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浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (12): 2310-2320    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.12.005
机械工程、能源工程     
平面桁架构建的定日镜面形支撑结构优化及实验
程松1(),邹宗峰2,*()
1. 上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200444
2. 上海大学 管理学院,上海 200444
Optimization and experiment of heliostat surface shape bracing structure based on plane truss
Song CHENG1(),Zong-feng ZOU2,*()
1. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200444, China
2. School of Management, Shanghai University, Shanghai 200444, China
 全文: PDF(2014 KB)   HTML
摘要:

针对反射面成型的复杂影响因素,提出平面桁架构建的定日镜面形支撑结构优化技术路线. 利用模拟仿真、数值计算和优化算法等方法,解析20 m2定日镜面形定义技术路线的4个组成环节:面形规格及宽高比、上弦杆的截面矩、平面桁架组间距的最优值、机加工中工艺控制要点的量化. 试制小型定日镜进行实验,分析光斑形状和能流密度分布特性,并与理想球面形光斑比较,两者的拟合优度大于0.98. 实验结果表明,当反射镜宽高比取1.2,上弦杆截面矩取40 000 mm4,桁架组间距取950 mm,上弦杆和斜杆的开孔公差小于0.9 mm时,反射面形的质量提升. 研究从原理和实践上证明了该优化技术路线的可行性.

关键词: 定日镜面形平面桁架粘接方式光斑    
Abstract:

A technical route of the optimization of heliostat surface bracing structure based on plane truss was proposed because of the complex influence factors of reflector forming. Four key points that included the surface width/height ratio of the 20 m2 heliostat, the cross-section moment of the upper chord, the optimization of the space between the plane truss groups and the quantification of control points in machining stage was analyzed, by simulation, numerical calculation and optimization algorithm. Trial-manufacture and field experiment was conducted that the distribution characteristics of spot sharp and energy flux were the same as that of ideal spherical shape, and their goodness of fit was greater than 0.98. The experimental results showed that when the surface width/height ratios set to 1.2, the cross-section moment of the upper chord set to 40 000 mm4, the truss groups spacing set to 950 mm, the tolerance of upper chord and inclined rod was less than 0.9 mm, and the reflective surface quality was improved. The feasibility of optimization technique route was proved by the principle and practice.

Key words: heliostats    surface shape    plane truss    bonding mode    spot
收稿日期: 2019-06-26 出版日期: 2020-12-31
CLC:  TP 301  
通讯作者: 邹宗峰     E-mail: chengsong@shanghai-electric.com;zfzou@mail.shu.edu.cn
作者简介: 程松(1976—),男,博士生,从事塔式太阳能热发电的研究. orcid.org/0000-0002-8242-7520.E-mail: chengsong@shanghai-electric.com
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程松
邹宗峰

引用本文:

程松,邹宗峰. 平面桁架构建的定日镜面形支撑结构优化及实验[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(12): 2310-2320.

Song CHENG,Zong-feng ZOU. Optimization and experiment of heliostat surface shape bracing structure based on plane truss. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(12): 2310-2320.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.12.005        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I12/2310

图 1  定日镜场典型位置示意图
编号 x y z
1 200 0 3
2 141 141 3
3 0 200 3
4 ?141 141 3
5 ?200 0 3
6 ?141 ?141 3
7 0 ?200 3
8 141 ?141 3
9 1 200 0 0
10 849 849 3
11 0 1 200 3
12 ?849 849 3
13 ?1 200 0 3
14 ?849 ?849 3
15 0 ?1 200 3
16 849 ?849 3
表 1  定日镜坐标表
图 2  定日镜宽高比与光斑尺寸曲线图
图 3  定日镜宽高比与平均光学效率曲线图
图 4  整机示意图
图 5  上弦杆受力示意图
材料 E/Pa μ ρm /(kg·m?3
200×109 0.30 7 800
反射镜 7×1010 0.20 2 500
双面胶带 60 000 0.49 710
表 2  定日镜支撑结构材料参数表
图 6  上弦杆截面参数优化算法流程图
图 7  上弦杆截面矩与挠度误差曲线图
图 8  上弦杆截面图
图 9  不同布局下的面形标准误差
图 10  不同俯仰角的面形标准误差
图 11  反射镜薄板的支撑示意图
图 12  2种方式下反射镜中心应力计算对比图
图 13  铰接孔误差导致的上弦杆弯曲线形误差
图 14  孔位置偏差与面形标准误差曲线
图 15  面形支撑结构设计技术路线
宽/mm 高/mm 面形
半径/m
弦杆
材料
上弦杆截
面矩/mm4
上弦杆
间距/mm
双面
胶宽/mm
800 1 400 74 铝型材 3 000 380 20
表 3  实验定日镜主要参数
图 16  实验定日镜外形和面形标准误差图
地理位置 时间 距离 朗伯靶方位 朗伯靶尺寸
北纬31.25东经121.47 2019-03-15 37 m 正南高4 m 1.5 m×1.5 m
表 4  光斑实验条件
图 17  PillBox模型分布示意图
图 18  反射镜面斜率误差示意图
图 19  实验光斑与仿真光斑对比图
图 20  仿真和实验光斑沿径向的能量占比
图 21  仿真和实验光斑沿u、v方向的能流密度概率
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