剛.拋物面型聚光器聚焦光斑能流密度分布的計算.太陽 能學(xué)報，2007, 28(10) :1049-1054.中引入了平面接收器的安裝誤差。而文獻(xiàn)顏健，彭佑 多，肖蓉，等.基于結(jié)構(gòu)特征及鏡面單元安裝誤差的碟式聚光器聚焦分析.光學(xué)技術(shù)， 2014, 40 (6): 1-8考慮了鏡面單元安裝誤差對鏡面法線向量的影響。
[0004] 綜上所述，吸熱器表面能流分布預(yù)測方法均未考慮碟式系統(tǒng)在風(fēng)載荷作用的情 況，且以往接收器也多為平面接收器。然而，大型聚光器采用多鏡面單元拼合制造，機(jī)架承 受風(fēng)載時對各反射鏡面單元的聚光影響是不一致的。并且吸熱器與鏡面單元具有共同的機(jī) 械載體一機(jī)架，其承載引起的位移場是具有空間協(xié)調(diào)性的，是要考慮二者位移聯(lián)動性的。因 此，所發(fā)明的風(fēng)載作用的碟式光熱系統(tǒng)吸熱器表面能流分布預(yù)測方法是能夠有效的用于指 導(dǎo)碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)機(jī)架結(jié)構(gòu)和吸熱器腔體的設(shè)計，以及對設(shè)計完成的碟式太陽能聚光系 統(tǒng)在風(fēng)載荷作用下吸熱器腔體的能流分布進(jìn)行預(yù)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供出一種風(fēng)載作用的碟式光熱系統(tǒng)吸熱器表面 能流分布預(yù)測方法，它能夠用于對設(shè)計的碟式太陽能聚光系統(tǒng)在風(fēng)載荷作用下吸熱器腔體 的能流分布進(jìn)行預(yù)測，以指導(dǎo)碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)機(jī)架結(jié)構(gòu)和吸熱器腔體的設(shè)計。
[0006] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0007] (1)基于機(jī)架未變形前的結(jié)構(gòu)和聚光器反射鏡面的拋物線曲面，計算聚光器各反 射鏡面的四個安裝節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)向量ApBp CpDij，下標(biāo)i為聚光器反射鏡的周向分區(qū) 編號，j為徑向分區(qū)編號；對聚光器的采光區(qū)域采用正方形域包絡(luò)，對正方形域劃分為KXM 個等面積的網(wǎng)格微元，其中：K = M，并計算各網(wǎng)格中心的空間位置向量Ptl和法線向量Nptl，且 判斷各網(wǎng)格所在的鏡面單元編號；
[0008] (2)根據(jù)用戶要求選取風(fēng)速，由計算流體力學(xué)理論或風(fēng)洞實(shí)驗得到機(jī)架結(jié)構(gòu)的風(fēng) 載荷，并根據(jù)胡克定律計算反射鏡面、吸熱器等安裝節(jié)點(diǎn)位置變形與載荷的關(guān)系：
[0009] ε = [ΚΓ1 · [P]
[0010] 式中，ε為機(jī)架結(jié)構(gòu)因受重力和風(fēng)載荷作用而偏離機(jī)架未變形前的位置的位移； [Κ]為機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；[Ρ]為載荷矩陣，由重力載荷和風(fēng)載荷組成；
[0011] (3)計算機(jī)架結(jié)構(gòu)承載變形后各反射鏡面內(nèi)各網(wǎng)格中心的空間位置向量和法線向 量，根據(jù)反射鏡面安裝節(jié)點(diǎn)的變形，由剛體運(yùn)動幾何理論得到的機(jī)架承載后反射鏡面內(nèi)各 網(wǎng)格中心位置的空間坐標(biāo)為：
[0012] P1= P0 · R1 (i, j)+Move(i, j)
[0013] 得到的各網(wǎng)格中心點(diǎn)法線向量為：
[0014] Npl= Np0 · R1 (i, j)
[0015] 式中，R1Q, j)是編號為ij的反射鏡面單元內(nèi)任意網(wǎng)格中心點(diǎn)的空間位置旋轉(zhuǎn)作 用矩陣；Move (i，j)是編號為ij的反射鏡面單元內(nèi)任意網(wǎng)格中心點(diǎn)空間位置的平移作用矩 陣；
[0016] (4)根據(jù)步驟（2)計算的吸熱器安裝位置的變形，由剛體運(yùn)動幾何理論計算吸熱 器腔體的熱管和反射錐的曲面方程，并對曲面劃分網(wǎng)格；
[0017] (5)基于太陽光錐能量模型，將反射鏡面內(nèi)各網(wǎng)格中心的太陽入射光錐進(jìn)行離散， 根據(jù)光線跟蹤理論和鏡面反射定律，計算所有太陽入射光線經(jīng)聚光器反射鏡面內(nèi)各網(wǎng)格中 心的反射光線參數(shù)方程，計算反射光線與吸熱器的熱管和反射錐曲面的有效交點(diǎn)，并確定 該交點(diǎn)所在的網(wǎng)格區(qū)域，且將光線攜帶的能量賦值給該網(wǎng)格區(qū)域；然后，統(tǒng)計吸熱器腔體曲 面各網(wǎng)格接收的總能量，并計算各網(wǎng)格區(qū)域的表面積，得到熱管和反射錐曲面的能流分布。
[0018] 上述的風(fēng)載作用的碟式光熱系統(tǒng)吸熱器表面能流分布預(yù)測方法，步驟（3)按如下 步驟順序進(jìn)行：
[0019] 1)將編號為ij的反射鏡面安裝節(jié)點(diǎn)A從理論拋物曲面上的位置平移至機(jī)架承載 變形后的位置，其空間平移矢量為e Aij。
[0020] 2)將編號為ij的反射鏡面整體繞安裝節(jié)點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)，繞A點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸向量為：
[0021]
【主權(quán)項】
1. 一種風(fēng)載作用的碟式光熱系統(tǒng)吸熱器表面能流分布預(yù)測方法，包括如下步驟： (1) 基于機(jī)架未變形前的結(jié)構(gòu)和聚光器反射鏡面的拋物線曲面，計算聚光器各反射鏡 面的四個安裝節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)向量化」3^、(^、0^，下標(biāo)1為聚光器反射鏡的周向分區(qū)編號， j為徑向分區(qū)編號；對聚光器的采光區(qū)域采用正方形域包絡(luò)，對正方形域劃分為KXM個等 面積的網(wǎng)格微元，其中：K = M，并計算各網(wǎng)格中心的空間位置向量Ptl和法線向量Nptl，且判斷 各網(wǎng)格所在的鏡面單元編號； (2) 根據(jù)用戶要求選取風(fēng)速，由計算流體力學(xué)理論或風(fēng)洞實(shí)驗得到機(jī)架結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷， 并根據(jù)胡克定律計算反射鏡面、吸熱器等安裝節(jié)點(diǎn)位置變形與載荷的關(guān)系： ε = [ΚΓ1 · [P] 式中，ε為機(jī)架結(jié)構(gòu)因受重力和風(fēng)載荷作用而偏離機(jī)架未變形前的位置的位移；[Κ] 為機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；[Ρ]為載荷矩陣，由重力載荷和風(fēng)載荷組成；（3)計算機(jī)架結(jié)構(gòu)承 載變形后各反射鏡面內(nèi)各網(wǎng)格中心的空間位置向量和法線向量，根據(jù)反射鏡面安裝節(jié)點(diǎn)的 變形，由剛體運(yùn)動幾何理論得到的機(jī)架承載后反射鏡面內(nèi)各網(wǎng)格中心位置的空間坐標(biāo)為： P1= P 〇 · R1 (i, j)+Move(i, j) 得到的各網(wǎng)格中心點(diǎn)法線向量為： Npi= Np0 · R1 (i, j) 式中，R1Q, j)是編號為ij的反射鏡面單元內(nèi)任意網(wǎng)格中心點(diǎn)的空間位置旋轉(zhuǎn)作用矩 陣；Move (i，j)是編號為ij的反射鏡面單元內(nèi)任意網(wǎng)格中心點(diǎn)空間位置的平移作用矩陣； (4) 根據(jù)步驟（2)計算的吸熱器安裝位置的變形，由剛體運(yùn)動幾何理論計算吸熱器腔 體的熱管和反射錐的曲面方程，并對曲面劃分網(wǎng)格； (5) 基于太陽光錐能量模型，將反射鏡面內(nèi)各網(wǎng)格中心的太陽入射光錐進(jìn)行離散，根據(jù) 光線跟蹤理論和鏡面反射定律，計算所有太陽入射光線經(jīng)聚光器反射鏡面內(nèi)各網(wǎng)格中心的 反射光線參數(shù)方程，計算反射光線與吸熱器的熱管和