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在各种纵横比的定日镜和光伏跟踪器上的风载荷

摘要

对于太阳能跟踪器的布局，构件上的风载荷必须是已知的。它们可以通过使用文献中给出的风荷载系数来计算。但到目前为止，这些值仅对面板的长宽比（宽度与高度）约为1.0有效。因此，确定0.5和3.0之间纵横比的定日镜的风荷载系数以完善这部分的计算。

随着太阳跟踪器暴露于湍流大气边界层，接近流动的不稳定气流必须建模。以合理的成本选择风洞测量是一种可靠的方法。以1:20的模型规模研究30㎡面板尺寸的太阳能跟踪器。改变面板的风向和仰角以特别研究预期最高风力负荷的情况（临界负荷情况）。根据太阳能跟踪器的典型场所，通过提炼并且抽象其中的元素，实现了模型化风的风廓线和湍流强度。通过放置在模型下方的高频力平衡装置来测量载荷。另外，在具有1.2的纵横比的面板上进行压力分布的测量，以更好地理解导致风荷载系数出现峰值的原因。

测量长宽比的重要的意义。对于临界负载情况，确定相关的峰值风力载荷分量与宽高比的联系。通过这些，可以计算具有不同的纵横比的太阳能跟踪器上的峰值风力负荷。

关于单个太阳能跟踪器部件，主要结果是：较高的纵横比对于基座，吊架和升降驱动器的尺寸设计是有利的，但是对于方位角驱动器是不利的。

强调

►确定各种纵横比的太阳能跟踪器上的平均和峰值风载荷。选择大气边界层风洞试验作为适当的方法。►面板上测得的压力分布有助于理解相关效果。►塔架，地基和高程驱动负载随纵横比降低。►方位角驱动负载随纵横比增加。

关键词

定日镜，风荷载，长宽比，光伏跟踪器，中央接收器，太阳能塔厂

命名

A 镜面积（㎡）

b 镜面宽度（m）

c 风荷载系数（-）

c_F,meas,ra 测量风力系数纵横比r_a（-）

c_F,Pet 风力系数根据（Peterka and Derickson,1992），只有对于r_a=1（-）

c_{M，meas，ra} 测量风力矩系数r_a（-）

c_M，Pet 风力矩系数根据（Peterka and Derickson,1992），只有对于r_a= 1（-）

c_Py 圆柱塔风力系数（-）

D 塔直径（m）

d_ra 纵横比（r_a）峰值（-或m）

d_{ra，F，meas} r_a通过测量获得的力的依赖性，参见表2（-）

d_ra，F，Pet r_a 力的依赖性（Peterka and Derickson,1992），参见表2（-）

d_{ra，M，meas} r_a通过测量获得的力矩依赖的有效杠杆臂，参见表2（m）

d_ra，M，Pet r_a依赖的有效杠杆臂（Peterka and Derickson,1992），请参见表2（m）

F 风力（N）

F_DRAM，RA 计算的风力纵横比r_a基于各种r_a（N）

F_MEAS，RA 测量的风力纵横比r_a（N）

F_Pet,ra 风力纵横比r_a根据（Peterka and Derickson,1992）（N）

F_ra 风力在某一纵横比（N）

F_xPa 面板水平风力（N）

F_xPy 水平风力（N）

h 镜面高度（m）

H 仰角高度（m）

H_p 高度轴高度不用风遮蔽面板（m）

i 指示x，y，Hy或z

L 特性杠杆臂（m）

M 风引起的力矩（Nm）

M_dram,ra 基于具有各种r_a（Nm）的测量的纵横比r_a的计算风力矩, M_MEAS，RA 测量的风矩纵横比r_a（Nm）

M_Pet,ra 根据（Peterka and Derickson,1992）的纵横比r_a的风力矩（Nm）

M_ra 某一纵横比（Nm）

n 描述风廓线的幂律指数（-）

P_dyn 动压力（N/㎡）

R 阵风系数（峰值风速/平均风速，2-3秒阵风和18％湍流强度R=1.6）（-）

r_a=b/h 纵横比宽高比镜面高度（-）

V 平均轴高度H的平均风速（m/s）

v_ref 平均风洞高度（100cm）的平均风速（m/s）

v（z） 高度z的平均风速（m / s）

x 坐标，水平，垂直于仰角轴，在底部

y 坐标，水平，沿仰角轴，在底部

z 垂直向上（方位轴;高度（m）

z_ref 参考高度（m）

alpha; 镜面仰角，水平时0°（°）

beta; 风向，垂直于仰角时的0°（°）

Rho; 空气密度（kg/㎡）

1.介绍

随着光伏（PV）和太阳能热电厂对于世界范围的能量供应变得越来越重要，中央接收机发电厂和PV跟踪器的定日镜被建立在数量上。数量越高，结构的成本有效设计越重要。对于它们的尺寸，风荷载是决定性的并且因此应当被认为是要尽可能精确的。

太阳能跟踪器的一个重要特性是面板的纵横比。在确定纵横比时，必须考虑两个相反的目的：首先，为了减小太阳能跟踪器的高度并且因此减小平均风速，宽面板将是有利的。第二，为了避免长杠臂杆并且为了达到高场密度（假设太阳能跟踪器之间的距离由面板的对角线确定），正方形面板将是最好的。从简单板的研究中已知的是，纵横比会对风荷载具有显着影响（Sakamoto and Arie,1983）。因此要对太阳能跟踪器的成本有效的设计，其长宽比关于风载荷的影响必须是已知的。

（Peterka and Derickson,1992）通过边界层风洞试验广泛地研究了定日镜的风荷载。根据他们的报告，主风力负荷部件的风荷载系数可用。但他们明确指出，测试的定日镜几乎是正方形的，并且长宽比对测试的影响在他们的报告中是不知道的（第13页）。最近的出版物仅基于具有约1的纵横比的定日镜（Wang et al,2008 and Wu et al,2010）。因此，研究了长宽比（宽度/高度）0.5,1.0,1.2，1.5,2.0和3.0（参见图1）。虽然通常不选择0.5和3.0的纵横比用于太阳能跟踪器，但是研究这些值能得到更明显的结果，这有助于更清楚地理解引起纵横比依赖性的原因。

图1 长宽比为0.5,1.0,1.2,1.5,2.0和3.0的Heliostat模型。

背景技术研究的是具有液压驱动和30㎡的镜面积（HydroHeli^TM）的定日镜的开发。在这些研究之前，不可能以可靠的方式决定应该怎么选择镜面的纵横比。

出于均匀性原因，坐标系和特征长度根据（Peterka and Derickson,1992,第11页），参见图1.2。

图2 坐标系和特征长度（Peterka and Derickson,1992）。

2.方法和规格的选择

2.1 方法选择

理论上，风荷载可以在置于大气中的有着实际尺寸的定日镜模型中确定。但是风力条件的低再现性将使得几乎不可能比较具有不同纵横比的定日镜的结果。在数值计算（计算流体动力学，CFD）和在模型尺度的物理风洞试验中，避免了这个问题。

对于太阳能跟踪器的布局，风力负荷的峰值是决定性的因素。因此，CFD只是因为风荷载分量的峰值对攻击风中的湍流（阵风）高度敏感而几乎不合适。如(Peterka and Derickson,1992，第2页）在风洞试验中观察到的，已知为其他结构（Hucho,2002,第3.7章）。因此，重要的是，攻击风中的湍流应被适当地建模。对于CFD，这意味着必须产生湍流流入。Frouml;hlich（2006.pp.207ff）概述了可能的方法。已经在商业工具中实现的用于合成湍流产生的方法是涡流法（Sergent,2002 and Mathey et al., 2006）。此外，必须确保湍流在到达所研究的主体之前不消散。在共同的RaNS（雷诺平均Navier-Stokes）模拟中，平均值消除了流体中的湍流结构（Frouml;hlich，2006,第16页及其后）。所使用的湍流模型仅在微观尺度上解释了这一点。因此，至少捕获最大湍流结构的模拟方法是合适的（特别是LES，大涡模拟或DES，分离涡流模拟）（Spalart，2000）。此外，需要以实际尺度运行模拟至少10分钟，以确定风载荷系数的峰值（资料编号：[140934]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word