近日，我校机电工程学院颜健副教授课题组在大型碟式太阳能聚光系统服役光学性能方面取得进展，相关研究成果以“Wind load and load-carrying optical performance of a large solar dish/stirling power system with 17.7 m diameter”为题，发表在国际能源领域Top期刊《Energy》（Top，中科院一区，IF: 9.0）。近年来，颜健副教授在振动与视觉研究所、新能源技术与装备开发研究生导师团队的支持下，与其导师彭佑多教授一直致力于开展太阳能聚光装备高精设计与服役性能保障研究，从提出太阳能聚光系统普适性的光-机集成建模方法，再到聚光系统服役精度特性和性能保持等方面持续深入研究，该论文正是从去年开始连续在Energy期刊发表的系列研究之四-自重与风载联合下服役光学性能，展示了服役载荷对其结构变形、镜面斜率误差和能流分布等影响，确定了风载荷导致光学性能恶化的主要原因与表现形式，为后续的服役光-热性能保障提供了重要基础。

▲论文首页

太阳能碟式/斯特林发电系统是聚光太阳能热发电技术中一种重要的发电装备，主要由抛物碟式聚光系统和斯特林热机组成，具有高聚光比、高光学效率和高光-电转换效率等优点，在分布式或集中式发电领域中均具有广阔的应用前景。通常碟式聚光系统中抛物镜面的直径可达到10.0~20.0 m，由于它具有迎风面积非常大（反射镜面积可达204 m2）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碟式/斯特林系统能在一定风速内（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。因此，风载荷对碟式/斯特林系统的安全高效运行起着至关重要的作用，详细评估自重和风载荷联合作用下碟式/斯特林系统的服役光学性能尤为重要，有助于揭示风载荷导致碟式/斯特林系统光学性能恶化的主要原因和表现形式，能为面向光学性能的碟式聚光系统结构设计和误差补偿提供重要依据。

▲作者团队联合湘电集团建造的大型太阳能碟式/斯特林发电系统

▲典型风工况下碟式聚光系统的绕流特性

以团队建造的38 kW大型碟式/斯特林系统为对象(XEM-Dish系统)，数值模拟并分析了风向角0°~180°(17.1 m/s风速)和聚光器高度角0°~90°组合的35组工况下XEM-Dish系统的风载荷规律，包括镜面风压分布和气动六分力载荷，并通过文献风洞实验结果验证了其正确性。联合有限元方法和光线跟踪方法建立了XEM-Dish系统的光-机集成模型，详细评估了自重和风载荷联合作用对其结构变形、镜面斜率误差和能流分布等影响，发现了风载荷导致XEM-Dish系统光学性能恶化的主要原因和表现形式，类似于跟踪误差影响导致的偏焦问题，可通过跟踪补偿来消除或减小上述不利影响。水平总风载荷中阻力载荷占主导，它们与方位力矩系数CMz一样均随高度角的增加而减小；高度角为90°时任意风向下CMz均趋于0，而其他高度角下CMz均在风向角为120°时达到最大，峰值CMz是在0°-120°(高度角-风向角)工况达到了-0.23。仅考虑聚光器变形时，在最不利的45°-0°工况下镜面斜率误差分量SDx和SDy均达到最大，分别为1.755 mrad和1.828 mrad，但光学效率仍能保持在89.06%，非常优异。XEM-Dish系统整体变形时，在最不利的45°-0°工况下SDx值已达到7.702 mrad，且聚焦能流分布极其不均匀，但光学效率仍保持在87.0%左右。

▲45°高度角和不同风向角组合工况下XEM-Dish系统的结构变形分布、镜面斜率偏差及其密度统计分布

▲自重和风载荷联合作用下XEM-Dish系统的焦平面和吸热器表面的能流分布

该项工作得到了国家自然科学基金（52105097）、湖南省教育厅科学研究项目（重点项目-22A0343）和湖南省自然科学基金-面上项目（2023JJ30260）等资助。

论文信息：

Jian Yan*,YouDuo Peng, YongXiang Liu. Wind load and load-carrying optical performance of a large solar dish/stirling power system with 17.7 m diameter. Energy, 2023, https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129207

（一审：李海屿 二审：王 虎 三审：李洪华）