一种风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法与流程

本发明属于定日镜聚光效率评估技术领域，涉及一种风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法。

背景技术：

定日镜结构是一种由反光镜、支撑镜架、底部基座、跟踪系统和控制系统等组成的聚光设备，反光镜面由背部刚性支架支撑，通过跟踪系统跟踪太阳运行轨迹并反馈给控制系统，最终使镜面调整成合适的俯仰角和方位角，以确保将太阳光线准确的反射到集热塔上的吸热装置上。为了将太阳光线准确的反射到集热塔顶，定日镜结构在工作中俯仰角和方位角时刻在改变。

当前部分对定日镜在风荷载作用下的聚光效率的研究，结果表明定日镜在夏至日14时由风荷载导致的聚光损失最大，高达10.73%。定日镜在风荷载下的变形采用了通过建立离散节点与变形镜面曲面的联系，采用b样条全局曲面插值法将离散节点进行曲面重构。实际中，由于镜面玻璃的材料属性，定日镜的镜面变形并不以曲面弯曲变形为特征，而是整体剪切变形为主；其次，考虑到定日镜面板均有若干块小型各自独立变形的分块玻璃，采用整体节点曲面重构来代表定日镜变形特征并不合适。

技术实现要素：

本发明针对现有的技术存在的上述问题，提供一种风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法，包括如下步骤：

s1：通过太阳在预设时间时相对地球的第一方位角和相对地球的高度角获取定日镜在预设时间的俯仰角和第二方位角；

s2：获取预设时间时定日镜的表面风压并将表面风压转换成施加到有限元结构的实际荷载，将实际荷载施加到有限元结构上进行结构变形计算获取定日镜的镜面变形信息；

s3：根据镜面变形信息提取分区内的变形点坐标，根据变形点坐标建立定日镜镜场空间坐标系，在定日镜镜场空间坐标系下通过俯仰角和方位角利用矢量关系计算出变形点对应的反射关线与集热塔上的吸热区域的关系并获取定日镜预设时间时风载造成的聚光效率。

优选的，步骤s1中包括：

s11：引入赤道坐标系和地平坐标系；

s12：通过公式计算赤纬角，其中n表示一年当中的预设日期；

s13：通过公式计算太阳在预设时间时相对地球的第一方位角和通过公式计算太阳在预设时间时相对地球的高度角，其中表示预设位置处地理纬度，表示时角，表示时刻。

优选的，步骤s1中还包括：

s14：建立以吸热塔底部为坐标轴原点、吸热塔高度方向为z轴、定日镜所在地平面为x-y平面的空间坐标系；

s15：确定吸热塔的中心位置为空间坐标系中的a点（0，0，z），确定定日镜场中预设定日镜的中心为x-y平面的p点(xp,yp,0)，p点的太阳入射光线单位矢量为和反射光线从p到a的单位矢量分别通过公式和计算；

s16：在和所表示的平面中，为镜面法向量，、和所围成的夹角为，则可以得到，，，，，，其中为定日镜在预设时间时预设位置处镜面法矢的俯仰角，为定日镜在预设时间时预设位置处镜面法矢的第二方位角。

优选的，步骤s2包括：

s21：建立定日镜的计算模型；

s22：根据计算模型创建定日镜周围流域计算网格；

s23：在计算网格下通过计算流体动力学计算获取镜面风压；

s24：提取镜面控制点的风压值，每个风载控制区域选取第一预设数量的提取点，最后以该第一预设数量的点的风压均值计算出该控制点风压值；

s25：将算出对应时刻的风压值编辑ansys命令施加到定日镜有限元模型上进行结构变形计算获取定日镜的镜面变形信息。

优选的，步骤s2中通过cfd计算软件ansys-fluent模拟获取预设时间时定日镜的表面风压并将表面风压转换成施加到有限元结构的实际荷载，将实际荷载编写成ansys命令施加到有限元结构上进行结构变形计算获取定日镜的镜面变形信息。

优选的，步骤s3中包括：

s31：将单个镜面分成多个以控制点为中心的预设区域；

s32：通过ansys计算提取预设区域第一预设数量的端点变形后的坐标值，利用三个端点构成平面n1，通过三个端点坐标可以得出n1面的法矢量；

s33：在n1区域的内选取第二预设数量的变形点，各点共用面法矢量，在定日镜镜场坐标系通过俯仰角和方位角利用矢量关系计算出各变形点对应的反射关线与集热塔上的吸热区域的关系。

优选的，步骤s3中还包括：

s34：根据反射原理可以将在n1区域的内选取的点和入射光线通过公式、计算出反射光线的矢量，并计算出反射光线方程和计算光损时以接收区域上点的数目，通过点数折算出该区域镜面的有效反射面，最后得到聚光效率。

优选的，s32：通过ansys计算提取预设区域四个端点变形后的坐标值，其中三个端点构成平面n1，通过三个端点坐标可以得出n1面的法矢量。

优选的，s24：提取镜面控制点的风压值，每个风载控制区域选取4个提取点，最后以该4个点风压均值计算出该控制点风压值，，其中对应第面镜子第排第个控制点。

优选的，步骤s34中通过矢量计算出反射光线方程，在计算光损以接收区域内上点的数目，通过点数折算出该区域镜面的有效反射面积，通过公式计算反射面积，通过公式计算聚光效率，其中为区域镜面面积，为区域内总点数，为反射光线在接收区域的点数，为聚光效率。

本发明中提出的风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法，可以解决现有评估方法中对风荷载引起的结构变形对聚光效率评估的需要，该评估方法不局限于定日镜场建立后的验证性评估，而是可以基于当地气象资料开展计算进行先验性评估，在建造之前进行评估，在定日镜场建造后，可以通过在定日镜表面设置位移传感器，获得定日镜在风荷载作用下表面变形信息后，仍然可以采用本方法进行聚光效率的长期监测，可以为光热发电站提供定日镜聚光效率事先评估和事后监测的计算依据。

附图说明

图1是本发明中的赤道坐标系；

图2是本发明中的地平坐标系；

图3是本发明中的定日镜场单镜高度角和方位角计算示意图；

图4是本发明中的计算模型的示意图；

图5是本发明中的计算网格整体划分情况的示意图；

图6是本发明中的计算网格定日镜局部网格划分的示意图；

图7是本发明中的整体镜面的示意图；

图8是本发明中的整体镜面中的局部镜面的示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8，本实施例中的风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法，包括如下步骤：

s1：通过太阳在预设时间时相对地球的第一方位角和相对地球的高度角获取定日镜在预设时间的俯仰角和第二方位角；

s2：获取预设时间时定日镜的表面风压并将表面风压转换成施加到有限元结构的实际荷载，将实际荷载施加到有限元结构上进行结构变形计算获取定日镜的镜面变形信息；

s3：根据镜面变形信息提取分区内的变形点坐标，根据变形点坐标建立定日镜镜场空间坐标系，在定日镜镜场空间坐标系下通过俯仰角和方位角利用矢量关系计算出变形点对应的反射关线与集热塔上的吸热区域的关系并获取定日镜预设时间时风载造成的聚光效率。

此处，本发明中提出的风荷载作用下定日镜聚光效率评估方法，可以解决现有评估方法中对风荷载引起的结构变形对聚光效率评估的需要，该评估方法不局限于定日镜场建立后的验证性评估，而是可以基于当地气象资料开展计算进行先验性评估，在建造之前进行评估，在定日镜场建造后，可以通过在定日镜表面设置位移传感器，获得定日镜在风荷载作用下表面变形信息后，仍然可以采用本方法进行聚光效率的长期监测，可以为光热发电站提供定日镜聚光效率事先评估和事后监测的计算依据。

请参阅图1和图2，步骤s1中包括：

s11：引入赤道坐标系和地平坐标系；

s12：通过公式计算赤纬角，其中n表示一年当中的预设日期，以1月1日为起点计算n表示一年当中的第几天，以2019年为例：春分日n=80；夏至日n=172；秋分日n=266；冬至日n=356；

s13：通过公式计算太阳在预设时间时相对地球的第一方位角和通过公式计算太阳在预设时间时相对地球的高度角，其中表示预设位置处地理纬度，表示时角，表示时刻，对应24小时制。

请参阅图3，步骤s1中还包括：

s14：建立以吸热塔底部为坐标轴原点、吸热塔高度方向为z轴、定日镜所在地平面为x-y平面的空间坐标系；

s15：确定吸热塔的中心位置为空间坐标系中的a点（0，0，z），确定定日镜场中预设定日镜的中心为x-y平面的p点(xp,yp,0)，p点的太阳入射光线单位矢量为和反射光线从p到a的单位矢量分别通过公式和计算；

s16：在和所表示的平面中，为镜面法向量，、和所围成的夹角为，则可以得到，，，，，，其中为定日镜在预设时间时预设位置处镜面法矢的俯仰角，为定日镜在预设时间时预设位置处镜面法矢的第二方位角。

请参阅图4、图5、图6，步骤s2包括：

s21：建立定日镜的计算模型；

s22：根据计算模型创建定日镜周围流域计算网格；

s23：在计算网格下通过计算流体动力学计算获取镜面风压；

s24：提取镜面控制点的风压值，每个风载控制区域选取第一预设数量的提取点，最后以该第一预设数量的点的风压均值计算出该控制点风压值；

s25：将算出对应时刻的风压值编辑ansys命令施加到定日镜有限元模型上进行结构变形计算获取定日镜的镜面变形信息。

步骤s2中通过cfd计算软件ansys-fluent模拟获取预设时间时定日镜的表面风压并将表面风压转换成施加到有限元结构的实际荷载，将实际荷载编写成ansys命令施加到有限元结构上进行结构变形计算获取定日镜的镜面变形信息。

请参阅图7、图8，步骤s3中包括：

s31：将单个镜面分成多个以控制点为中心的预设区域，如图7位整体分区域图，将整个镜面分成若干个区域，如图8为其中a11的模拟区域；

s32：通过ansys计算提取预设区域第一预设数量的端点变形后的坐标值，利用三个端点构成平面n1，通过三个端点坐标可以得出n1面的法矢量；

s33：在n1区域的内选取第二预设数量的变形点，第二预设数量数目足够大以提高精度，各点共用面法矢量，在定日镜镜场坐标系通过俯仰角和方位角利用矢量关系计算出各变形点对应的反射关线与集热塔上的吸热区域的关系。

步骤s3中还包括：

s34：根据反射原理可以将在n1区域的内选取的点和入射光线通过公式、计算出反射光线的矢量，并计算出反射光线方程和计算光损时以接收区域上点的数目，通过点数折算出该区域镜面的有效反射面，最后得到聚光效率。

s32：通过ansys计算提取预设区域四个端点变形后的坐标值，其中三个端点构成平面n1，通过三个端点坐标可以得出n1面的法矢量。

s24：提取镜面控制点的风压值，为了降低误差，每个风载控制区域选取4个提取点，最后以该4个点风压均值计算出该控制点风压值，，其中对应第面镜子第排第个控制点。

步骤s34中通过矢量计算出反射光线方程，在计算光损以接收区域内上点的数目，通过点数折算出该区域镜面的有效反射面积，通过公式计算反射面积，通过公式计算聚光效率，其中为区域镜面面积，为区域内总点数，为反射光线在接收区域的点数，为聚光效率。通过将镜面分区计算，并以分区端点变形坐标为计算基准，利用三个端点构成的平面。避免了整体节点曲面重构来代表定日镜变形中的人为将镜面变形考虑为曲面弯曲变形的缺陷，各分区镜面在计算中只有端点坐标受到风荷载产生变化，分区镜面在计算过程中保持平面性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。