摘 要

本文针对青海地区大型太阳能系统结构做有限元分析。根据青海地区的地理地质特点，对结构进行风场太阳能面板数值模拟、静力学和地震响应分析。

首先对太阳能板部分做流场分析，确定结构在风场中的最不利荷载。然后将流场下做出的风载极值与静载进行荷载组合，对此状态下的连接件和腿柱做了静力分析。结果表明连接件部分的勒板局部应力较大，出现了明显的应力集中现象，整体应力幅值满足强度要求；最后对于动力学分析，本文提取了结构的前12阶模态做响应谱分析，结果表明，连接件部分和腿柱上的应力都处在较低的水平，无需进行优化。同时对结构也进行了瞬态动力学分析，结果表明，整个结构应力都在一个较低的应力状态，此结构在动力学研究中有较高的安全性。

关键词: 太阳能；流场；动力分析；

Abstract

In this paper, the finite element analysis of large-scale solar system structure in Qinghai area are made; According to the geological characteristics of Qinghai area, the numerical simulation, static and seismic response analysis of wind field of solar panels are carried out.

In the first part, the flow field of the solar panel is analyzed, and the most unfavorable load in the wind field is determined. Then the wind load in the flow field and static load are combined, and the static analysis is carried out on the connection piece and leg column under this condition. The results show that the connection in local force is large, and stress concentration is obvious, and the overall should force amplitude meet the strength requirements; Finally,Then as for dynamic analysis, this paper extracting the first 12 order modal of the structure to do response spectrum analysis. the results show that the stress of the connection part and the leg column part is at a lower level, so it has no need for optimization. At the same time, the transient dynamic analysis is also carried out. The results show that the stress of the whole structure is in a low stress state, so the structure is safe in the dynamic study.

Key words: solar energy; flow field; dynamic analysis;

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容和目标 3

第2章 光热复合发电系统在风场中的数值模拟 4

2.1分析环境的设置 4

2.2 结果分析 5

第3章 光热复合发电系统静力分析 11

3.1 Mechanical分析 11

3.2 分析理论 11

3.3 模型分析 11

3.4 最不利荷载 13

3.4.1 连接件分析 13

3.4.2 立柱分析 15

第4章 光热复合发电系统地震动力响应 18

4.1 地震作用理论——反应谱理论 18

4.2 响应谱分析 19

4.3 瞬态动力学分析 23

第5章 结论与展望 27

5.1 全文总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

能源，作为推动全球社会和人类全面发展的重要保障，可以说是整个世界的最重要的物质基础。自进入21世纪，能源问题一直成为当今发达国家与发展中国家在政治、经济、军事等全方面关注的焦点。

回顾近20年世界上的多次局部战争，局部热点和争议都或多或少与能源的争夺有关，所以能源在现今与未来都是各国关注与竞争的核心。克森美孚公司在有关世界经济增长与能源需求的年度长远性展望中称，由于经济发展和人口增长的驱动，世界能源需求量将从2005年的每日2．05亿桶油当量的水平增加到2030年的每日3．35亿桶油当量^[1]。因此，可见石油是现在世界上利用非常多的能源。在当今世界，人类追求高品质的生活，但高品质的生活往往都要消耗较多的能源。随着近年来人类对各种不可再生能源的不断开采，甚至过度开采，已经造成世界性的能源短缺，地球上所剩余的不可再生能源已所剩无几。在未来，能源短缺将在全世界范围内发生。

为了应对世界范围内的能源危机，人类已经把目光投向更环保，无污染的可再生能源。现如今人类已经发现并利用一些诸如太阳能，风能，潮汐能来为人类提供可持续的可再生能源。其中人类对太阳能的利用已经发展的比较成熟，并且在实际的生活中也应用的比较广泛。太阳能发电技术因其安装方便、无污染、无噪声、无移动部件,绿色环保，稳定性高，绿色环保和使用寿命长等优点^[2]，越来越受到全球的关注。我国的能源储量虽然丰富，但人均占有严重不足，因此国内也面临着严重的能源危机。在国内发展太阳能技术可以有效缓解能源短缺，改善国内的能源短缺压力。而且，在国内现今的太阳能发电技术已经逐步走向成熟，现在的太阳能发电效率已经有了大大的提高，特别是光电-热电复合发电技术的应用，大大提高了太阳能发电的效率。

1.2 国内外研究现状

在当前，对于太阳能的利用主要有两种转换模式：一种是光电转换；一种是热电转换。其中光伏发电技术已经发展的比较成熟，而热电的发展，相对来说，还有很大的发展空间，有很高的研究热度。由于太阳光辐射的能量既包括光能又包括热能，所以现在的热电-光伏复合系统也成为了当前研究的热点。在热电-光伏复合系统中，既能对光能进行利用，也能对热能进行利用，因此有较高的发电效率。随着对光伏热电技术的深入研究，已经有很多可以提高太阳能发电效率的技术被提了出来。比如，利用塞贝克效应，改进冷却方法，寻找新型的像，方钴矿等具有较高热电优值得热电材料来增大效率，还有利用聚光系统增加太阳辐射照度以此来提高效率等。在当今世界，热电-光伏技术的发展越来越成熟，其应用范围也越来越广泛。

在国外，热电技术的研究发展比较快。Coblentz 在1922研制出了世界上第一台太阳能发电装置，这台太阳能发电装置是通过将太阳辐射的热能转化为电能的温差发电装置，由于当时没有较高性能的热电材料来支撑，所以发电系统发电效率很低 （lt;1%）^[3]。美国新墨西哥州立大学在1987年通过利用可自动跟踪太阳的反射式镜面，也就是太阳跟踪器，设计了一台温差发电装置，此装置可以将太阳辐射的热能聚集到热电器件的热能收集器上，并以此来提高发电效率^[4]。2004 年 Maneewan^[5] 等人利用屋顶太阳能集热器和温差发电模块组成的系统产生电力，此系统有对冷端降温的装置。虽然此种设计的电能转换效率也很低（1%～4%），但此种设计体现了新的研究思路，冷端降温，提高温差的思路。2009年Amen Agbossou等人^[6] 提出一种新的太阳能发电的方法，其主要是通过结合温差发电和相变储能来进行太阳能发电。Mgbemene^[7] 等人使用复合抛物面聚光器来将强太阳辐射热能的聚集，并使用风扇对系统进行冷却。2011 年，Kraemer^[8] 等人设计了一种新型平面温差发电模块，其通过采用纳米材料、优化表面形状尺寸、提高热集中度等方式来提高发电效率。Karabetoglu^[9] 等人研究了一种基于Bi2Te3热电材料的温差发电片在低温 （100～375 K）情况下的工作性能，他们发现此种热电材料的最佳工作温度，并且他们的这种研究成果有助于该种热电材料在低温下的实际应用的探究。Hasan^[10] 等人设计了一种温差发电模块，其原理是利用菲涅耳透镜来集中太阳辐射的热能，而且还通过油将热量传递至温差发电模块来提高效率。这种设计也很好的提高了发电装置的发电效率。2014年，Baranowski^[11] 等人采用热隔离腔提高太阳能吸收器的吸收效率，这种设计其能量转化效率能达到15%。