光伏光热一体机聚光单元的优化设计

【摘要】：光伏光热一体机采用聚光跟踪技术，把数倍太阳光汇聚到光伏电池上，提高了单位面积光伏电池的发电量；采用层压工艺，将光伏电池与热交换器层压成一体，确保光伏电池的工作温度低于60℃，保证光伏电池得到较高光电转化效率的同时，又获取无法转化为电能的光热，从而实现光伏和光热的综合利用。聚光单元作为光伏光热一体机的主要部件，影响着光伏光热一体机的工作性能，对其进行强度、刚度分析以及优化设计，保证其工作性能和使用寿命，都有着重要的工程意义。 根据课题的需要，主要对以下几个方面展开了研究： 1）光伏光热一体机聚光单元有限元模型的建立与静强度分析。运用Hypermesh和ANSYS Workbench进行联合仿真，建立聚光单元的有限元模型，并进行静态分析。在垂直光伏组件方向8级大风等效均布载荷作用下，对聚光单元进行了强度和刚度分析。 2）在垂直光伏组件方向8级大风等效均布载荷作用下，对聚光单元的关键部位进行应变电测实验。根据静强度分析的结果，选取聚光单元上的关键点，进行应变电测实验，然后对比静强度分析的结果，校核有限元分析模型，从而得到可靠的有限元模型；最后考虑重力作用，运用该有限元模型，分别在垂直光伏组件方向的等效8级风载和等效12级风载作用下，对聚光单元的强度和刚度进行了分析。 3）聚光单元的动态分析。运用虚拟样机技术，在ADAMS中建立聚光单元虚拟样机模型，对聚光单元在水平方向等效8级风载作用下，进行动态分析，算出聚光单元运动过程中的最大受力位置，然后对其进行动强度和刚度分析。 4）光伏光热一体机聚光单元的优化设计。运用ANSYS Workbench中的DesignXplorer模块，对一体机聚光单元的结构参数进行优化，优化聚光单元中镜架悬臂梁、镜架支撑钢管和镜架连接块的尺寸，在保证聚光单元强度和刚度的前提下，减少聚光单元的耗材，减轻了聚光单元的重量，降低了成本。 通过以上研究，对现有光伏光热一体机聚光单元的静态特性和动态特性进行了有限元分析，在保证聚光单元工作性能的前提下，对聚光单元进行了优化设计，从而降低聚光单元的重量达8.0%左右，减少聚光单元钢材消耗11.2%左右。 【关键词】：聚光单元 有限单元法 强度 应变电测 虚拟样机 优化设计
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-13
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 光伏光热联用系统（PV/T）国内外研究现状10-11
• 1.3 主要研究内容11-13
• 第2章 光伏光热一体机聚光单元13-21
• 2.1 光伏光热一体机13-14
• 2.2 聚光单元14-17
• 2.2.1 聚光单元聚光光路图及其相关结构参数的确定14-16
• 2.2.2 聚光单元的主要结构16-17
• 2.3 聚光单元的主要技术参数与主要设计要求17-18
• 2.4 聚光单元的受载分析18-20
• 2.4.1 几种风载情况18-19
• 2.4.2 风压的计算19-20
• 2.5 小结20-21
• 第3章 光伏光热一体机的静强度分析21-30
• 3.1 有限单元法21
• 3.2 有限单元法的应用软件介绍21-22
• 3.3 聚光单元有限元模型的建立22-24
• 3.3.1 建立有限元模型的基本原则22-23
• 3.3.2 聚光单元有限元模型的简化23-24
• 3.4 聚光单元的有限元分析24-28
• 3.4.1 在 Pro/E 中创建实体几何模型24
• 3.4.2 在 Hypermesh 中创建有限元网格模型24-25
• 3.4.3 与 ANSYS Workbench 的联合仿真25-28
• 3.5 小结28-30
• 第4章 聚光单元的静态强度测试30-39
• 4.1 电阻应变测量法30-31
• 4.2 试验准备31-33
• 4.2.1 测试点选取31
• 4.2.2 测试系统组成31-32
• 4.2.3 测量电桥的选择32-33
• 4.3 试验过程33-35
• 4.4 应变电测法与有限元分析结果的对比与分析35-36
• 4.5 校核后有限元模型的强度分析36-38
• 4.6 小结38-39
• 第5章 光伏光热一体机聚光单元的动态仿真分析39-50
• 5.1 虚拟样机技术39
• 5.2 ADAMS 简介39
• 5.3 聚光单元虚拟样机的建立39-41
• 5.3.1 几何模型的建立39-40
• 5.3.2 虚拟样机仿真模型的建立40-41
• 5.4 聚光单元的动力学仿真分析41-48
• 5.4.1 自由度的计算41-42
• 5.4.2 动力学仿真分析42-48
• 5.5 小结48-50
• 第6章 光伏光热一体机聚光单元的聚光单元优化设计50-62
• 6.1 聚光单元优化设计的研究内容50
• 6.2 聚光单元的优化设计50-58
• 6.2.1 优化方法50
• 6.2.3 建立参数化模型50-51
• 6.2.4 聚光单元的尺寸优化51-58
• 6.3 聚光单元优化后的静强度验证58-59
• 6.4 聚光单元优化后的动强度验证59-60
• 6.5 聚光单元优化前后对比60-61
• 6.6 小结61-62
• 第7章 结论与展望62-64
• 7.1 工作总结与结论62-63
• 7.2 今后研究工作与展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的学术论文68

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