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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

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机械工程学报 2015年第14期51卷 138-151页

作者：颜健彭佑多余佳焕王旻晖湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室湘潭411201 湘电集团太阳能事业部湘潭411101

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... 详细信息

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。

关键词：碟式聚光器光-机-热多场耦合镜面单元机械位移场能流分布光线跟踪

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

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太阳能学报 2018年第2期39卷 461-467页

作者：余佳焕彭佑多颜健谭新华湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室湘潭411201 湘电集团太阳能事业部湘潭411101

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... 详细信息

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。

关键词：全站仪双轴跟踪装置最小二乘法空间圆拟合轴线测量

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碟式太阳能热发电系统高效聚能影响因素研究

碟式太阳能热发电系统高效聚能影响因素研究

作者：余佳焕湖南科技大学

学位级别：硕士

碟式太阳能热发电系统作为一种高效的太阳能热利用方式,系统的聚能效果将直接决定斯特林机的发电效率。为了找出影响系统高效聚能的主要影响因素,本文对其工作原理以及系统内部光能传输路径进行了分析,发现影响系统高效聚能的因素主要... 详细信息

碟式太阳能热发电系统作为一种高效的太阳能热利用方式,系统的聚能效果将直接决定斯特林机的发电效率。为了找出影响系统高效聚能的主要影响因素,本文对其工作原理以及系统内部光能传输路径进行了分析,发现影响系统高效聚能的因素主要有碟式机架、双轴跟踪装置以及吸热器二次反射锥。其中,机架作为整个系统的支撑部件,是实现聚光器反射镜面几何“保型”和吸热器空间位置“固定”的载体,自重及风载作用可能引起机架产生形变,使得反射镜面偏离其理想位置,影响系统的聚能效果;双轴跟踪装置是实现聚光器精准指向太阳不可或缺的模块,实际制造以及安装过程中的误差将直接反映到系统的跟踪精度,降低聚能效果;而反射锥是吸热器表面能流合理分配的基础,通过利用反射锥,可将未利用的光能重新分配并加以利用,改善聚能效果。基于以上分析,本文以38k W级碟式太阳能热发电系统为研究对象,通过采取理论分析与实际测量相结合的方法,对影响系统聚能的各项因素进行了定量研究,分析了这3种因素对高效聚能的影响趋势及各自原因。具体研究内容包括:首先,对太阳能斯特林热机腔式吸热器的结构特点进行分析,建立了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,以项目所用太阳能斯特林热机为研究对象,基于Tracepro光学仿真软件平台,采用蒙特卡洛光线追迹法模拟分析了不同的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。研究表明:吸热器内安装二次反射锥能大幅度的提高吸热器表面的光能利用率,同时对改善吸热器表面能流分布均匀性效果明显。其次,对影响因素中的双轴跟踪装置误差展开研究,发现轴线偏差为双轴跟踪装置误差的主要来源,进而分析了轴线偏差的主要类型,同时,考虑到碟式太阳能热发电系统中双轴跟踪装置轴线测量的需要,提出了一种基于全站仪的双轴跟踪装置轴线测量方法,最后,对研发的38k W碟式太阳能系统双轴跟踪装置轴线进行测量,并分析了轴线偏差对聚能效果的影响。测量结果显示:该系统双轴跟踪装置轴线偏差类型为俯仰轴与方位轴不正交,偏差为0.682°,且吸热器表面光斑分布随着高度角的增大逐渐偏离中心位置。最后,针对38k W碟式太阳能热发电系统机架结构,采用ANSYS软件平台,对不同工况下,自重及风荷引起的机架变形进行分析,并提取了机架上众多关键节点位移分布情况。利用公式推导了机架变形对焦平面光斑分布的影响,最后,提出一种机架承载变形测量方法,通过利用TS30全站仪测量固定在机架上的众多棱镜点的空间坐标,可获得机架在自重及风载荷作用下的变形量,为机架结构变形现场测量以及机架结构优化提供参考。

关键词：碟式太阳能热发电反射锥结构双轴跟踪装置轴线偏差钢构机架高效聚能

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

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太阳能学报 2017年第1期38卷 134-139页

作者：余佳焕彭佑多颜健肖蓉王旻晖谭新华湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室湘潭411201 湘电集团太阳能事业部湘潭411101

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... 详细信息

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。

关键词：太阳能斯特林热机二次反射锥光线追迹能流密度光能利用率

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

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光学技术 2014年第6期40卷 508-514页

作者：颜健彭佑多肖蓉王旻辉余佳焕湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室湖南湘潭411201 湘电集团太阳能事业部湖南湘潭411101

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... 详细信息

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。

关键词：碟式聚光器光线追踪镜面单元安装误差聚焦能流

大型碟式太阳能聚光器网架缩模相似设计及数值模拟

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机械设计 2016年第7期33卷 71-77页

作者：马俊彭佑多颜健余佳焕湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室湖南湘潭411201

开展了25 k W大型碟式太阳能聚光器网架缩比模型相似准则分析并进行了相似设计,根据网架原型与缩比模型的静动力相似参数,建立了原型及缩比网架的有限元模型,通过对原型和缩比网架的力学特性数值模拟,揭示了不同工况下二者在位移、应力... 详细信息

开展了25 k W大型碟式太阳能聚光器网架缩比模型相似准则分析并进行了相似设计,根据网架原型与缩比模型的静动力相似参数,建立了原型及缩比网架的有限元模型,通过对原型和缩比网架的力学特性数值模拟,揭示了不同工况下二者在位移、应力及自振特性方面的相似关系。结果表明,不同工况下缩比模型与原型的数值模拟结果误差均小于5%,二者在位移和应力分布及各阶振型上基本一致;网架基频频率相似误差较大,为进一步降低基频相似误差,缩比模型应增加构件侧向弯曲刚度,所作研究能够为后续网架模型的精确制作与模型试验提供参考。

关键词：碟式网架数值模拟缩比模型静动力特性

一个高度角循环周期中异型腔式吸热器热损失规律数值模拟

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湖南科技大学学报（自然科学版） 2016年第2期31卷 37-45页

作者：肖蓉彭佑多余佳焕刘繁茂湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室湖南湘潭411201

温度影响吸热器保温内气体空气物性参数,基于HOTTEL辐射模型和三维数值模拟方法,研究了某地区一个高度角循环周期中自然对流情况下38 k碟式太阳能斯特林热机异型吸热器的热损失变化规律,得到了异型吸热器的温度场云图、对流和辐射热损... 详细信息

温度影响吸热器保温内气体空气物性参数,基于HOTTEL辐射模型和三维数值模拟方法,研究了某地区一个高度角循环周期中自然对流情况下38 k碟式太阳能斯特林热机异型吸热器的热损失变化规律,得到了异型吸热器的温度场云图、对流和辐射热损失的平均努塞尔数以及热损失各项所占比例.结果表明:在一个高度角循环周期中,在不同的时间点,各项热损失所占的比例不一样,对流热损失先减小后增大,辐射热损失和导热热损失较小,且对流热损失的变化比较明显,其余的变化较小;高度角对N_(uc)的影响较大,N_(uc)随着高度角变大,先减小后增大;高度角对N_(uc)的影响较小,其变化只在一个很小的范围内波动;在任何情况下热损失中,对流热损失大于辐射热损失,辐射热损失大于导热损失.

关键词：异型腔式吸热器高度角循环周期热损失规律数值模拟

38kW级碟式光热发电系统机架结构的承载性能

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湖南科技大学学报（自然科学版） 2015年第1期30卷 29-35页

作者：彭佑多颜健易陈斐谢商育余佳焕湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室湖南湘潭411201 江麓机械集团军代处湖南湘潭411100

为实现太阳光能的高品位利用,设计了以抛物聚光器为聚光功能载体且配有双轴视日跟踪机构的碟式/斯特林热发电系统的机架结构.在机架承载和传力特性一致的基础上建立了机架的有限元模型,并基于数值风洞模拟的机架风载荷,计算得到了机架... 详细信息

为实现太阳光能的高品位利用,设计了以抛物聚光器为聚光功能载体且配有双轴视日跟踪机构的碟式/斯特林热发电系统的机架结构.在机架承载和传力特性一致的基础上建立了机架的有限元模型,并基于数值风洞模拟的机架风载荷,计算得到了机架处于不同高度角时自重和风载作用的变形与应力分布,分析了机架承载的位移特性和薄弱位置的应力分布.结果表明,该机架在8级风载(17.1 m/s)作用时聚光器仍具有较好的几何"保型"能力,且在抗风运行以及12大风避险时结构均处于安全状态.

关键词：碟式聚光器机架风载荷承载性能有限元

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

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湖南科技大学学报（自然科学版） 2017年第2期32卷 27-34页

作者：陈瑜彭佑多颜健余佳焕李诗晴王旻辉湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室湖南湘潭411201 湘电集团太阳能事业部湖南湘潭411101

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... 详细信息

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.

关键词：碟式聚光器镜面单元位姿调节视觉测量