大功率碟式太阳能电站大风预警系统设计与研究

大功率碟式太阳能电站长年室外运行,需要经受包括12级风在内的各种恶劣气候,为确保系统安全可靠、需要设计大风预警系统。对比并优选了大功率碟式太阳能电站大风预警系统组成方案,进行了大风预警系统原理设计,仿真分析了预警控制系统综合性能。仿真结果表明:所设计的大风预警系统结构简单,可实现性强,综合性能能够满足要求,所做研究工作能够为大风预警系统的研发提供依据。

碟式太阳能光热系统光-机-热多场耦合建模及其聚光性能预测应用

针对碟式光热系统中机械位移场对吸热腔能流分布的影响,提出以光-机-热多场耦合角度建立热腔能流分布数学模型。分析系统光机热多场耦合机制,确定不同位移场模式对聚光器的影响尺度。基于镜面单元的刚体假设,提出将宏观机械位移场(安装误差、跟踪误差和机架承载位移)作用等效为镜面单元的刚体系列运动,推导宏观机械位移场对镜面单元内任意点位置的影响矩阵,并引入面形误差得到了镜面各点法线矢量的影响矩阵。考虑机架承载后镜面单元与吸热器的空间位移协调性,基于光线跟踪方法,建立光能传输与腔式吸热器能流分布的光-机-热多场耦合数学模型。在Matlab 7.0平台编制能流分布求解及数据接口程序,融合Fluent 6.3和ANSYS 12.0搭建了聚光性能预测的仿真平台。并针对光线与热腔求交效率低,提出采用包围盒实现快速碰撞检测,且以多段锥曲面拟合并替代高次热管曲面的方法进一步加速求交计算。以在研的38 k W级碟式系统为实例,基于搭建的仿真平台开展典型风载工况与跟踪误差对热腔能流分布的影响,对仿真平台进行验证,为后续碟式机架面向聚光性能的综合优化提供理论基础。

太阳能“程控+光控”跟踪误差校正分析

阐述了"程控+光控"跟踪控制系统的原理与结构,建立以聚光器始末角度误差值作为跟踪系统输入信号的数学模型,对比分析了光电探测器的误差校正系统并确定了相应的参数,在软件MATLAB环境中进行了光电探测器的误差校正数值分析与仿真。结果表明跟踪系统经过光电探测器的误差校正能够有效提高跟踪精度,提高光能利用率,所作研究分析为高精度的太阳能跟踪控制系统的开发利用提供理论依据。

吸热器二次反射锥对太阳能斯特林热机吸热性能的影响研究

分析太阳能斯特林热机腔式吸热器的结构特点,建立以二次反射锥结构参数为变量的腔式吸热器性能参数模型。以38 kW碟式太阳能斯特林热机为研究对象,采用光线追迹法模拟分析不同二次反射锥结构对腔式吸热器表面能流等性能参数的影响。结果表明:二次反射锥对吸热器表面能流密度分布和光能利用效率有着重要影响,其中外抛物面、双曲面、球面等反射锥能显著提高吸热器表面能流分布的均匀性,同时吸热器表面光能利用率分别提高25.6%、27.3%和28.6%,但存在光线溢出吸热器表面的现象;平顶圆锥和现有38 kW热机所采用的内抛物面二次反射锥虽不能改善吸热器表面能流分布均匀性,但光能利用率能分别提高30.5%和33.0%且无光线溢出。

一种基于全站仪的大型碟式太阳能双轴跟踪装置轴线测量方法

提出一种基于全站仪的碟式太阳能发电系统双轴跟踪装置轴线测量方法，通过利用全站仪对安装在立柱与热机支撑桁架处的目标棱镜进行跟踪测量，获得不同时刻棱镜分别绕高度角和方位角轴线旋转的三维坐标；采用基于最小二乘法的空间网拟合方法，直接解算空间圆的圆心坐标以及所在平面法向量，从而计算出双轴跟踪装置轴线相对位置关系。现场测量结果表明，基于全站仪的大型碟式太阳能双轴跟踪装置轴线测量方法操作简单，结果处理快捷、精度高。

碟式太阳能光热转化单元热损失数值分析

以某碟式太阳能光热转化单元为例,基于集热器尺寸误差、几何结构和运行工况参数,建立了碟式太阳能光热转化单元热损失以及热效率数学模型,开展了碟式太阳能光热转化单元热损失及热效率的定性分析和定量计算。结果表明:各种热损失中,聚光器光学损失Qopt、吸热器再辐射热损失Qrad、反射热损失Qref占总损失的比例相对较大,光学损失Qopt最为显著,达到为58.27%;集热器光学误差δ、采光口直径Dap是影响光热转化单元热损失及热效率的关键因素;降低光学误差δ,减小集热器采光口直径Dap,可有效降低单元热损失值,提高热效率。

太阳能聚光器镜面单元的支撑-调节结构和位姿校准

为了实现聚光器镜面单元安装误差的快速校准,设计了一种螺纹副与球铰副组合的镜面单元支撑-调节结构,该结构可以实现调节量的准确控制。提出了镜面单元位姿(轴线矢量和顶点位置)的快速测量方法和轴线矢量位姿误差的定量校准方法。首先,应用摄影测量方法确定镜面单元表面的3个特征点(构成三角形)坐标,建立镜面单元位姿、球铰中心与特征点坐标三者关联的数学模型,实现镜面单元位姿的快速测量。然后,结合镜面单元的调焦过程,提出"三转一移"刚体运动(3次绕轴旋转和1次平移)来等效镜面位姿误差,建立镜面单元位姿与螺栓调节量的关联模型,实现镜面单元轴线矢量误差的定量校准。通过SolidWorks软件建立的虚拟调焦实验和室内的金属平板位姿调节实验,验证了本设计的镜面单元支撑-调节结构的便捷性,以及轴线矢量定量校准方法的有效性。提出的镜面单元校准方法不受反射镜几何形状的限制,具有广泛的适用性。

太阳能斯特林热机循环热损失及热效率数值分析

基于实用施密特循环理论,在考虑流动阻力损失的基础上,建立太阳能斯特林热机的循环热损失及热效率数学模型.运用碟式太阳能斯特林热机的一个实例,着重分析了太阳能斯特林热机的各种热损失及热效率.研究结果表明:在各种热损失中,导热损失和穿梭传热损失所占的幅度相对较大,其中导热损失最显著.各种热损失与太阳能斯特林发动机的多种结构参数和设计性能参数密切相关,增加加热管内壁的温度,降低转速值可提高循环热效率.当热腔的温度大于750 K时,太阳能斯特林热机的循环热效率值将在卡诺效率值的65%～80%之间浮动.

直径17.70 m抛物碟式聚光装置的设计与研制

设计并建造直径17．70m的碟式聚光装置，抛物镜面焦距为9．49m，采光面积204m^2。结合25kW碟式聚光装置的研制经验，对聚光装置的部分结构进行新尝试，包括镜面单元采用铝蜂窝板基体，高度角机构采用下置式，镜面单元安装采用激光定位等。研制水冷平面接收靶，在视日跟踪状态对聚光装置焦平面的聚焦光斑进行测试，验证镜面单元安装及视日跟踪的有效性。配置S260型斯特林发电系统，运行表明DS-CSP系统的净输出功率与太阳直射辐照度（DNI）基本呈正线性比例关系，数据中DNI最大值为761W／m^2，此时DS-CSP系统的净输出功率可达40．5kW（测试时有效采光面积200m^2），其光热转换效率为26．6％。

太阳能斯特林发动机气缸系统振源特性分析

以38kW4缸双作用斜盘式太阳能斯特林发动机为例，构建了其实体结构模型，针对气缸系统内部工质与活塞组件振源，应用Fluent软件对发动机气缸内工质的三维流动特性及脉动参数的时域和频城特性，活塞组件的往复运动惯性力、惯性力矩及其端面所受的气体力特性等进行了研究。结果表明：与吸热器相邻气缸内的工质压力脉动显著，且其脉动频率范围为10～50Hz，而气缸内工质的流量脉动频率则主要在10～50Hz和200～250Hz两个范围内；活塞端面所受的气体力在工质的压缩与膨胀转换过程中大小、方向都会发生突变，引起活塞组件的振动冲击；单缸活塞组件的往复运动惯性力与惯性力矩均呈正弦规律变化，且相邻两缸之间相差90。相位角。整个气缸系统活塞组件的往复惯性力能自行抵消。而惯性力矩则需要通过合理设计平衡块质量及其与旋转轴心的距离才能达到平衡。

圆柱形光电探测器透镜聚光特性研究

运用透镜聚光原理,以光线追迹法建立平行光偏转角α与透镜焦距、光强分布的光学仿真模型,模拟仿真得到随偏转角α的变化焦平面聚焦光斑位置与光强分布图,进一步研究分析光焦斑位置大小变化、焦距长度和光强分布特性.结果表明:平行主光轴的入射光线经透镜后光斑区域集中、光强分布均匀,并且随α的增大,焦斑中心位置偏离主光轴越大,且焦斑区域的光强分布越不均匀.结论为光电探测器设计需要确定圆柱的高度和半径等参数提供了理论参考依据.

碟式聚光器镜面单元聚焦光斑与位姿误差的关联特性

为实现碟式聚光器镜面单元调焦的定量指导,需要建立镜面单元空间位姿与聚焦光斑特征的唯一定量对应关系。提出以镜面单元旋转和平移运动的组合等效引入位姿误差,基于光线跟踪方法建立位姿误差工况的聚焦光斑分布模型,引入聚光比阈值来提取聚焦光斑的特征边界,并采用最小二乘法对特征边界进行椭圆拟合,用于表征聚焦光斑的分布特征。分析了太阳直射辐照值、边界提取阈值、镜面单元位姿误差等对聚焦光斑特征的影响。结果表明,镜面单元位姿误差工况不同时,聚焦光斑的椭圆几何特征具有明显可区分性,用于镜面单元位姿反演具有可行性,为镜面单元调焦系统的搭建提供了参考。

基于结构特征及镜面单元安装误差的碟式聚光器聚焦分析

提出了一种外域包络和网格识别的光线追踪离散方法。将镜面单元安装误差等效为刚体的空间旋转运动,基于光线追踪法推导了引入安装误差后的镜面反射聚光模型,同时结合镜面面型误差以及跟踪误差等影响因素,建立了更为全面的聚焦能流分布数学模型。编制了Matlab程序,在验证数学模型正确性的基础上,以25kW聚光器为对象分析了结构特征及尺寸、镜面单元安装误差等对焦平面能流分布的影响。结果表明,镜面单元安装误差对聚焦能流密度峰值及分布特征影响显著,而结构特征及尺寸对其影响较弱,可适当增大透风间隙来改善抗风性能。所建立的数学模型能为聚光器镜面单元安装以及吸热器匹配设计等提供参考。

一种基于视觉测量的大型碟式聚光器镜面单元位姿调节方法

根据大功率碟式聚光器镜面单元结构特点及在线安装过程中对镜面单元位姿快速检测、高效调节和精确定位的需要,提出了一种基于三目视觉测量和机器人辅助安装的镜面单元位姿调节方法.建立了任一镜面单元角点空间坐标方程,设计了镜面单元位姿调节系统结构,并明确了相应调节方法与步骤.以38 k W碟式聚光器为例,对镜面单元不同位姿进行了光学计算,分析了视觉测误差和镜面单元制造误差等因素对镜面单元位姿调节的影响.结果表明,基于视觉测量的调节方法,在不考虑其他误差情况时,当视觉测量误差和镜面单元制造误差的综合误差控制在±2 mm内,能满足镜面单元位姿调节精度要求.