风载作用的碟式光热系统吸热器表面能流分布预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于碟式太阳能光热发电技术领域，具体的说是涉及一种风载作用的碟式 光热系统吸热器表面能流分布预测方法，用于指导碟式光热发电系统机架结构和吸热器腔 体的设计，以及对设计完成的碟式太阳能聚光系统在风载荷作用下吸热器腔体的能流分布 进行预测。
【背景技术】
[0002] 碟式太阳能光热发电系统是太阳能光热高品位利用中活跃的研究方向，为了有效 实现太阳光能的传输与热腔能流的合理分布，需要聚光器镜面几何具有良好的"保型"能 力，并且镜面几何与吸热器要保持合理的空间位置关系，是涉及光-机-热多场多过程的科 学问题。然而，随着功率增大其碟式机架具有空间大尺度和大质量等特点，尤其风载引起的 机械位移场对系统聚光性能影响是显著的。因此，风载作用的碟式光热系统吸热器表面能 流分布预测方法是至关重要的。
[0003] 目前，国内外研究的碟式聚光系统能流预测方法主要思路是采用光线跟踪方法， 考虑反射镜面形微观误差和视日跟踪误差，对焦平面的能流分布进行预测。这在文献Kent S. Jfferis. Optical Analysis of parabolic dish concentrators for solar dynamic power systems in spac[C]· NASA Technical Memorandum. 1985.以及文献李瑞恒，邪玉 明，刘伟.空间太阳能热动力发电系统IOKW聚能器焦平面热流分布计算.太阳能学报， 2005,26(1):116-120.中都有报导。预测方法均主要集中在面形微观误差和跟踪误差等 方面，仅文献刘颖，戴景民，孙晓刚.抛物面型聚光器聚焦光斑能流密度分布的计算.太阳 能学报，2007, 28(10) :1049-1054.中引入了平面接收器的安装误差。而文献颜健，彭佑 多，肖蓉，等.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.光学技术， 2014, 40 (6): 1-8考虑了镜面单元安装误差对镜面法线向量的影响。
[0004] 综上所述，吸热器表面能流分布预测方法均未考虑碟式系统在风载荷作用的情 况，且以往接收器也多为平面接收器。然而，大型聚光器采用多镜面单元拼合制造，机架承 受风载时对各反射镜面单元的聚光影响是不一致的。并且吸热器与镜面单元具有共同的机 械载体一机架，其承载引起的位移场是具有空间协调性的，是要考虑二者位移联动性的。因 此，所发明的风载作用的碟式光热系统吸热器表面能流分布预测方法是能够有效的用于指 导碟式光热发电系统机架结构和吸热器腔体的设计，以及对设计完成的碟式太阳能聚光系 统在风载荷作用下吸热器腔体的能流分布进行预测。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供出一种风载作用的碟式光热系统吸热器表面 能流分布预测方法，它能够用于对设计的碟式太阳能聚光系统在风载荷作用下吸热器腔体 的能流分布进行预测，以指导碟式光热发电系统机架结构和吸热器腔体的设计。
[0006] 本发明包括如下步骤：
[0007] (1)基于机架未变形前的结构和聚光器反射镜面的抛物线曲面，计算聚光器各反 射镜面的四个安装节点的空间坐标向量ApBp CpDij，下标i为聚光器反射镜的周向分区 编号，j为径向分区编号；对聚光器的采光区域采用正方形域包络，对正方形域划分为KXM 个等面积的网格微元，其中：K = M，并计算各网格中心的空间位置向量Ptl和法线向量Nptl，且 判断各网格所在的镜面单元编号；
[0008] (2)根据用户要求选取风速，由计算流体力学理论或风洞实验得到机架结构的风 载荷，并根据胡克定律计算反射镜面、吸热器等安装节点位置变形与载荷的关系：
[0009] ε = [ΚΓ1 · [P]
[0010] 式中，ε为机架结构因受重力和风载荷作用而偏离机架未变形前的位置的位移； [Κ]为机架结构的刚度矩阵；[Ρ]为载荷矩阵，由重力载荷和风载荷组成；
[0011] (3)计算机架结构承载变形后各反射镜面内各网格中心的空间位置向量和法线向 量，根据反射镜面安装节点的变形，由刚体运动几何理论得到的机架承载后反射镜面内各 网格中心位置的空间坐标为：
[0012] P1= P0 · R1 (i, j)+Move(i, j)
[0013] 得到的各网格中心点法线向量为：
[0014] Npl= Np0 · R1 (i, j)
[0015] 式中，R1Q, j)是编号为ij的反射镜面单元内任意网格中心点的空间位置旋转作 用矩阵；Move (i，j)是编号为ij的反射镜面单元内任意网格中心点空间位置的平移作用矩 阵；
[0016] (4)根据步骤（2)计算的吸热器安装位置的变形，由刚体运动几何理论计算吸热 器腔体的热管和反射锥的曲面方程，并对曲面划分网格；
[0017] (5)基于太阳光锥能量模型，将反射镜面内各网格中心的太阳入射光锥进行离散， 根据光线跟踪理论和镜面反射定律，计算所有太阳入射光线经聚光器反射镜面内各网格中 心的反射光线参数方程，计算反射光线与吸热器的热管和反射锥曲面的有效交点，并确定 该交点所在的网格区域，且将光线携带的能量赋值给该网格区域；然后，统计吸热器腔体曲 面各网格接收的总能量，并计算各网格区域的表面积，得到热管和反射锥曲面的能流分布。
[0018] 上述的风载作用的碟式光热系统吸热器表面能流分布预测方法，步骤（3)按如下 步骤顺序进行：
[0019] 1)将编号为ij的反射镜面安装节点A从理论抛物曲面上的位置平移至机架承载 变形后的位置，其空间平移矢量为e Aij。
[0020] 2)将编号为ij的反射镜面整体绕安装节点A旋转，绕A点的旋转轴向量为：
[0021]
【主权项】
1. 一种风载作用的碟式光热系统吸热器表面能流分布预测方法，包括如下步骤： (1) 基于机架未变形前的结构和聚光器反射镜面的抛物线曲面，计算聚光器各反射镜 面的四个安装节点的空间坐标向量化」3^、(^、0^，下标1为聚光器反射镜的周向分区编号， j为径向分区编号；对聚光器的采光区域采用正方形域包络，对正方形域划分为KXM个等 面积的网格微元，其中：K = M，并计算各网格中心的空间位置向量Ptl和法线向量Nptl，且判断 各网格所在的镜面单元编号； (2) 根据用户要求选取风速，由计算流体力学理论或风洞实验得到机架结构的风载荷， 并根据胡克定律计算反射镜面、吸热器等安装节点位置变形与载荷的关系： ε = [ΚΓ1 · [P] 式中，ε为机架结构因受重力和风载荷作用而偏离机架未变形前的位置的位移；[Κ] 为机架结构的刚度矩阵；[Ρ]为载荷矩阵，由重力载荷和风载荷组成；（3)计算机架结构承 载变形后各反射镜面内各网格中心的空间位置向量和法线向量，根据反射镜面安装节点的 变形，由刚体运动几何理论得到的机架承载后反射镜面内各网格中心位置的空间坐标为： P1= P 〇 · R1 (i, j)+Move(i, j) 得到的各网格中心点法线向量为： Npi= Np0 · R1 (i, j) 式中，R1Q, j)是编号为ij的反射镜面单元内任意网格中心点的空间位置旋转作用矩 阵；Move (i，j)是编号为ij的反射镜面单元内任意网格中心点空间位置的平移作用矩阵； (4) 根据步骤（2)计算的吸热器安装位置的变形，由刚体运动几何理论计算吸热器腔 体的热管和反射锥的曲面方程，并对曲面划分网格； (5) 基于太阳光锥能量模型，将反射镜面内各网格中心的太阳入射光锥进行离散，根据 光线跟踪理论和镜面反射定律，计算所有太阳入射光线经聚光器反射镜面内各网格中心的 反射光线参数方程，计算反射光线与吸热器的热管和