1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

槽式太阳能聚光器支架结构优化开题报告

1.1现代能源概况

1.1.1能源现状

能源是人类赖以生存的物质基础，是驱动机器，生产工业、生活必须品的动力源头，小到灯泡，大到航空母舰，都需要能源。但是随着经济与社会的发展，有限的能源和与日俱增的对能源的需求成为一对无法调和的矛盾。据世界能源委员会的预测，按目前已知的能源储量和消耗速度，石油将于43年后用尽，天然气会在66年后完全枯竭，而储量最为丰富的煤炭也仅够开采169年，世界能源危机日益迫近[1]，就我国而言，虽然我国拥有较为丰富的石油、天然气及煤炭等化石能源储备，其中煤炭占世界总储量的13%仅低于美国及俄罗斯，但是伴随着我国经济的高速发展，能源消耗水涨船高。据统计就我国已探明的可开发能源近可维持183.8年，其中原煤114.5年，天然气49.3年，原油更是只有20.1年[2]，能源危机将成为我国经济腾飞的瓶颈。

1.1.2太阳能介绍

日渐临近的能源危机与日益恶化的环境都强烈要求人类开发新能源。据国际能源署统计，到2030年世界能源需求将比2013年多50%，而化石燃料带来的严重的生态问题致使人类生存空间受到严峻挑战这使得寻找并开发新能源受到世界各国的重视。许多发达国家和经济体均制定可再生能源发展战略。欧盟在2007年规划到2020年，能源消耗结构中可再生能源占20%，占发电总量的30%[3]，而我国在2007年制定的《可再生能源中长期发展计划》中，要求在2020年可再生能源占发电比例的15%以上[4]。据统计，从上个世纪90年代开始，太阳能、风能发电每年涨幅超过20%，相比之下全球煤炭发电量每年仅涨1%，可见新能源具有广阔的发展前景[5]。

就我国而言，现今的能源结构以火电为主，水电为辅[6]。但火电产生温室气体，硫化物污染环境，水电破坏生态平衡如影响鱼类洄游产卵致使部分珍稀鱼类灭绝，甚至诱发地震，核电难以控制，要是稍有差错，后果不堪设想，如日本福岛核电站事故及前苏联切尔诺贝利事件，影响时间长达几个世纪。而风电的应用受气候及地理位置影响大，且不稳定。可是太阳能却有着其他能源不可比拟的优点：

1、能源储量丰富

太阳每年辐射到地球上的能量高达，相当于亿吨标准煤，而按这样的消耗速度，太阳至少能维持600亿年。

2、普遍存在于各地

因为地理和气候方面的原因，风力和水力发电受到限制，可太阳能却存在与地球大部分地区。

3、清洁、无污染

同化石燃料不同，在利用太阳能发电过程中，几乎不会引起任何环境的污染，是环境友好型能源。

4、经济性

太阳能不存在任何的私有性,任何人都可以使用;另一方面,随着社会科技的发展,太阳能发电的成本将不断下降,经济性日益显著[7~8]

1.2太阳能热发电技术介绍

太阳能热发电是利用聚光器将太阳光集中起来以达到较高温度，并利用此温度对导热介质进行加热，介质经过热交换系统加热水产生高温高压水蒸气驱动发电机组发电。太阳能热发电技术主要分为槽式、塔式和碟式三种系统[9~11]。

1.2.1塔式

塔式太阳能聚热器是在接收塔周围安装大量可追踪太阳的定日镜，将太阳光线集中于塔顶的接收器，以加热其中的工质。其聚光比可达到200~1000，最高可将工质加热到1000℃以上[12~13]。

图1.1塔式太阳能系统示意图

1.2.2碟式

碟式聚热器利用旋转抛物面的反光镜将太阳光集中于焦点处，以加工位于该处的工质，聚光比高，可达到1000~4000之间，单碟运行温度高达750℃，多碟更是达到了1500℃。蝶式集热器温度高于塔式或槽式，并且发电效率高达30%[14~18]。

1.2.3槽式

槽式聚热器利用抛物面聚光镜面将垂直抛物面开口的光线聚焦于抛物面焦线，焦线处产生高温加热安装于焦线上的集热管中的工质。聚光比在10~100之间，温度可达400℃以上[19~21]。

图1.2蝶式太阳能系统示意图

三种热发电技术比较：

《中国新能源可再生能源1999白皮书》对三种热发电技术进行了全面的比较见表1.1：

表1.1槽式、塔式与蝶式热发电技术比较

项目	槽式	塔式	蝶式
规模	30MW~320MW	5KW~25KW	10MW~25KW
运行温度	390/734	750/1382	565/1049
年容量因子	23%~50%	25%	20%~77%
峰值效率	20%	24%	23%
年净效率	11%~16%	12%~25%	7%~20%
商业化情况	已商业化	试验模型	示范
技术开发风险	低	中	高
可否储能	有限制	蓄电池	可以
互补系统设计	是	是	是
成本美元/	63~275	3100~320	475~200
美元/W	4.0~2.7	12.6~1.3	4.4~2.5
美元/峰瓦	4.0~1.3	12.6~1.1	2.4~0.9

由上表可知，虽然塔式和碟式系统聚光比高，能达到较高温度，但不易做成大规模发电系统，相反槽式太阳能集热器易做成大规模发电系统；碟式和塔式系统尚处于试验、示范阶段，而槽式系统早在90年代便已大规模投入发电，这使得槽式集热系统技术成熟，开发风险低；此外槽式系统的发电成本也大大低于其它两种；并且槽式系统容易与其它化石燃料形成混合系统发电，这样可使得系统能稳定发电，不必因为阴雨天气断电而给电网带来不便。

综上，就当今而言槽式太阳能聚热系统性能大于塔式和碟式太阳能聚热系统。

1.3槽式太阳能热发电系统简介

槽式热发电系统分为5个子系统[22]，分别是聚光集热子系统、热交换子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。其中聚光集热子系统是整个系统的能量来源；聚光装置在跟踪装置的作用下将太阳辐射能集中于集热管，加热其中工质，高温工质一部分经蓄热系统储存起来，以备夜晚和阴雨天气无法聚光发电时使用，辅助能源系统的作用和蓄热子系统作用相同，都是为了在无光条件下能持续发电，热量通过热交换子系统用于加热水，以产生高温高压水蒸气进入发电系统发电，其中发电子系统和传统火电系统差别不大，最后通过电力变换装置和交流稳定装置将发电机的点转化为高压，以实现远距离传输。

聚光器主要元件介绍

聚光器主要由四部分构成[23]，分别是：抛物面反射镜，集热管，支撑结构和驱动控制装置。

（1）抛物面反射镜：它是利用平行入射抛物面的光线经反射后将聚焦在焦线处的这个性质为工作原理，一般为玻璃镜面。

（2）集热管：集热管是一个具有光线减反层的玻璃管包围不锈钢管制成，玻璃管和钢管之间抽真空以减小热损失，它位于抛物面反射镜的焦线上，管内走集热工质，一般为水、导热油或是熔融盐。

（3）支撑结构：集热管和反射镜及其它装置均安装于支架上，它的强度、刚度影响反射镜面变形量从而直接使得聚光效率，一般为钢结构也有铝制的。

（4）驱动与控制装置：为了对太阳进行跟踪以保持较大的聚光比，集热器需安装驱动和控制装置。驱动装置有步进电机和液压式两种，控制装置一般为PLC。

槽式太阳能热发电系统的集热器如下图[24]。

图1.3槽式太阳能热发电系统的集热器

1.4国内外主要槽式发电站介绍

槽式太阳能热发电站的研究已经有40多年的历史了,发电规模从初始的千瓦级别逐渐发展到兆瓦级。目前世界上已经有一些槽式太阳能热发电站,但是真正已经运行的兆瓦级别电站数量还不太多,大概不到30座。因为槽式热发电要求高投资和高技术,很多国家仍不敢冒然建造,但是对槽式热发电的研究却一直没有停止过,主要的围绕聚光装置、集热管、跟踪控制策略以及高效的储能系统这些关键技术进行研究[25-31]。

上世纪七十年代末开始，美国、西欧、以色列和日本等国率先开始了对槽式集热系统的研究，并取得了很大的突破，据统计在1981到1991年之间，全球建造了大约20余座太阳能热电站[32]，其中绝大多数是槽式系统，槽式系统完成商业化仅仅用了5年时间。

LUZ公司于1985年~1991年七年时间在美国加州莫哈维沙漠建造了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量达354MW，是全球第一座商业化运行的槽式热电站。从1号电站到9号电站，投资成本从5976美元/kw，降为3011美元/kw。2006年美国在内达华州建造了SOLAR1号槽式热发电站，总装机容量达64MW，总共使用了20万块抛物式反光镜和超过72km的集热管[33]。2006年，建造于西班牙南部雅格拉纳达的Andasol1号和Andasol2号项目分别于2008年和2009年开始并网发电。2013年3月，全球最大的聚焦式太阳能热电站沙姆斯1号投入运营。

图1.4美国andasol-1电站

除已建成的槽式太阳能发电站外，还有许多槽式热电站在建项目。IEA在2000年发起了一项跨国合作：将在2015年建起总装机容量达5000MW，主要在埃及、南非、西班牙、摩洛哥、美国以及以色列等国，除南非以外，其他国家均采用槽式集热系统[34]。2009年7月份，欧洲8个国家组织了欧洲沙漠风暴行动，计划在沙哈拉沙漠建造一座耗资4000亿欧元的超级太阳能光热发电站[35]。2011年1月在美国亚利桑那州开始建造的Solana槽式发电站总投资20亿美元，现已建成投产发电。可见可商业化的槽式太阳能热发电系统正稳步地在全球发展壮大。

相比欧美国家，虽然近年来我国在槽式太阳能热发电领域发展较快[36~38]，但是由于我国对槽式热发电系统研究起步较晚，与欧美国家存在较大的差距。国内最早的太阳能热发电示范电站式南京玻纤院春晖公司于以色列魏兹曼研究所合作的南京江宁区70kW塔式太阳能热发电试验工程，于2005年建成并发电成功。十一五期间在国家863计划的支持下，中国科学院电工研究所等十家单位于北京八达岭开始建设1MW的塔式太阳能热发电试验项目，该电站于2010年年底实现并网发电，年发电量为270MW，相当于一个中型火电站。2011年，大唐天威在甘薯矿区建成了10MW槽式太阳能热发电示范工程，同年8月目前国内最大的规模的太阳能热发电项目内蒙古50MW槽式太阳能热发电系统开始招标并于2014年建成发电。虽然近年我国太阳能发电已取得了长足的进步，但就与国外环境比较而言国内太阳能热发电技术有待发展。

1.5国内外研究的状况

1.5.1基础理论研究状况

抛物面聚光器是继平板集热器之后发展起来的太阳能利用装置，主要用来提高单位面积内太阳辐射能量的辐射密度，开发利用的历史没有集热器长[39]。二战后法国的特朗布最早使用军用探照灯的抛物面镜制成了太阳炉，之后美国、日本、法国、阿尔及利亚等地相继建成大型的类似设备。到了70年代后期,太阳热发电理论形成，一些试验型电站开始建造，如在意大利建成的发电站，耗资近三千万美元建造的八千平米反射式聚光器。50年代美国试制了复合抛物面聚光器(CPC)，聚光比介于1一2之间，可以固定安装，不需要跟踪太阳，只需随季节稍作调整，但目前基本停用。进入90年代,随着新型材料的研制和工艺技术的提高，世界太阳能战略规划、国际太阳能公约纷纷出台，推动了全球对聚光设备的研究。目前太阳能聚光器主要分为：成像聚光器和非成像聚光器[40]。传统的成像聚光器一般用光学玻璃制造，成本高，而且有机玻璃容易老化，同时产生的像差很大，使聚光比大大降低。非成象聚光器根据光学原理分为：反射式，如圆锥反射镜、槽型抛物面、旋转抛物面、条形反射镜等；折射式，如菲涅尔透镜、透镜聚光等。非成像聚光器根据聚焦形状还分为：线聚焦和点聚焦。点聚焦和菲涅尔透镜必须采用双轴跟踪，线聚焦可以采用单轴跟踪[41]。两种聚焦系统都取得过举世瞩目的成果，特别是麦道公司研制的点聚焦一斯特林系统曾经创下了转换效率接近30%的记录。

我国不少单位在七八十年代曾对CPC进行过研制,也有少量应用，但现在基本也都已停用。从70年代直至90年代,对用于太阳能装置的菲涅耳透镜开展了研制。有人采用模压方法加工大面积的柔性透明塑料菲涅耳透镜，也有人采用组合成型刀具加工直径lsm的点聚焦菲涅耳透镜，结果都不大理想。近来，有人采用模压方法加工线性玻璃菲涅耳透镜，但精度不够，尚需提高。还有两种利用全反射原理设计的新型太阳能聚光器，一种是光导纤维聚光器，它由光导纤维透镜和与之相连的光导纤维组成，阳光通过光纤透镜聚焦后由光纤传至使用处。另一种是荧光聚光器，但都没有获得应用。

太阳能聚光装置都需要对太阳光线进行精确跟踪，这就需要对装置进行精确定位并能及时检测反馈聚光器各个时刻所处的位置和状态。传感器技术的发展使太阳能的跟踪研究进入了一个新的时代[42~45]。一般放置太阳能集热板时，朝向是固定的，无法保证太阳光始终垂直于集热板，使转换效率降低，造成所需的集热板面积增大，设备成本增加，不利于推广和应用。而传统的机械传动跟踪不能及时反馈实际所处的状态，而传感器的应用可以随时获知聚光器的位置从而降低误差并及时调整跟踪的方位,大大提高了跟踪的精度。

1.5.2国内外抛物式聚光器研究现状

国际上目前对聚光太阳能装置的研究及应用正走向实用化。美国、俄罗斯、以色列、西班牙、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试验设备方面做了大量的卓有成效的工作。国际上现有碟式聚光太阳能热发电系统共20多套，处于试验阶段,部分装置已经积累了上万小时的运行经验，己经证明了该技术的可行性。例如上世纪70年代,美国就在亚利桑那州建成了一台37千瓦的抛物柱面聚焦的太阳能热动力水泵[46]；美国和以色列联合组成的Luz国际公司在美国南加州自1985至1991年建造了9个柱形抛物槽镜分散聚光系统的太阳能热发电电站,总的装机容量为354兆瓦[47]；美国加州采用塔式、槽式太阳能聚光方式产生高温蒸汽进行兆瓦级的太阳能热发电[48]，澳大利亚国立大学可再生能源中心研制了聚光面积为400m的碟式太阳能聚光装置，产生600℃的高温蒸汽驱动斯特林发动机，单机发电量可达40至60kw[49]。

各种聚光集热器到目前还主要应用在太阳能热发电上，但是它的应用前景是十分广泛的。可以用在太阳能制冷、供暖、海水淡化等生活领域以及各种工业生产领域。

国内也有多家单位积极开展了聚光太阳能系统的研究工作。以中国科学院电工研究所为主，有中国科学院工程热物理所、皇明太阳能有限公司等单位参加的国家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》，建立了一套10kw碟式太阳能热发电试验系统。

西方国家对太阳能利用研究起步较早，可以追溯到18世纪80年代，20世纪初已开始在工业中应用。目前美国、以色列、澳大利亚、德国等国家是太阳能利用大国，也是槽式太阳能热发电技术强国。

目前，我国对槽式太阳能集热器的研究主要在集热和跟踪方面，而对支架结构的研究十分不足。

在国内，高志超[50]对抛物槽式太阳能集热器的热力性能进行了模拟和实验研究，并且提出了双极集热场的抛物槽式太阳能热发电系统，为抛物槽式太阳能集热技术和热发电系统的发展和应用提供参考。在结构设计方面也有学者进行相关的研究，但主要是集中在静力计算方面，孔祥兵[51]通过拓扑优化的方法对聚光器的支架结构进行了设计，并且运用ANSYS中的HYPERWORKS优化模块，以结构的柔度最小为目标函数，对结构进行了优化设计，在优化设计后对结构进行了静力计算分析，提出了合理的支架结构；刘英玉[52,53]对槽式太阳能聚光器结构特性进行研究，对槽式太阳能聚光器支架进行静力计算和优化设计，使支架质量更轻，变形更小，经过优化设计，降低了支架结构的扭转和弯曲程度，具有更高的聚光比和太阳辐射利用率。

1.6本文研究目的及意义

聚光器支架是太阳能采集系统的重要部件，也是反射镜与跟踪系统的承载部件。它的强度会影响整个聚光器的安全性能，而它的刚度（变形量）则会影响整个系统的稳定性及发电效率，而由于槽式太阳能热发电系统对聚光器要求数量巨大，据统计聚光器成本会占到40%以上，因此对支架结构进行优化减去不必要重量有重大意义。

1.7论文主要研究内容

本文以提高太阳能聚光装置的聚光效率，减少聚光装置质量和驱动力为目标首先将文采用模型简化，接着建立相应的有限元模型，并且分析集热器实际的受载形式，同时确定加载项目并且计算得到载荷的大小，其次对集热器进行加载并求解，最后分析得到的结果，并对集热器进行优化。最终得到优化方案，并对优化方案进行校核。

1.8本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段

在不同工作角度下的镜面变形量，以此来进行集热器装置的优化设计，解决了在提高集热器聚光效率同时减小集热器质量的问题，主要采用研究手段是使用ANSYS有限元软件模拟。

1.9本章小结

本章首先阐述了本课题的研究背景和意义,提出了本课题研究目的和必要性,介绍了槽式太阳能热发电技术以及聚光装置的研究进展,最后给出了本论文的构架和主要研究内容。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题要研究或解决的问题

在不同工作角度下的镜面变形量，以此来进行集热器装置的优化设计，解决了在提高集热器聚光效率同时减小集热器质量的问题，

主要采用研究手段是