一种刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器及其风振控制方法

本发明属于太阳能聚光热发电领域，尤其是涉及一种刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器及其风振控制方法。

背景技术：

1、聚光太阳能热发电技术是采用大面积镜面组成的聚光器将低密度的太阳辐射能聚焦到小面积的接收器上，形成高密度辐射能用于加热接收器内的流体工质，进而驱动热机-发电机组进行发电。聚光太阳能热发电技术是一项具备成为基础负荷电源潜力的太阳能源应用技术，它作为清洁能源大家庭中的“新宠”，在未来能源中扮演着重要的角色，是实现未来能源结构升级并助力“碳达峰、碳中和”目标的重要途径之一，一直被广泛关注和积极实施。主要包括塔式系统、碟式系统、抛物槽式系统和线性菲涅尔式系统四种典型类型，他们的一个共性关键要求是以太阳能聚光器优异的服役光学性能来保障其安全高效运行，这在太阳能聚光利用的其他领域也是如此。

2、然而，太阳能聚光器工作在开阔地带，由于它具有迎风面积非常大和透风性差等特点，服役时的光学性能受风载荷影响非常敏感。风载荷作用导致的结构变形将产生镜面斜率误差和指向误差，进而显著恶化其聚焦性能和接收器能流密度分布等光学性能指标。尤其是商业电站苛刻的要求太阳能聚光器能在一定风速内(通常为六级~八级风速内)正常聚光发电运行，这给其安全、高效运行带来更加严峻的挑战。为了改善服役载荷作用下的聚光精度，目前普遍做法是优化聚光器的机架结构参数减小变形来“保障”聚光精度，导致的结果要么是结构刚度过大而成本高或限于经济性要求其结构刚度并不“富裕”，对风载荷下的服役性能无法保证。因此，发明创造一种新型结构形式的低成本轻量化太阳能聚光器，并提出一种风振控制方法尤为重要，能显著提升聚光服役性能和降低聚光器的制造、运输等成本。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器及其风振控制方法，它是通过减小安装反射镜的支撑背架的结构尺寸和创新结构形式，并在支撑背架的前后两侧配置若干预紧的钢索来增强其面外刚度，与钢索连接的刚度阻尼调节器可实现阻尼和钢索预紧力的调节，并通过一种风振控制方法来最优控制阻尼和刚度的调节来减小聚光器的风振响应。

2、本发明采用的技术方案是：一种刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器，包括支撑背架、矩形阵列布置在支撑背架前侧并通过其背部带螺杆的陶瓷垫与支撑背架固定连接的若干反射镜、垂直固定于地平面的立柱、安装在立柱顶端实现支撑背架视日跟踪的双轴跟踪装置和控制器；它还包括分别固定于支撑背架前后两侧的前端支撑杆和后端支撑杆、将前端支撑杆与后端支撑杆分别与支撑背架连接的若干钢索；该支撑背架包括中心法兰筒、焊接于中心法兰筒周向且同轴均匀布置的至少4根主支撑梁、位于相邻2个主支撑梁角中心线的焊接于中心法兰筒的次支撑梁、连接主支撑梁和次支撑梁端部并形成矩形框结构的若干外连接杆、连接主支撑梁和次支撑梁并形成同心矩形框结构的若干横连接杆和竖连接杆；该前端支撑杆由若干法兰筒和刚度阻尼调节器进行交替依次同轴固定连接而成，首个法兰筒的另一端与支撑背架的中心法兰筒前端同轴固定；该后端支撑杆由若干刚度阻尼调节器和法兰筒进行交替依次同轴固定连接后再与铰接法兰筒连接而成，该铰接法兰筒的另一端与支撑背架的中心法兰筒后端同轴固定，铰接法兰筒设置的两个铰耳与双轴跟踪装置铰接实现高度跟踪；该前端支撑杆中刚度阻尼调节器的数量与后端支撑杆的相等，均为m个；该刚度阻尼调节器包括前端带法兰盘且呈圆柱管结构的外套筒、同轴焊接在外套筒尾端的法兰圆盘、通过缸体同轴固定于外套筒圆柱孔内的双杆液压缸、电动球阀、与双杆液压缸中活塞杆的左伸出端同轴固定的拉索法兰、与活塞杆的右伸出端同轴固定的可轴向拉压受力的弹性元件、与弹性元件另一端同轴固定的带外螺纹的螺纹轴和带齿轮减速器的电动机；该螺纹轴穿过法兰圆盘中心的圆孔后与周向带齿轮结构的螺母进行螺纹连接，该螺母的齿轮结构与齿轮减速器进行啮合配合，齿轮减速器可承受螺纹轴的轴向推力；该外套筒靠近前端的圆柱壁周向均匀设有n个长条形的开槽，拉索法兰沿圆周设有与该开槽数量相等的连接块，且每个连接块位于一个开槽内能相对滑动；该双杆液压缸的左右活塞腔通过液压管路和电动球阀进行连通；在支撑背架上以中心法兰筒的轴线为圆心设有m圈半径不同的钢索固定孔，且每圈钢索固定孔的周向均匀阵列的数量均为n；同圈的每个钢索固定孔均通过钢索分别与前端支撑杆和后端支撑杆中同一个刚度阻尼调节器的拉索法兰的连接块进行连接并预紧；该控制器控制各刚度阻尼调节器中的电动机和电动球阀的开度，以及双轴跟踪装置的电动机。

3、所述的刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器中，所述的主支撑梁的刚度大于次支撑梁，它们均是变截面的槽钢、角钢或矩形管结构，且截面尺寸从中心法兰筒向末端逐渐减小；所述的钢索固定孔均位于主支撑梁和次支撑梁上。

4、所述的刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器中，所述的主支撑梁为4根，前端支撑杆中刚度阻尼调节器的数量m等于2，且前端支撑杆与后端支撑杆中的2个刚度阻尼调节器依次关于反射镜对称；拉索法兰圆周的连接块数量n等于4；支撑背架的内外2圈钢索固定孔分别位于次支撑梁和主支撑梁上；该内圈钢索固定孔通过钢索分别与前端支撑杆和后端支撑杆中靠近反射镜的刚度阻尼调节器进行连接；而外圈钢索固定孔通过钢索分别与前端支撑杆和后端支撑杆中另一个刚度阻尼调节器进行连接。

5、一种刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器的风振控制方法，包括以下步骤：

6、步骤1：采用有限元方法建立所述的索拉太阳能聚光器的有限元动力学分析模型，考虑柔性钢索的非线性特性和预紧力影响，以及各刚度阻尼调节器中电动球阀不同开度的阻尼特性；

7、步骤2：确定索拉太阳能聚光器的脉动风载荷：通过现场实测、缩尺风洞实验或计算流体动力学模拟方法确定不同风向角、不同平均风速和聚光器不同工作高度角的风载组合工况下反射镜面的脉动风压载荷，形成动力学模拟要用的索拉太阳能聚光器的风载荷边界，此处的风向角、平均风速和工作高度角均是离散的典型数值；

8、步骤3：基于步骤1建立的有限元模型和步骤2确定的风载荷边界，并固定索拉太阳能聚光器中立柱的底端，模拟不同风载组合工况下不同电动球阀调节开度和钢索预紧力调节参数下的风振响应，并统计各风载组合工况与调节参数下聚光器反射镜表面的振动位移均方根值；形成不同风载组合工况下反射镜面风振位移均方根值与电动球阀调节开度和钢索预紧力的数据库；

9、步骤4：基于步骤3的数据库，采用神经网络预测算法对此数据库进行训练，并获得输入风载组合工况、电动球阀调节开度和钢索预紧力时能输出反射镜面风振位移均方根值的预测模型；然后，以电动球阀调节开度和钢索预紧力为优化变量并结合实际情况确定该变量的优化区间，以反射镜面风振位移均方根值最小为目标，基于此预测模型并采用遗传算法优化得到不同风载组合工况下最佳的电动球阀调节开度和钢索预紧力，并形成优化调节数据库；

10、步骤5：基于步骤4的优化调节数据库，采用神经网络预测算法对此数据库进行训练并获得风振控制预测模型，实现风向角、平均风速和聚光器工作高度角连续数值输入下的最佳电动球阀调节开度和钢索预紧力的预测；

11、步骤6：将步骤5的风振控制预测模型植入控制器中，并以索拉太阳能聚光器现场运行过程中实测得到的平均风速、风向角和聚光器工作高度角为反馈信息，由风振控制预测模型获得最佳的电动球阀调节开度和钢索预紧力，以此为依据来通过控制器去控制调节各刚度阻尼调节器中电动球阀的开度，以及控制电动机调节各刚度阻尼调节器中螺母转角来实现钢索预紧力的调节。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的刚度阻尼可变的索拉太阳能聚光器具有结构简单、用材量少、安装简单且造价成本低等优点，本发明采用由变截面的主支撑梁和次支撑梁，以及若干外连接杆等组成的矩形框结构形式的简单且轻量的支撑背架，并通过两侧布置的若干刚度阻尼调节器，通过若干钢索将支撑背架与刚度阻尼调节器进行连接，显著增强了支撑背架的面外刚度，提升了风压载荷下的承载刚度；刚度阻尼调节器可以通过控制器去控制调节其电动球阀的开度实现阻尼力调节，以及控制电动机调节其螺母转角来实现钢索预紧力的调节，能适应风载工况的聚光器风振控制；本发明的索拉太阳能聚光器的风振控制方法通过预先植入控制器的风振控制预测模型，通过现场运行过程的平均风速、风向角和聚光器工作高度角为反馈信息，预测最佳的电动球阀调节开度和钢索预紧力，以此为依据来通过控制器去调节各刚度阻尼调节器来实现风振控制，具有优异的动态适应性和优异效果。