高原环境下塔式太阳能热发电定日镜风致振动响应及自适应动力吸振器的研究

With many problems and challenges faced by petrochemical energy, solar thermal power generation, as a pure clean energy power generation technology with great potential, has a very broad development prospect in China. However, the heliostat structure of the core equipment of solar thermal power generation system is easily forced to vibrate under the action of strong wind load, which will directly weaken its concentrated light characteristics and affect its power generation efficiency. The safety of the equipment will also be seriously threatened. The safety and reliability of its operation will be directly related to the stable and safe operation of the power generation system. Qinghai Province has abundant solar energy resources, unique high altitude geomorphological features and strong wind climate and other geographical characteristics, in addition to the special requirements for the construction location of solar thermal power plants. Therefore, it is urgent to study the wind-induced vibration characteristics and suppression methods of heliostat in solar thermal power generation system in plateau environment. According to the characteristics of wind load in Qinghai area and the finite element model of heliostat, the static and dynamic analysis is carried out. The modeling and vibration suppression design indexes of heliostat system are analyzed and studied. An adaptive variable excitation dynamic vibration absorber based on smart material magnetorheological is designed and an adaptive tracking control algorithm is designed. The innovative integrated design of adaptive variable excitation dynamic vibration absorber is realized, the range of frequency tracking is widened, and the effect of suppressing wind-induced vibration is improved.

随着石化能源面临的诸多问题和挑战，太阳能热发电作为一项极具潜力的纯清洁能源发电技术，在我国具有非常广阔的发展前景。但太阳能热发电站核心设备定日镜结构易在强风载荷作用下受迫振动，将直接削弱其聚光特性，影响其发电效率，设备的安全性也将会受到严重威胁，而其运行的安全可靠性将会直接关系到发电系统的稳定安全运行。青海省拥有丰富的太阳能资源以及独特的高海拔地貌特征和强风气候等地理特点，加之太阳能热发电站建设位置的特殊要求，因此亟需对高原环境下塔式太阳能热发电系统定日镜的风致振动特性以及抑制方法展开研究。课题依据青海地区风载荷特性，结合定日镜有限元模型进行静力学和动力学分析研究，对定日镜系统建模与振动抑制设计指标进行分析研究，研究设计基于智能材料磁流体材料的自适应变激励动力吸振器以及自适应跟踪控制算法，实现自适应变激励动力吸振器的创新集成设计，拓宽频率跟踪范围，提高对风致振动的抑制效果。

随着定日镜镜面面积的不断增大，其固有频率不断降低，使得定日镜在风荷载作用下极易引起微小振动，该振动将使反射光不能精确的反射到集热器上，导致集热效率的大幅降低，甚至极端情况下有可能会对定日镜镜面产生破坏，造成经济损失。基于此，该项目结合光热发电站工程用定日镜和与运行工况，使用定日镜样机缩比模型，对高海拔地区光热发电站定日镜镜面的风致振动特性与抑制方法进行了系统研究。首先基于ANSYS进行了静力学和动力学分析，获得了定日镜的镜面应力、应变特性，结合模态分析发现定日镜缩比模型一阶自振频率主要分布在10.7-11.08Hz，振型为垂直于镜面的上下振动，与定日镜原模型模态对比，一阶自振频率虽有所增加，但振型一致；结合定日镜-吸振器二自由度数学模型，对吸振器抑制振动性能参数进行了理论分析与计算，提出使用压缩式智能动力吸振器对风致振动进行跟踪抑制。其次，根据磁流体弹性体的电磁耦合变刚度机理，探索确定了使磁流变弹性体材料具有好的磁致力学特性的优化配方。研究中使用的质量分数为80%的磁流变弹性体可以在10.7-15.6Hz范围内进行调节。同时结合理论分析推导，对吸振器的机械结构及参数、磁路结构、控制方法进行了研究，设计了体积在为450×450×100 mm3，具有较宽的移频范围的动力吸振器。最后使用LabVIEW搭建界面友好、分析能力强的振动特性监测与控制平台，能够对定日镜镜面振动信号的振动特性进行采集、分析和振动特征提取。基于磁流变弹性磁致力学特性、振动状态和控制状态构建训练数据集，运用Python完成TD3深度强化学习跟踪控制算法的训练，将得到的最优控制策略部署嵌套至LabVIEW平台中，精确地控制励磁电流以实现吸振器中磁流变弹性体刚度的调整，实现快速跟踪调节动力吸振器振动频率的目的。通过定日镜缩比样机进行不同角度下的振动抑制实验，动力吸振器可以有效跟随外界振动频率变化并抑制镜面振动，镜面的振动幅值下降约70%左右，验证了控制算法和吸振器设计能够快速跟踪频率变化，吸振器系统能够有效抑制振动。