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1、 碟式太阳能热发电系统聚光器空气 动力载荷特性研究分析 摘 要 随着社会的发展，能源和环境问题不断加剧，发展新能源技术是当今刻不容 缓所需解决的紧迫问题。太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的绿色能源，是未 来新能源的主要发展对象之一。碟式太阳能热发电技术以其高效、使用灵活等优 点日益受到市场的青睐。但外部气候条件对碟式太阳能热发电系统的安全性影响 巨大，尤其是尺寸较大呈碟状的聚光器对外部气候条件最为敏感。研究风对聚光 器的扰动作用是聚光器可靠性设计中非常关键的一步。如何探究聚光器在不同风 荷载下的气动载荷特性，以及如何获得聚光器最佳避风姿势，保证碟式太阳能热 发电系
2、统安全运转是亟待解决的难题。因此，研究碟式太阳能热发电系统聚光器 的空气动力载荷特性是非常必要的。 为此，本论文以可再生能源电力技术项目―大功率碟式太阳能热发电系统聚光 器的空气动力载荷分析与优化‖为依托，采用理论计算标准算法、数值仿真方法、 空气动力载荷理论等相结合的方法对碟式太阳能热发电系统聚光器不同风速条件 和不同方位角与高度角下的空气动力载荷特性进行相应研究，论文主要创新点和 研究工作如下： (1)采用恒风速虚拟风洞实验方法对不同姿态和不同风速下的碟式太阳能聚光 器流场进行了仿真解析，揭示了恒风速下碟式太阳能聚光器在不同方位角和高度 角流场变化规律，为不同恒风速下碟式太阳能聚光器安
3、全设计提供了理论依据。 (2)采用恒风速虚拟风洞实验方法对不同姿态和不同风速下的碟式太阳能聚光 器气动载荷进行了仿真分析，揭示了不同恒风速下不同方位角和高度角时碟式太 阳能聚光器受力和力矩的变化规律，为碟式太阳能聚光器的最佳避风姿势的确定 提供参考依据。 (3)对碟式太阳能聚光器流体域进行渐变风条件设置，并对渐变风条件下聚光 器方位角 α=0°和高度角 β=0°时流体域流速变化和碟式太阳能聚光器反射面压强变 化进行了虚拟风洞仿真实验研究，获得了渐变风下聚光器流体域流速及其反射面 压强、力以及力矩的变化规律，对碟式太阳能聚光器安全设计与稳定工作的姿势 设计具有较重要的指导意义。 关键词
4、聚光器；虚拟风洞实验；流场；载荷特性；避风姿势 Abstract With the development of society, the energy and environment problems continuously compounded. The development of new energy technology is the urgent problem needed to be solved that brook no delay. Solar energy as an inexhaustible green energy, is one of the
5、 main trend in the future development of new energy. Dish solar thermal power technology with its high efficiency and flexibility, is increasingly favored by the market. However, the impact the external climatic conditions have on the safety of dish solar thermal power system is great, especially on
6、 the condenser for its large size and dish shape. Reasearch for the effect of wind disturbance on the condenser is very critical in the reliability design. How to explore the wind loadings on dish solar concentrator, as well as to get the best sheltered position, keep the dish solar thermal power sy
7、stem safe operation is a difficult problem to be solved at first. Therefore, it's very necessary to research on the aerodynamic load characteristics of dish solar concentrator. Therefore, this paper is supported by the regenerative energy electric-technology project ―Analysis and Optimizatio
8、n on Wind Loadings on Large-Power Dish Solar Concentrator‖. Taking a combination method of theoretical calculations, numerical simulation and aerodynamic load theory to study the characteristics of aerodynamic loadings on dish solar concentrator with different azimuth
9、 & elevation angles under different winds, the innovation and research work of the paper are as follows: (1) Virtual wind tunnel experiment with constant wind was adopted to simulate and analyze the flow field of dish solar concentrator in different positions and different wind speeds. The resu
10、lts not only reveal the change law of flow field of dish solar concentrator in different azimuth angles and altitude angles under constant wind, but also provide a theoretical basis for the safety design of dish solar concentrator under different constant wind speeds. (2) Virtual wind tunnel experi
11、ment with constant wind was used to analyze the aerodynamic load on dish solar concentrator in different positions and different wind speeds. The results reveal the change law of wind forces and toques on dish solar concentrator in different azimuth angles and altitude angles under different consta
12、nt wind speeds, and provide a reference basis for the best shelter posture of dish solar concentrator. (3) Gradient wind condition in the fluid field of dish solar concertrator was set in this paper, and the fluid field velocity change and the surface pressure change of dish solar concentrator u
13、nder gradient wind were studied based on virtual wind tunnel simulation experiment when the azimuth angle was α=0° and altitude angle was β=0°. The change laws of fluid field velocity, reflecting surface pressure, force and toque of dish solar concentrator were obtained. And it is of important guidi
14、ng significance for the safety design and stable working posture design of dish solar concentrator. Key words: Concentrator; Virtual wind tunnel experiment; Flow field; Aerodynamic load characteristics; Sheltered position 目 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 I 摘 要 II Abstract III 第 1 章 绪 论 1 1.1
15、 选题背景及研究意义 1 1.2 太阳能热发电技术的发展及研究现状 2 1.3 碟式太阳能热发电系统的发展及研究现状 4 1.4 聚光器气动载荷特性研究现状 7 1.5 主要内容与论文框架 8 第 2 章 空气动力学基础理论 10 2.1 空气动力学基本分类 10 2.2 流体运动研究方法 11 2.2.1 统计物理方法 11 2.2.2 基于连续介质假设方法 12 2.3 虚拟风洞实验简介 12 2.4 Star-ccm+简介 13 2.5 数学描述 14 2.5.1 流体控制方程 14 2.5.2 固体控制方程 15 2.5.3 流固耦合方程 15 2.6
16、本章小结 16 第 3 章 恒风速下碟式太阳能聚光器流场分析 17 3.1 碟式太阳能热发电系统聚光器模型建立与参数设置 17 3.1.1 系统建模与网格划分 17 3.1.2 模型条件与求解参数设置 18 3.2 恒风速下聚光器流速分布仿真分析 20 3.2.1 恒风速下聚光器流速分布随高度角变化规律 20 3.2.2 恒风速下聚光器流速分布随方位角变化规律 23 3.3 聚光器恒风速下压强分布仿真分析 26 3.3.1 恒风速下聚光器压强分布随高度角变化规律 26 3.3.2 恒风速下聚光器压强分布随方位角变化规律 27 3.4 本章小结 29 第 4 章 不同恒
17、风速下碟式太阳能聚光器气动载荷研究 31 4.1 碟式太阳能聚光器气动载荷数学模型 31 4.2 聚光器所受风力随高度角和方位角的变化规律 32 4.3 聚光器所受风力矩随高度角和方位角的变化规律 36 4.4 本章小结 40 第 5 章 渐变风下碟式太阳能聚光器气动载荷研究 42 5.1 渐变风下聚光器仿真参数设置 42 5.2 渐变风对聚光器受力影响分析 42 5.3 风速变化率对聚光器受力影响分析 44 5.4 本章小结 47 结论与展望 48 参考文献 50 附录 A 攻读硕士学位期间发表学术论文和从事课题 54 致 谢 55 第 1 章 绪 论
18、 1.1 选题背景及研究意义 能源作为国民经济的命脉，与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会 可持续发展中起着举足轻重的作用。但是当今世界，人类面临着两大严峻的能源 问题：①矿物燃料不断消耗，储量日渐枯竭，人类急待寻求可以最终依赖的能源； ②由于大量开采使用矿物燃料，环境污染和地球大气温室效应日趋严重，日渐影 响人类自身的生存发展[1]。所以在提倡低碳能源与低碳经济的当下，为满足全球可 持续发展的能源战略要求，大力开发可再生能源日渐成为解决能源问题的主要途 径。 太阳能作为一种洁净能源，加之其储量无限，成为人类理想的替代能源，并 且得到了迅速发展[2]。太阳能热发电与传统化石燃料电
19、站相比，不会产生任何二次 污染。数据显示，太阳能热动力发电站单位发电量向环境排放的 CO2 量是常规燃 煤热力发电厂的 1/45 倍，同时也是太阳能光伏发电的 1/5 倍[3]，由此可见，太阳 能热发电系统还具有优异的减排效能。另外，每年到达地球表面上的太阳辐射能 约相当于 130 万亿吨标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。因此，充 分利用太阳能资源可以充分缓解世界能源危机，对实现全球可持续发展战略具有 深远意义。 在太阳能的几种热动力发电装置中，碟式太阳能热发电技术比槽式和塔式太 阳能热发电技术较晚，但发展较快[4]。碟式斯特林太阳能热发电具有清洁、高效（最 高热电转换效率约为 2
20、9.4%）、使用灵活（既可以作为分布式系统单独供电，也可 以并网发电）的优点，具有良好的商业化前景。近 20 年来西方发达国家纷纷加快 对这种发电方式的研究。而我国对于碟式太阳能热发电技术的研究仍处于起步阶 段，需要结合应用技术的开发，进一步加强基础理论与关键技术研究，从而不断 提高太阳能发电效率，降低发电成本，为实现能源结构多元化，提高太阳能利用 程度和水平发挥积极作用[5]。 目前，研究的方向主要集中在如下两点： ①提高系统的稳定性； ②降低系统 发电成本。聚光器尺寸较大，且处于不稳定的风场中，受外界干扰较大，对碟式 太阳能热发电系统的稳定性设计带来了很大的挑战[6-7]。为此，对各种工
21、况下的碟 式太阳能热发电系统聚光器动力学特性进行研究十分必要，这是成功开发碟式太 阳能热发电系统高可靠性聚光器的直接依据，也是太阳能热发电站设计的重要参 考依据。 本文基于空气动力学基础理论，通过数值仿真技术，建立了大功率碟式太阳 能热发电系统聚光器流场模型，运用虚拟风洞实验对风对聚光器的扰动作用进行 研究，得到聚光器在恒风速和渐变风下的气动载荷特性，并对两者进行对比，分 析风速变化率对聚光器气动载荷特性的影响，从而为聚光器的稳定性设计提供参 考依据。本项目的研究成果不但对大功率碟式太阳能热发电系统高可靠性聚光器 成功开发具有重要的理论意义和学术价值，也可为大功率碟式太阳能热发电站优 化
22、设计提供重要依据。 1.2 太阳能热发电技术的发展及研究现状 通常所谓的太阳能资源，包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能、所有矿 物燃料能、水能、风能、海洋能、潮汐能及生物质能。早先为各种太阳能低温热 利用，现今为太阳能热动力发电和太阳能光伏发电，以求解决或部分解决人类面 临的能源问题[8]。其主要目标在于集中开发太阳能热动力发电新技术，追求联合循 环并网发电，实现规模节能减排。新技术的不断发展，也为解决现有太阳能热动 力发电技术研发中所碰到的各种技术难题，提供了有力的保证。 太阳能热发电，也称为聚焦型太阳能热发电（ Concentrating Solar Power，CSP）， 利用碟
23、形或抛物形镜面的聚焦作用将太阳能的热量收集起来，通过换热装置提供 高温高压蒸汽，然后利用高温高压蒸汽推动朗肯循环汽轮机来实现发电 [9]。聚焦型 太阳能热发电主要包括槽式太阳能热发电系统、塔式太阳能热发电系统和碟式太 阳能热发电系统等形式[10]。另外，太阳能热发电系统对光热转换得到的热能储存 方式简单且成本低廉，能够较好地解决没有光照条件下的连续供电问题。20 世纪 70 年代世界石油危机爆发，一些发达国家开始重点研究太阳能热发电技术。20 世 纪 80 年代到 90 年代初，太阳能热发电技术研究进入高峰期[11]。在这之前，人类 也已经开始了太阳能热利用研究。 1878 年，法国工程师
24、在巴黎建造了一座小型太阳能热动力站，利用碟形抛物 面反射镜将阳光聚焦到置于其焦点处的蒸汽锅炉，由此产生的蒸汽驱动 1 台很小 的交互式蒸汽机运行。1882 年，法国数学家 Mouchot A.设计建造了 1 台太阳能装 置推动蒸汽机带动印刷机工作。1913 年，美国工程师在埃及开罗附近安装了功率 为 36.8kW 的太阳能蒸汽机，采用槽形抛物面反射镜，聚光比达到 4.5:1，成功从 尼罗河提水灌溉农田。1950 年，苏联设计、建造世界上第一座塔式太阳能热发电 小型实验电站。1982 年，美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电实验装置，工 作温度达 1090℃，光 电 转 换 效 率 29%，最
25、大功率为 24.6W。1994 年，澳大 利亚建造了 1 套 50kW 以水为工质的碟式太阳能热发电系统，旋转抛物反光镜面 积达 400m2，成功进行发电。2002 年，美国能源部在内华达实施了 1MW 的碟式 系统。2004 年，在 Sandia 国家实验室美国 SES 公司建造了 5 套 25kW 碟式斯特林 系统；2005 年 8 月，该公司建造了由 40 套 25kW 组成的 1MW 碟式系统。同样在 2005 年，中国工程师在南京建造了小型塔式太阳能热动力发电装置，以空气作为 集热工质，额定功率相对较低。 之后，我国在 2006 年科技部颁发实施的《国家中长期科学和技术发展规
26、划纲 要(2006-2020)》、2007 年国家发改委颁发的《可再生能源中长期发展规划》、2011 年国家能源局颁发的《国家能源科技“十二五”规划》中均把太阳能热发电明确 列为重点和优先发展方向。从“十五”开始，我国 863 计划，973 计划，攻关计划， 支撑计划，中小企业创新基金，国家自然科学基金，国家能源能力建设资金及各 省市科技计划等都对太阳能热发电给予了支持，且投入逐步加大。 6000 5000 2500 4000 2000 3000 1500 2000 1000 1000
27、0 葡 西 意 希 土 萄 班 大 腊 耳 牙 牙 利 其 500 装机总量/MW 0 摩 阿 突 洛 尔 尼 哥 及 斯 利 亚 利 埃 以 比 及 色 亚 列 约 黎 叙 旦 巴 利 嫩 亚 a)北部(总装机容量为 2025 年 12400MW) b)南部(总装机容量为 2025 年 10800MW) 图 1.1 2025 年地中海地区开发太阳能热动力发电站的市场能力 欧 洲 全世界 45000 40000 装 机容量/MW
28、 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 年份 图 1.2 全世界和欧洲太阳能热动力发电装机容量的增长趋势 由以上文献可知，太阳能热发电技术已有悠远的发展历史，但仍没有被大规 模运用实践[12]。国际能源署曾以地中海地区为例，对该地区适合发展太阳能热动 力发电技术的 14 个国家，如意大利、西班牙、埃及、阿尔及利亚等国，开发太阳 能热动力发电站的市场前景作过预测，结果示于图 1.1。根据这一预测，到 2025 年，地中海地
29、区国家太阳能热动力发电站的总装机量，可能达到 23200MW。欧盟 ECOSTAR 规划，研究了全世界和欧洲对太阳能热动力发电的市场需求，其发展趋 势如图 1.2 所示。两者研究结果大致相近。 由图 1.1~图 1.2 可知，太阳能热动力发电技术拥有广阔的发展前景，并且当太 阳能热动力发电技术被大规模使用时，将大大改善世界能源紧缺的现状。但是目 前该技术还不成熟，无法实现其商业应用。太阳能热发电站单位容量投资过大， 降低造价十分困难。实现太阳能热动力发电大规模发电应用，还需解决以下三个 主要瓶颈[13]： (1)技术瓶颈。在太阳能光热发电系统核心装备的技术水平上，中国与国外差 距较大
30、导致国内热发电的转换效率低，阻碍了热发电大规模推广运用。 (2)成本瓶颈。能够大幅度降低热发电成本是其能否实现商业化的关键，而中 国目前热发电尚处于启动期，成本高，投资效益低，导致热发电发展缓慢。 (3)政策瓶颈。太阳能热发电尚处于发展初期，成本较高，依赖于政府补贴和 政策鼓励，而中国在这方面的补贴政策尚不完善，无法提高企业投资热发电的积 极性。 所以，如何更好的解决这三大瓶颈问题将是提高太阳能利用的重点。 解决了 以上问题，世界能源问题将迎刃而解。本章就聚光器空气动力载荷特性进行研究， 为聚光器安全可靠性设计提供参考依据。 1.3 碟式太阳能热发电系统的发展及研究现状 近年来聚焦
31、式太阳能热发电技术发展迅猛，碟式太阳能热发电系统以其高效、 使用灵活等优点得到迅速发展。 旋转抛物面 斯特林发动机 跟踪机构 图 1.3 碟式太阳能斯特林发电装置结构示意图 碟式太阳能热发电系统包括聚光器、跟踪控制系统、集热器、 蓄热系统、热 电转换装置、电力变换装置和交流稳压装置等[14]，如图 1.3 所示。斯特林发动机 作为碟式太阳能热发电系统的外燃机时，具有以下 4 个固有的特点：机组工作循 环只要求加热温度，不严格要求燃料种类；小机组同样具有很高的转换效率；工 作寿命长；噪声小[15]。因此，碟式太阳能斯特林热发电系统在特殊
32、地区和军事上， 具有广泛的应用前景。 碟式太阳能热发电系统聚光器呈旋转抛物面形状，可以在其焦点处直接放置 太阳能斯特林热发电装置，将入射的太阳能通过斯特林热发电装置转化为电能以 供利用。或者在其焦点处放置太阳能接收器，通过收集较高温度的热能加热工质， 驱动发电机组发电，其工作原理如图 1.4 所示[16]。 太阳辐射 补充能源 聚光器 跟踪控制 系统 输出 接收器 热电转 换装置 电力变 换装置 交流稳 压装置 聚光器 反射光 蓄电池 储能装 置 图 1.4 碟式太阳能热发电系统工作原理 美国、俄罗斯、以色列、西班牙
33、德国、 澳大利亚、意大利等发达国家都在 碟式太阳能热发电的研制和实验设备方面做了大量的卓有成效的工作[17]。国际上 现有碟式聚光太阳能热发电系统共 20 多套，处于实验阶段，部分装置己经积累了 上万小时的运行经验，已经证明了该技术的可行性。 1985 年，Harris J. A.[18]建立了抛物面碟式太阳能聚光器和腔式接收器模型， 分析了系统的能量损失机制。结果表明，聚光器边缘角和腔的几何形状对腔功率 影响巨大，而对系统效率影响不大，对聚光器的优化有一定作用。 1999 年，Feuermann D.[19]提出太阳能聚光效率和能量输出的新概念，基于低 衰减光学纤维以及高度精确的小型抛
34、物面的优势，运用模块分析对聚光器的聚光 特性进行模拟，指出该系统模型实现高效率的可行性。 2008 年，Kumar N. S.[20]进行了针对腔式、半腔式和修改腔 3 种类型接收器的 模糊焦点碟式太阳能聚光器倾斜角在 0°~90°变化时的自然对流热损失的数值研 究，比较实验结果表明修改腔接收器更适合模糊焦点碟式太阳能集热系统。 2009 年，Reddy K.S.[21]建立了 1 种精确估算修改后的模糊焦点碟式太阳能聚 光器在不绝缘情况下空腔接收器自然对流热损失的三维数值模型，与其他普通的 模型相比，该模型可准确地评估碟式太阳能接收器的热流损失。 2012 年，Sardeshpande
35、 V.[22]基于经济学理论，建立了一个评价太阳能聚光器 应用潜力的模型，得到政府支持力度与传统燃料成本对太阳能聚光器实施潜力的 影响，该模型可帮助制定政策来促进新能源的开发利用。 与国外相比，国内对碟式太阳能热发电系统的研究虽然起步较晚，但是近几 年国内对碟式太阳能热发电系统的研究热潮日渐高涨。其中，湘潭电机厂就曾与 美国公司合作，共同设计并研制成功功率为 5kW 的碟式太阳能热动力发电装置。 另外，在国家―863‖后续能源课题《碟式聚光太阳热发电系统及关键技术研究》中， 以中国科学院电工研究所为主的多家单位也积极地参加了会议并计划建立 1 套 10kW 的碟式太阳能热发电实验系统。
36、国内也取得了许多具有代表性的研究成果。 2007 年，帅永[23]基于太阳能聚光器的光学特性，采用蒙特卡罗法对碟式抛物 面太阳能聚能器的焦面特性进行了数值模拟分析,获得在等口径和等焦距条件下, 边缘角对焦平面热流分布的影响,为碟式太阳能聚能器的设计和安装提供了参考依 据。 2009 年，张万权[24]运用蒙特卡洛方法模拟考虑接收面位置误差影响时的单碟、 双碟以及三碟贝壳形聚光器性能，得到聚光器能流密度随接收面放置方式变化而 变化的特性。 2010 年，吴贺利[25]采用 Pro-E 与 Tracepro 软件对菲涅尔聚光器的光斑能量分 布进行了光学仿真,针对分布不均匀的问题，提出采用多焦
37、点透镜结构和二次光学 镜的解决方法,并通过实验研究验证了结论的正确性。 2012 年，王云峰[26]建立了模拟仿真的聚光器几何模型，采用光线追迹法模拟 了聚光接收面上的平均能流分布特性，设计了多碟共焦聚光器，达到了运用低聚 光比聚光器组合获得高倍聚光的效果。 表 1.1 列举出了几座碟式太阳能热发电站。 表 1.1 世界太阳能碟式热发电站 名称 地点 发电功率 /kW 采光口面积 /m2 反射镜类型 工作 介质 Vanguard 美国 25 91 平面玻璃镜 氢 Mcdonnel 美国 25 91 平面玻璃镜 氢 SBP
38、 沙特 52.5 227 镀银玻璃镜与钢板结合， 张膜结构 氢 SBP 西班牙， 德国 9 44.2 镀银玻璃镜与钢板结合， 张膜结构 氢 Cummins CPC 美国 7.5 41.5 镀铝塑料薄膜，张膜结构 氢 Aisin/Miyako 日本 8.5 44 镀铝塑料薄膜，张膜结构 氢 国际上现有的碟式斯特林发电系统中，比较有代表性的包括 SAIC/STM 公司 的 SunDish 系统、SBP 公司的 Eurodish 系统、SES 公司的斯特林发电系统、WGA 公司的 ADDS 等[27]。以上 4 种
39、系统的相关性能参数见表 1.2。 表 1.2 4 种典型斯特林发电系统的性能参数对比 公司名称 参数 SAIC/STM SBP SES WGA 日照的运行小时数/h 6360 40000 25050 4000 额定功率/kW 22 10 25 9.5 峰值净输出功率/kW 22.9 8.5 25.3 11.0 峰值净效率/% 20 19 39.4 24.5 年净效率/% 14.5 15.7 24.6 18.9 年发电量/kW·h 36609 20252 48129 17353 1.4 聚光器
40、气动载荷特性研究现状 聚光是提高太阳能集热装置热温度的唯一有效方法。由于太阳辐射能量的密 度很小，为了能够达到发电所需的温度，必需用聚光器把近似平行入射的大面积 的太阳光直射辐射汇聚到 1 个很小的面积从而使该面积上的能流密度增大，温度 达到可以用于发电的程度[28]。碟式太阳能热发电系统聚光器是 1 个二维抛物面聚 焦型反射镜，是由一条抛物线绕主轴线旋转 360°所绘制出来的抛物球面，如图 1.2 所示。碟式抛物面聚光器是一种点焦式集热器，聚光比高达数百至 1000，焦点处 可产生非常高的温度，直径一般在 10m~20m 之间。 碟式太阳能热发电系统聚光器尺寸大，对外部气候条件最为敏
41、感，各项强度 指标十分关键，必须充分考虑到气动载荷在内的各项外部影响因素。聚光器的气 动载荷特性是指聚光器在气体作用下所受到的风力以及风力矩的方向、大小与其 本身的截面、形状、长度、受力等客观因素之间的关系。近几年来，国内外广大 科研工作者开始重视对聚光器气动载荷特性的研究，并取得了一定成果。 2000 年，Omer S. A.[29]运用允许角域存在光线折射作用的方法，建立了太阳 能热发电系统热性能分析模型。结果表明，除了提高聚光效率外，二阶复合抛物 面聚光器的设计也会抑制空气对流流动，优化聚光器气动载荷特性，从而提高太 阳能聚光器的总体性能。 2007 年，Naeeni N.[30]等
42、以伊朗 Shiraz 城市的一座功率为 250kW 的槽式太阳 能热发电系统为研究对象，分析不同工况下聚光器气动载荷分布特点。结果表明 吸收管对聚光器流场的影响很小，可以忽略；而聚光器中间两节抛物面接口处的 缝隙和聚光器与地面之间的距离对聚光器流场和压强分布的影响很大。 同年，文献[31]基于二维稳态风场控制方程和 k-Ô湍流模型，运用有限体积法 求解聚光器壁面函数边界条件的控制方程，采用 SIMPLE 方法进行聚光器气动载 荷迭代分析，研究了聚光器攻角、风速变化以及距离地面高度对接收器管道热传 导的影响，得到了不同流动条件下温度场和再循环场的变化情况。 2012 年，Hachich
43、a A.A.[32]基于大涡模拟建立了聚光器计算空气动力学和热传 导计算模型，得到了强风作用下聚光器所受阻力和传热系数特性，并在风洞试验 中验证了计算所得聚光器空气动力载荷系数的正确性，为聚光器的安全可靠设计 提供参考依据。 同年，Cheng Z.D.[33]基于有限体积和蒙特卡洛光线跟踪相结合的方法建立了 更加详细的抛物线聚光器三维模型，创建了应用于该模型的对应代码并提出相应 的解决方法，揭示并分析了聚光器和接收器特性，深入研究了典型导热流体类型 和残余气体条件。计算结果验证了该方法的可取性。 同年，Farid C. Christo[34]建立了与原尺寸相同的碟式太阳能聚光器三维稳态和
44、瞬态流动模型， 并推导出聚光器高度角在 0°~180°之间变化时的气动载荷分析方 程，得到聚光器只在高度角 60°和 150°时发生涡脱落的结果，并且指出防风林是降 低聚光器气动载荷的有效手段，为聚光器气动载荷特性分析以及稳定性设计提供 参考依据。 同样在 2012 年，Bo Gong[35]以坐落于北京的一座槽式太阳能热动力发电设备 为研究对象，测量并分析了聚光器周围风场特性，包括风速、风向和风压，研究 结果对聚光器分析和设计具有重要意义。 2013 年，Matthew K. Zemler[36]建立了聚光器二维湍流计算模型，研究了不同 风速时，聚光器不同方向上受到的风力以及风力矩
45、情况，为聚光器气动载荷特性 研究奠定了一定的基础。 2014 年，García E. T.[37]采用风洞试验研究了抛物面聚光器气动载荷特性，分 析了防护林栅栏孔隙和高度以及与聚光器距离的变化对聚光器抗风性的影响，验 证了随着聚光器和防风林之间距离增加以及采用合适的障碍物，都可以明显降低 聚光器受到的气动载荷的结论，为聚光器稳定性的设计提供了参考依据。 同年，Honghang Sun[38]通过考虑风场流动特性、湍流强度、雷诺数、长宽比、 孔隙度和镜像差距、孤立聚光器上的风荷载以及风对光束质量的影响，研究了风 荷载对定日镜和聚光器的影响，研究结果对定日镜和聚光器的分析与设计具
46、有深 远意义。 总体来说，近年来国内外学者对碟式太阳能热发电系统聚光器气动载荷特性 及优化设计做了大量分析。 1.5 主要内容与论文框架 风对聚光器的扰动作用是聚光器所受到的最大不确定载荷，所以聚光器空气 动力载荷特性分析与优化十分必要。目前，国内外对碟式太阳能聚光器气动载荷 特性方面的研究还比较少，需进一步完善。 本文运用 UG 软件对聚光器进行建模，基于虚拟风洞实验方法，运用 Star-ccm+ 对其进行恒风速和渐变风下流场分析，为碟式太阳能热发电系统的结构设计提供 参考依据。本文的框架如图 1.5 所示，其主要研究工作为： (1)本文采用简化的物理模型和高精度的数值算法，
47、对碟式太阳能聚光器进行 恒风速和渐变风仿真分析，获得聚光器在两种不同风力作用下的流场特点，为聚 光器流场分析提供可靠依据。 (2)通过对碟式太阳能聚光器在 v=15m/s 恒风速下的仿真结果分析，得到聚光 器流场流速和所受风压分布情况及随聚光器高度角和方位角的变化特点。 (3)通过对碟式太阳能聚光器在不同恒风速下的仿真结果分析，获得聚光器所 受风力及风力矩随聚光器高度角和方位角以及入口风速大小的变化趋势，并获得 最佳避风姿势。 第 1章 绪 论 聚 光 器 物 理 模 型 第 2章 空 气 动 力 学 基 础 理 论 总 结 和 展 望 (4)通过对碟式太阳能聚光器渐
48、变风下的数值计算，得到聚光器在渐变风下的 动力学特性，为聚光器的安全可靠设计提供参考依据。 第 3章 恒 风 速 下 碟 式 太 阳 能 聚 光 器 流 场 分 析 第 4章 不 同 恒 风 速 下 碟 式 太 阳 能 聚 光 器 气 动 载 荷 分 析 第 5章 渐 变 风 下 碟 式 太 阳 能 聚 光 器 气 动 载 荷 特 性 研 究 图 1.5 论文框架图 基于以上所述，本文内容的主线为：以分析聚光器在不同风荷载下的气动载 荷特性为研究目标，以第 2 章空气动力学理论为基础，分析第 3，4，5 章中不同 风速下聚光
49、器的流场特点及受力特点。其中第 3 章是第 4 章和第 5 章研究的重要 前提和基础，而第 4 章和第 5 章则是对比研究分析恒风速和渐变风速两种情况下 碟式太阳能聚光器气动载荷特性，为获得聚光器最佳避风姿势和确保碟式太阳能 热发电系统安全运转提供有力的理论指导。 第 2 章 空气动力学基础理论 空气动力学是流体力学的重要分支。流体力学是力学的基本原理在液体和气 体中应用的一门学科，主要研究流体平衡和运动规律以及流体与固体壁面间的作 用力。流体力学可以分为 3 部分：(1)研究流体处于平衡状态时的压力分布和固体 壁面作用的流体静力学；(2)研究不考虑流体受力和能量损失时的流体运动
50、速度和 流线的流体运动学；(3)研究流体运动过程中产生和施加在流体上的力和流体运动 速度与加速度之间关系的流体动力学[39]。近代空气动力学研究包括理论和实验两 部分。理论部分包括：跨声速空气动力学理论，稀薄气体动力学，计算流体力学 —差分方法的原理与应用，计算流体力学谱方法，流体力学的有限元方法，高速 气流传热与烧蚀热防护，多相湍流反应流体力学，高温非平衡空气绕流，湍流， 漩涡与分离流动结构的分析，风工程与工业空气动力学，飞机设计空气动力学， 发射气体动力学等。实验部分包括：风洞实验，风洞天平，风洞实验干扰与修正， 脉冲风洞，近代流动显示技术等。 2.1 空气动力学基本分类 空气动力学
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