面向塔式太阳能聚光系统的柔性定日镜设计

【摘要】：太阳能是一种重要的清洁、可再生能源。塔式太阳能技术运用聚光系统收集汇聚太阳光热能，在发电、化工、燃料制备等领域具有广阔的应用前景。聚光系统是塔式太阳能技术的关键组成部分，占总成本40-50%，目前存在着定日镜面形精度低，导致较大的光溢出损耗与吸热损耗的问题，阻碍了能量转化效率的提高。论文围绕上述问题，研究面向塔式太阳能聚光系统的低成本、高性能柔性定日镜的设计方法。 论文通过对塔式太阳能聚光系统的工作原理进行分析，得到定日镜的理想反射面形为自适应的离轴抛物面面形，并建立了面形关于太阳入射角、定日镜位置的参数方程。基于基尔霍夫平板理论提出一种离轴抛物面的柔性平板机构成形方法，该方法的特点为对平板的二维刚度分布进行了构造设计，使得在方形平板角上施加简单的集中式弯矩即可实现不同参数的离轴抛物面的面形，通过仿真与实验对该方法的可行性进行了验证。 为以较低成本提升塔式太阳能聚光系统的聚光性能，提出实现柔性定日镜关于其位置的面形优化，建立定日镜机械-光学耦合的数值模型，以年平均光学效率为指标，牛顿迭代法为算法对系统进行优化设计。结果显示，在100m×200m的范围内定日镜平均面形法线误差为0.453mrad，性能优于平面镜系统与均匀刚度镜体系统，并通过仿真对容积型空气吸热器、燃气轮机等塔式太阳能系统主要模块的效率提升作用进行了验证。 对柔性定日镜受现场环境载荷如重力、风压等作用的影响进行分析，建立了镜体重力变形的理论计算公式并进行了仿真验证，通过有限元分析建立了风压变形与镜体材料、厚度和厚度比参数的关系。结果表明具有高比刚度的材料有利于减小重力变形，具有高弹性模量的材料有利于减小风压变形。 设计并加工了与实际比例为1:10的100mm的偏置力加载式柔性定日镜原理实验机构，进行了面形测量实验，结果显示采用镜体刚度设计的柔性定日镜的面形性能优于平面镜和均匀刚度设计镜体。对铝材料的柔性定日镜进行了太阳能聚光实验，结果表明，平均距离为3.18m的多个测试位置中，柔性定日镜与平面镜相比可减小光斑面积45.5%，验证了论文设计方法的有效性。 【关键词】：可再生能源 塔式太阳能 定日镜 柔性反射镜 优化设计
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 主要符号对照表8-9
• 第1章 引言9-29
• 1.1 课题背景与意义9-15
• 1.1.1 可再生能源9-10
• 1.1.2 太阳能光热技术10-12
• 1.1.3 塔式太阳能技术12-14
• 1.1.4 塔式太阳能技术存在的问题14-15
• 1.2 塔式太阳能聚光系统研究现状15-24
• 1.2.1 大型多孔径定日镜16-20
• 1.2.2 小型化定日镜20-21
• 1.2.3 张力薄膜定日镜21-22
• 1.2.4 聚光镜场22-24
• 1.3 相关领域的先进反射镜技术24-27
• 1.3.1 自适应太阳能聚光器24-26
• 1.3.2 柔性光学反射镜26-27
• 1.4 论文研究目标及内容安排27-29
• 第2章 塔式太阳能聚光系统光学基础与定日镜理想面形设计29-47
• 2.1 塔式太阳能聚光系统工作原理与性能指标29-35
• 2.1.1 系统的光源：太阳29-31
• 2.1.2 塔式太阳能聚光系统31-32
• 2.1.3 塔式太阳能定日镜32-34
• 2.1.4 本文研究的性能指标与基本假设34-35
• 2.2 定日镜理想面形设计35-37
• 2.3 理想面形塔式太阳能聚光系统的性能数值仿真分析37-46
• 2.3.1 仿真方法与模型37-41
• 2.3.2 参考样例41-42
• 2.3.3 分析结果42-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第3章 柔性定日镜的离轴抛物面成形方法47-67
• 3.1 离轴抛物面的几何特征47-50
• 3.2 基于基尔霍夫平板理论的柔性定日镜离轴抛物面成形方法50-57
• 3.2.1 基尔霍夫平板理论概述50-53
• 3.2.2 均匀刚度柔性定日镜的离轴抛物面成形可行性分析53-54
• 3.2.3 非均匀刚度柔性定日镜的离轴抛物面成形方法54-57
• 3.3 仿真与实验验证57-66
• 3.3.1 离轴抛物面成形仿真57-62
• 3.3.2 离轴抛物面成形实验62-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第4章 柔性定日镜的静态面形优化方法及性能分析67-83
• 4.1 柔性定日镜的静态面形优化法67-69
• 4.1.1 优化目标函数67-68
• 4.1.2 数值优化程序与优化算法68-69
• 4.2 静态面形优化法性能分析69-76
• 4.2.1 采用刚度分布设计并实现静态面形优化的系统71-72
• 4.2.2 理想自适应离轴抛物面形系统72-73
• 4.2.3 平面镜系统73-74
• 4.2.4 采用均匀刚度设计并实现静态面形优化的系统74-76
• 4.3 采用面形优化设计的塔式太阳能系统性能仿真76-81
• 4.3.1 吸热器模型77-78
• 4.3.2 热机模型78-79
• 4.3.3 仿真参数与结果79-81
• 4.4 本章小结81-83
• 第5章 现场环境因素对柔性定日镜面形影响分析83-95
• 5.1 重力的面形干扰变形分析83-89
• 5.1.1 重力变形的近似理论计算83-86
• 5.1.2 重力变形的仿真分析86-89
• 5.2 风压对面形的静态干扰变形分析89-93
• 5.2.1 静态风压载荷90-91
• 5.2.2 风压变形的仿真分析91-93
• 5.3 本章小结93-95
• 第6章 塔式太阳能柔性定日镜实验95-109
• 6.1 塔式太阳能柔性定日镜原理实验机构设计95-98
• 6.1.1 机构组成95-97
• 6.1.2 机构参数97-98
• 6.2 面形测量实验98-103
• 6.2.1 实验仪器及步骤98-99
• 6.2.2 实验结果99-103
• 6.3 太阳能聚光实验103-108
• 6.3.1 实验设计及步骤103-105
• 6.3.2 实验结果105-108
• 6.4 本章小结108-109
• 第7章 结论与展望109-112
• 7.1 论文工作主要内容109-111
• 7.2 主要创新点111
• 7.3 下一步工作与展望111-112
• 参考文献112-121
• 致谢121-123
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果123

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

空间薄膜反射镜面形设计及优化    齐迎春;金光;许艳军;

薄膜反射镜静电成形机理研究    张鹰;金光;

塔式太阳能热发电站镜场的优化设计    魏秀东;卢振武;林梓;王志峰;

中国科学院光电技术研究所的自适应光学研究进展    姜文汉;张雨东;饶长辉;凌宁;官春林;李梅;杨泽平;史国华;

太阳能塔式电站轮胎面定日镜的设计及性能分析    魏秀东;卢振武;林梓;郭明焕;张红鑫;

太阳能分解水制氢技术研究进展    王宝辉;吴红军;刘淑芝;盖翠萍;

太阳能定日镜结构风载体型系数风洞试验研究    宫博;李正农;王莺歌;李秋胜;

薄膜反射镜的静电成形    陈新华;唐敏学;沈为民;余建军;

太阳能光催化制氢研究进展    温福宇;杨金辉;宗旭;马艺;徐倩;马保军;李灿;

塔式太阳能热发电吸热器技术研究进展    杨敏林;杨晓西;左远志;

塔式太阳能定日镜结构风荷载特性及风致响应研究    王莺歌

青藏高原应对气候变化与生态环境安全策略    伏洋;张国胜;李凤霞;刘宝康;

工程热力学课程教学改革与实践    祝立萍;钱付平;陈光;黄志甲;

太阳能电池光谱性能测试系统    杨良;

自适应光学技术获取高分辨率视网膜图像    向东;王青玲;杜秋娇;毕洁;张光勇;刘翠兰;

边界位移调节量对薄膜反射镜成形的影响    石广丰;金光;张鹏;孙小伟;

应用Gibbs自由能最小法研究Li/SF_6气液浸没燃烧反应    张文群,张振山

低压环境下放气系统的压降特性分析    李明海;臧立青;李超;史光梅;陈均;

大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展    陈纯毅;杨华民;姜会林;冯欣;王辉;

水下高速运动不完整壳体屈曲可靠性分析    顾永维;宁庆坤;顾永亮;

基于锥膛炮的弹丸弹裙膛内阻力研究    魏平;侯健;陈汀峰;王青;

二次回风空调系统的分析    王翠华;寇丽萍;战洪仁;张先珍;王立鹏;孙国永;

生物质茜素类染料结构改性及其无助剂染色    戚益;顾钰;安冬;徐倩倩;杜鹃;罗艳;

直流变频分体式空调简易设计    张其明;高亚南;张风琴;郑枫;

蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组分析    白延斌;黄翔;孙铁柱;文力;

废热溴化锂吸收式动力、冷、热量梯阶转换系统的研究    张秀芳;金苏敏;

水蒸汽再压缩热泵系统的性能分析    赵博;马国远;许树学;

新型吸附制冷机的研制与实验研究    龚丽霞;王如竹;夏再忠;

旋转磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收的实验研究    李增扬;武卫东;刘四美;陈盛祥;丁澎;

真空冷却中上海青下表皮对其传热传质的影响    宋晓燕;刘宝林;

基于梁段有限元法的大跨度铁路箱梁桥的动力特性研究    王佐才;任伟新;

铂铝合金粘结涂层的高温氧化行为研究    宋鹏

细颗粒物的电收集技术研究    朱继保

低挥发份劣质燃料循环流化床燃烧特性研究    李社锋

选择性非催化还原与先进再燃技术的实验及机理研究    吕洪坤

纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究    赵佳飞

脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除研究    徐飞

晶格氧部分氧化甲烷制取合成气的基础研究    魏永刚

复合金属硫化物光催化剂的制备及其可见光活性研究    张军

经济全球化背景下中国能源安全问题研究    姜星莉

基于并网逆变器电能质量与变换效率的若干关键技术研究    杨波

热电厂能量利用与节能技术改造研究    李华

梯级水电站优化运行研究与应用    郑慧涛

基于HLA船舶仿真系统设计和时间管理技术研究    董广宇

高能燃料燃烧流场的数值模拟与结构设计    张哲衡

多功能燃烧弹的研究    田文凯

奥镁公司隧道窑余热回收项目管理案例研究    李俊峰

硬硅钙石型硅酸钙纤维的合成和应用    张瑞芝

管道保温结构的优化设计研究    艾振宙

SnO_2基陶瓷半导体热电材料的研究及制备    曹恒淇

MW级风力发电机主轴制造项目财务分析    亓金双

基于非线性有限元的膜结构初始形态设计    何志军,丁洁民

风速时程数值模拟研究    白泉;朱浮声;康玉梅;

空间内插方法比较    李新,程国栋,卢玲

柔性坐标测量机建模的泛函网络研究    郑大腾;费业泰;张梅;

一种基于支持向量机的三维物体识别方法    徐胜;彭启琮;管庆;赵明渊;

关于结构振型参与系数和振型贡献的分析    孙广俊;李爱群;

氢能──理想的新能源    黄维

高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征    顾明;叶丰;

扁平箱形桥梁断面斯特罗哈数的雷诺数效应研究    金挺;林志兴;

POD方法在双坡屋盖风压场预测中的应用    李方慧;倪振华;沈世钊;

大跨屋盖结构风荷载特性研究    孙瑛

大跨柔性点支式幕墙及采光顶等效风荷载和风致响应研究    江勇

塔式太阳能热发电站镜场和CPC及屋顶CPV设计研究    郭苏

塔式光热电站定日镜场的发展现状及技术创新趋势    周振捷;廖文俊;

定日镜系统    钱坤泉

塔式太阳能热发电系统定日镜场的布置    张宏丽;

定日镜技术研究进展与应用    李艳厦;李胜涛;倪伟跃;郭庆宾;

塔式太阳能定日镜控制系统综述    王孝红;刘化果;

塔式太阳能定日镜聚光成像建模及仿真    许芬;

一种简捷的定日镜跟踪角度计算方法    严刚峰;周勇;石航飞;张方宇;李杰;杨弈昕;徐宁璟;

塔式电站定日镜场布置范围的理论分析    张宏丽;王志峰;

定日镜镜面弯曲机构设计及面形优化    孟力;尤政;

塔式定日镜运动规律    徐任学

定日镜构架支撑柱采用钢管混泥土结构的经济效益分析    陈健陵;陈勇军;陈旭;倪勇;

定日镜结构优化分析    宫博;李正农;王莺歌;王志峰;

分隔缝对定日镜风荷载和风效应的影响    李正农;宫博;王莺歌;王志峰;苏万林;刘艳萍;

地下和无窗建筑定日镜导光管采光照明的试验研究    张志勇;张立京;徐宁;

塔式太阳能热发电厂的定日镜有效利用率计算    郭苏;刘德有;

定日镜结构风振响应分析    王莺歌;李正农;宫博;

塔式太阳能聚光系统太阳影像仿真及能量中心计算    刘宇;许芬;

多阶模态力法研究定日镜等效风荷载    宫博;李正农;王志峰;王莺歌;罗叠峰;

基于Lyapunov稳定性理论的定日镜模型参考自适应控制仿真研究    许芬;王雨;

塔式太阳能聚光系统太阳影像仿真及能量中心计算    刘宇;许芬;

走近亚洲首座塔式光热电站    本报记者 李永强

八达岭太阳能电站定日镜安装完毕    记者 于丽爽　通讯员 王文兰

太阳能岛“水上漂” 追踪太阳有妙招    李忠东

思想有多远，我们就能走多远    本报驻浙江记者 董波

江宁太阳能电站将试发电，一度一元    实习生 李智勇 本报记者 侯静

打造“阳光三峡”，值得江苏花钱    孙巡

10朵“向日葵”,收集阳光照亮未来馆    本报记者 马海邻

大规模利用太阳能时代即将到来    何祚庥

期待太阳能时代    艾俊平 整理

迎接大规模利用太阳能时代    汪晴

无光象聚光定日镜的偏轴象差的分析与修正    林晨星

面向塔式太阳能聚光系统的柔性定日镜设计    孟力

定日镜和幕墙结构的抗风性能研究    宫博

塔式太阳能定日镜结构风荷载特性及风致响应研究    王莺歌

关于VPB系统的时间渐进性以及自旋—仰角跟踪模式下定日镜的若干课题研究    李莉

塔式定日镜姿态角的最优估计    王凯迪

塔式太阳能定日镜定日精度在线测量技术研究    任凯

多定日镜风场数值模拟    孙进

塔式太阳能热电系统定日镜场光学仿真与应用研究    谢飞

塔式电站中定日镜场的建模与仿真    何丽娟

塔式定日镜受风载荷和跟踪误差影响的聚光效率特性研究    陆永亚

定日镜反射光斑仿真及定日误差的视觉测量技术研究    刘宇

高性能塔式太阳能定日镜控制系统研究    刘化果

塔式太阳能定日镜聚光成像策略研究与控制系统设计    姚梦凯

塔式太阳能热发电定日镜自适应控制研究    王雨