1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.1 研究背景及意义

当下能源短缺和环境污染等问题已严重影响人们的生活并制约社会的发展，开发环保清洁，成本低廉和适应广泛的可再生能源来替代传统的能源，实现能源的多样化和可持续发展亟待解决。常用的新能源主要包括太阳能、地热能、海洋能、风能、生物能等。其中太阳能因具有洁净安全，储量丰富，获取周期短，再生速度快，地域限制小等绿色能源的优点，在近几十年得到了迅速发展。图1.1给出了《2015年全球可再生能源全球现状报告》从2004年到2014年全球太阳能发电量增长情况，其中2014年达到177千兆瓦。

图1.1 2004#8212;2014全球太阳能发电量

图1.2 2014年发展中国家和发达国家对可再生能源技术的新增投资额

从图1.2可以看出，2014年发展中国家和发达国家在可再生能源技术的新增投资额上，太阳能技术方面新增投资额最多，较2013年增涨25%，达到1500亿美元。因此，采用太阳能进行大规模集中式发电，不仅对我国电力的可持续发展和改变以煤为主的发电结构将发挥重大作用，也是电力工业实现可持续发展的重要能源基础。然而，太阳能所具有的低密度、间歇性、空间分布不断变化的特点也给太阳热能的收集和利用提出了很高的要求。经过一些发达国家的持续研究，目前已经开发出多种形式的太阳热能发电系统，单机容量从千瓦级发展到兆瓦级。按集热器类型的不同，聚光式太阳热能发电系统（STPGS，Solar Thermal Power Generation System)可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统^[1]三大类。

槽式太阳能热发电技术是最早实现商业化运营的太阳能热发电技术，相对于另外两种发电系统，它具有技术成熟、发电成本低和容易与石化燃料形成混合发电的优点，可实现大规模的并网发电。世界上许多国家对槽式太阳能热发电技术的研发投入也远远超过其他两种聚焦式太阳能热发电技术。但是槽式系统散热面积大，输热管道比较复杂，因而热损失较大，系统效率较低，因此某种程度上限制了槽式太阳能热发电技术的发展。本课题将以槽式太阳能热发电系统作为对象展开研究工作。

1.2 槽式太阳能热发电技术研究现状

槽式太阳能热发电系统主要由槽式太阳能聚光器矩阵、蒸汽发生装置、汽轮机、发电系统组成，并可辅以蓄热器和常规能源补给系统。如图 1-3 所示，槽式太阳能聚光器阵列由大量的槽式抛物面聚光器构成，单个聚光器则由槽式抛物反光镜面和真空吸热管组成，聚光器采用单轴跟踪方式追踪太阳运动轨迹，槽式抛物反光镜将入射的直接太阳辐射反射到安装在抛物面焦线上的吸热管上^[2]。但是在太阳能直射辐射不好的天气或没有太阳的夜里，要想实现槽式太阳能热发电系统不间断供电就必须采用蓄热系统或者常规能源系统加以能源补给^[3]。

图1-3 槽式太阳能系统实物图

1.2.1 国外研究现状

20世纪80年代初，以色列和美国联合组建的LUZ公司在美国加利福尼亚州 Mojave Desert陆续兴建的九座槽式太阳能热发电站最具代表性和影响力。这九座电站的装机总容量已达到 354MW，总的占地面积已超过7km，全年并网的发电量在8#215;10k Wh以上，其光电转化效率已达到15%^[4]。LUZ 电站采用导热油作为吸热管里的循环工质，在正常运行的情况下，导热油在槽式聚光阵列出口的温度被设定，并以该温度进入一系列换热器作为热源，加热水至水蒸汽推动汽轮机做功。这九座电站分别建于1984年至1991年之间，装机容量分别在14 MW至80MW之间，它们也成为了世界许多国家研究槽式太阳能热发电技术的模型和样例。

近些年来，由于世界能源匮乏和环境日益破坏，许多发达国家又投入了大量

财力和人力研究开发槽式太阳能热发电技术，这项技术也成了国际上的投资热

点。西班牙Acciona Energia 公司于2007年在美国内华达州建成了一座64MW的槽式太阳能热发电站（Nevada Solar One）。该太阳能电站总体占地面积1,214,058 m，项目总投资达到了2.66亿美元，预计全年的发电量为1.34亿千瓦时^[5]。2008年西班牙在安达路西亚的Guadix附近建成了Andasol槽式能热发电站，这也是欧洲第一座槽式热发电站。Andasol电站拥有储热系统，它能储存白天产生的热量在晚上供发电使用，储热介质是熔融盐。由于Andasol电站仍是采用导热油作为载热介质，这也限定了储热温度必须低于390℃。Andasol 1 产生的电量可以供20多万人使用^[6]。2010年7月，一座5MW的Archimede ENEA槽式电站在意大利西西里岛的Priolo Gargallo落成。电站采用熔融盐作为循环工质和储热介质，而且使用的是世界上较为先进的ENEA太阳能聚光器，这种聚光器的光学性能明显优于LS-2和LS-3型太阳能聚光器，可以使槽式聚光器阵列吸热管出口的工作介质达到550℃高温。由于熔融盐也具有较高的工作温度，这样就大大提高了汽轮机进口蒸汽的温度，进一步提高了郎肯循环的循环效率。槽式太阳能热发电技术的商业化运营充分表明此项技术是较为成熟可行的。然而槽式光学聚光器和相应精准的跟踪装置都比较昂贵直接导致了单位电力容量投资太大，和常规能源发电技术相比电力成本过高、经济性较差，这也是制约槽式太阳能热发电技术大规模应用的瓶颈之一。另外，聚光器支撑结构是整个太阳能发电系统的主要承载部件，其结构强度会影响整个结构的安全性能，而结构刚度则会影响整个系统的稳定性及发电效率。因此需要提高支架结构的强度和刚度，减轻结构重量。为了更好的降低槽式太阳能热发电站的成本，使其具备和传统能源发电技术的竞争性，世界许多国家的学者纷纷投入到槽式太阳能热发电技术研究中。

1.2.1.1 槽式太阳能传热系统的研究

Clark讨论了影响槽式太阳能集热器热学性能和经济效益的设计和制造方面的因素，他釆用了零维稳态模型和典型气象年的输入数据估计了每年的能量收益，并探讨了太阳能传热是否与以化石燃料为基础的能源技术具有竞争性^[7]。

Lippke等人使用了基于集热器效率经验式的零维稳态传热模型提出了典型的30MW的太阳能集热系统的部分负载模型，结果得出，30MW的太阳能集热系统，集热器循环功率为1.54MW^[8]。

Patnode提出了综合的太阳能集热系统的似稳态模型，其中包括应用了线性回归热损方程的零维槽式集热模型。并且分析了影响槽式系统集热器集热效率的光学因素和大小，并且将这些影响因素数值化为影响系数并整合到光学效率的计算表达式中，主要包括集热元件的光学损失（主要包括玻璃外壳和接收器的清洁度，接收器选择性吸收涂层的吸收率，密封头损失等）和反射镜的损失（主要包括反射镜的清洁度和反射率，追踪误差和几何精度等），反映了系统光学损失发生的位置及影响程度^[9]。

R.Forristall等人在综合考虑集热效率管内工质流动状态、真空区域气体影响、支撑结构散热、风速和太阳福射强度等影响因素的基础上建立了真空集热管集热单元的热量传递模型，并且沿纵向将集热器分解为若干微元，假定每个微元段的温度是固定的，并采用EES软件编制程序进行了一维模型和二维模型的求解计算。计算结果和实验测试结果吻合较好，这两种模型也被广泛的采用，但是计算复杂，耗费时间^[10]。

R.Padilla等人从传热和光学两方面进行分析，建立了包括从金属管到玻璃管的辐射传热过程的精细模型，并与美国Sandia实验室的实验数据进行了对比，结果实验数据吻合较好^[11]。同样，Cheng和A.A.Hachicha 等也从传热和光学两方面建立相应的模型，并采用光线追踪法，得到了槽式太阳能接收器外壁上的能量分布^[12][13]。

1.2.1.2槽式太阳能聚光器支撑结构的研究

目前，国内外对槽式太阳能热发电的主要研究方向集中于传热系统和跟踪系统两个方面^[14][15]，对反射镜支撑结构的研究很少，并且在该领域进行参数化的建模分析还是空白。以美国、德国和西班牙为主的太阳能热发电国家先后开发了扭矩管式、扭矩框式、空间桁架式支撑结构。美国的SGX空间桁架式抛物槽支撑结构^[16]实现了现场安装无焊接无螺栓的全销钉式精确连接，使镜场安装成本降低了30%。与扭矩管式和扭矩框式相比重量更轻，变形更小，强度和刚度更好^[17]。基于有限元分析的拓扑优化技术是一项新型的设计方法，可以在方案设计阶段为设计者提供概念性设计，给出合理的结构布局，减轻结构重量，并能提高结构的强度和刚度^[18]。Kirsch U利用有限元分析及优化软件Hyperworks，对聚光器支架结构进行了有限元分析和拓扑优化设计，整个设计过程分三个阶段^[19]：第一阶段，对现有结构进行有限元分析，得到最大应力和位移等参数；第二阶段，根据现有支架的应力和位移分析结果以及约束情况，确定优化空间，定义优化参数，进行拓扑优化，得到支架优化后的大致形状，若优化效果不理想，则需重新确定优化空间，定义优化参数，再次优化；第三阶段，对优化后的支架进行二次设计，

并进行有限元分析，评价优化结果。聚光器支架结构的拓扑优化流程如图1-4所示。通过拓扑结构优化为工程设计人员提供结构的概念性优化设计方法，缩短设计开发的周期，降低企业的研发成本，从而增强企业的竞争力。

1.2.2 国内研究现状

国内对槽式太阳能热发电技术的研究也是集中在传热、跟踪及能流密度分布等国际研究热点方面。例如传热研究方面，西安交通大学的何雅玲、肖杰、程泽东等运用MCRT计算了槽式集热器的聚光特性，结合计算流体和有限容积法，研究了吸热管内耦合传热特性，考虑了导热油热物性随温度变化及管外壁的辐射换热^[20~23]。2010年，雷东强等对太阳能吸热管玻璃与金属封接的应力进行了分析和计算，相关的计算和分析方法降低了吸热管玻璃和金属封接时的的破损率，进而降低了吸热管的生产成本^{[24] [25]}。之后，东南大学研发了中国首个太阳能吸热管Sanle-3HCE^[26]。跟踪方面，陈维等学者建立模型计算出瞬时太阳直射辐射强度，求出了各种跟踪方式下槽式集热器开口所接收的太阳直射辐射能，并探讨

了各种跟踪方式对集热器光学性能的影响^[27] 。宋广根据太阳能热发电槽式集热器同步跟踪太阳转动的高精度要求，给出了同步跟踪液压系统的设计方案^[28]。能流分布方面，2015年，许成木、李明等对槽式太阳集热器焦线能流分布提出了新的计算方法#8212;#8212;平滑法，并对抛物槽式聚光器平面焦线的能流密度进行计算和实测分析^[29]。该方法函数关系较为简单明确，无需编程，计算量少，计算速度快，利用Origin 软件即可完成计算，适用于任意面型的槽式聚光器和接收器焦线能流密度分布的计算。张鸿斐对目前使用的摇动靶测试结构和平移靶测试结构两种测试仪器进行动力学仿真计算，发现平移靶测量结构对提高整个能流密度测试系统精度的作用非常明显，或成为主流测试结构^[30]。类似例子不再一一列出。

而对于反射镜支撑结构方面，相关研究则较少。杨谋存进行了抛物槽式聚光器结构与光学分析，模拟了支架在不同风速、不同角度下的运行结果。中国科学院电工研究所和山东皇明太阳能股份有限公司，对槽式太阳能集热系统中的关键部件进行了研究，重点研究了槽式太阳能热发电系统聚光器的支撑结构，对支撑结构和镜面的承受荷载进行了受力分析^[31]。刘英玉，肖洪等根据桑夏太阳能提供的支架结构参数，利用ANSYS建立有限元模型，对支架整体进行结构静力学仿真分析，同时根据支架的工况对支架进行了模态分析，找出了对支架工作情况有影响的频率值^[32]。2015年，张磊等利用ANSYS有限元软件建立模型，根据桁架式聚光器的实际工况进行结构静力学仿真分析，并对该模型进行模态分析研究，得出影响聚光器结构和工作性能的共振频率值。同时应用ANSYS优化模块对桁架杆的尺寸进行优化，在满足设计要求的范围内，使桁架式支撑结构的重量达到最优值。另外，他采用ANSYS有限元软件与 Visual C 可视化编程系统相结合的方式，借助参数化建模与数值分析功能，创建桁架支撑结构槽式太阳能的参数化模型及有限元分析平台，在该平台输入关键参数，自动生成桁架支撑结构槽式太阳能整体的有限元模型和边界条件，最后通过调用ANSYS相关模块进行静力、模态等分析，为更深入地研究桁架支撑结构槽式太阳能提供了快捷方便的数值分析平台^[33][34]。然而上述研究只是从力学和光学的角度研究了支架的力学性能并建立相关参数和模型，并没有具体分析不同的结构支撑方案和安装方式对镜面形状精度的影响。因此，本课题将针对这个问题进行研究。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.3 本课题的研究内容

针对面型精度和安装问题，提出新的镜面支撑结构方案，利用ANSYS软件建立其有限元分析模型，研究新型结构对镜面精度的影响，并基于有限元结果对其进行优化与改进。