科研训练最终结题报告final.docx

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科研训练最终结题报告final

COMPACTLINEARFRESNELREFLECTOROFSOLARTHERMALSYSTEM

线性菲涅尔太阳能集热系统

结

题

报

告

学号：

1101510107

姓名：

曹育

指导老师：

黄新燕

2014年9月

南京理工大学机械工程学院

SchoolofMechanicalEngineering，NJUST

目录

绪论-2-

1.团队协调-2-

2.文献资料查阅-2-

3.集热系统设计前的准备-3-

3.1设计软件的选择-3-

3.2分析软件的选择-3-

4.结构设计-3-

4.1设计要求的确立-3-

4.2机械结构的选择-3-

4.3solidworks三维实体造型-4-

5.系统强度校核-6-

5.1对主轴的校核-7-

5.1.1主轴有限元模型-7-

5.1.2主轴各向应力图-7-

5.1.3变形图和位移图-9-

5.2对支架的校核-10-

5.2.1支架有限元模型-10-

5.2.2各向应力图-10-

5.2.3位移图和变形图-11-

5.3最终结论：

-12-

6.结题工作的开展和总结-12-

6.5总结-12-

7.参考文献-13-

绪论

线性菲涅尔反射镜聚焦太阳能于集热器，直接加热工质水，形成高温高压的蒸汽，推动汽轮机发电。

但由于线性菲涅尔太阳能热发电技术仍处在较为初级的阶段，故需要不断提升和发展，设计更为合理且经济的支撑结构，选取合适的材料。

本次科研训练主要为结合计算机绘图技术solidworks和有限元分析软件ANSYS来设计一太阳能集热系统并加以校核。

本次科研训练成果如下

1.团队协调

本次科研训练我很有幸成为了科研训练小组的负责人，为了充分调动小组成员的积极性，经小组讨论和老师提议，决定以俩周为单位，制定计划，每当遇到困惑时就去找指导老师来获得指导，及时发现科研进展中的不足，充分利用空闲时间，补习知识，并通过阅读相关文献，加深对项目的理解，并进一步推进其进展。

在项目推进过程中，作为项目负责人，要积极与老师的沟通，获得老师的指导和帮助，合理分配小组成员的工作，并及时反馈。

真正的充分利用这次科研训练的契机，锻炼全体小组成员做课题的能力。

项目经费方面，由于本课所需知识较为综合，作为项目负责人，要及时购买相应书籍，确保项目按计划正常进行，并向学校科研训练教务科及时提交项目经费开支发票，获得学校经费帮助，将项目保质保量做好

2.文献资料查阅

本次科研训练主要是设计一太阳能集热系统，课题准备前期查阅大量关于现有线性菲涅尔集热系统的科技文献，得知，目前线性菲涅尔太阳能集热系统没有能够大面积推广的原因之一就是支撑机构的设计包括支架和镜架的设计，设计更为合理且经济的支撑结构是迫切需要解决的事情。

通过学习文献资料使我们更加深入了解菲涅尔太阳能集热系统研究现状和现有缺陷，为下面的设计过程提供了有利的帮助。

3.集热系统设计前的准备

3.1设计软件的选择

本次科研训练中，为完成机械设计，经小组讨论和慎重考虑最后选择Solidworks。

因为Solidworks功能强大、易学易用，对初学者来说，操作简单方便，更重要的是使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的，同时solidworks特有的爆炸视图可以很方便的看出整个系统是如何装配的。

3.2分析软件的选择

本次科研训练中为完成强度校核，经老师建议和讨论最终选择ANSYS软件。

应为ANSYS的技术涵盖多个学科领域，对结构分析、流体、热力、电磁学等都极具灵活性，适合新手使用同时ANSYS是唯一一家能提供仿真软件供应商，而且能随此类需求的发展无限扩展。

更重要的是ANSYS可使用多种CAD产品、内部开发代码、产品数据管理流程等其他工具。

ANSYS的软件的开放性和适应性使得工作更加高效。

4.结构设计

4.1设计要求的确立

在系统的设计中，需弄清所需设计的功能，进而确定所需设计的模块，本次设计主要是为了实现将太阳光反射到集热管的功能，因此，需要设计出能够实现高直线度和小变形的集热阵列如图4.1所示。

太阳能集热系统

高直线度小变形适应性好

图4.1系统设计

4.2机械结构的选择

现有的太阳能结构主要有双轴联动和单轴联动主要对应着双自由度集热和单自由度集热。

单轴跟踪一般应用于大规模的菲涅尔阵列式发电机构，大多采用东西方向的跟踪。

双轴跟踪是利用垂直的两轴对入射太阳光线经行精确的跟踪，因为太阳东升西落的同时，还在南北回归线之间周期性转动。

双轴跟踪适合小型的菲涅尔太阳能系统，能够很好地提高太阳能的利用效率。

单轴系统如图4.2所示双轴如图4.3所示。

图4.2单轴系统

图4.3双轴系统

由于本科研训练镜场较大故选用单轴系统。

4.3solidworks三维实体造型

根据最初的草图结合绘图软件绘图如下。

图4.4单列系统

图4.5总的反射阵列

图4.6单面反射单元

支架

（图4.7）

中间过渡齿轮轴

（图4.8）

中间过渡轴的传动

（图4.9）

联轴器和过渡轴在一起时的传动

（图4.10）

5.系统强度校核

假设其为均布载荷以及不考虑动载荷，一面镜子质量为4.8Kg,电机驱动力矩为8N/M

5.1对主轴的校核

5.1.1主轴有限元模型

采用10节点单元，由于镜子有三个等间距支撑，镜子放在中间，故简化为重力在中间

可得如下模型。

主轴有限元模型

（图5.1）

5.1.2主轴各向应力图

X方向应力图

（图5.2）

由图可知最大变形量为0.890E-07，最大正压力为10.5899Mpa最大拉应力为15.1727Mpa而主轴所选材料45钢屈服强度355Mpa和抗压强度是600Mpa所以镜子不会发生大变形和断裂。

Y方向应力图

（图5.3）

由图可知最大变形量为0.890E-07，最大压应力为10.6273Mpa最大拉应力为23.7655Mpa而主轴所选材料45钢屈服强度355Mpa和抗压强度是600Mpa所以镜子不会发生大变形和断裂。

Z方向应力图

（图5.4）

由图可知最大变形量为0.890E-07，最大压应力为35.9335Mpa最大拉应力为29.806Mpa而主轴所选材料45钢屈服强度355Mpa和抗压强度是600Mpa所以镜子不会发生大变形和断裂。

5.1.3变形图和位移图

总变形图

最大变形量为0890E-07

（图5.5）

总位移图

（图5.6）

由图可知主轴在中间变形量最大，由于所加载荷不大，所以在可接受范围内。

5.2对支架的校核

5.2.1支架有限元模型

支架有限元模型

（图5.8）

采用三角形单元构成有限元模型

5.2.2各向应力图

X方向应力

（图5.9）

由图可知最大变形量为.469E-09，最大压应力为1.16537Mpa最大拉应力为0.384938Mpa而主轴所选材料45钢屈服强度355Mpa和抗压强度是600Mpa所以支架不会发生大变形和断裂。

Y方向应力

（图5.10）

由图可知最大变形量为.469E-09，最大压应力为2.13641Mpa最大拉应力为.229815Mpa而主轴所选材料45钢屈服强度355Mpa和抗压强度是600Mpa所以支架不会发生大变形和断裂。

5.2.3位移图和变形图

Y方向位移

（图5.11）

由图可知最大变形量为.469E-09，属于可接受范围.

总的变形图

（图5.12）

由图可知最大变形量为.469E-09，属可接受范围

5.3最终结论：

（1）红色区域是危险区域；

（2）危险区域的变形量不会发生结构断裂现象；

（3）选尺寸比较合理。

6.结题工作的开展和总结

6.1小组在8月份进行了机构的强度校核，发展并及时处理了部分不合理的尺寸；

6.2协调同学完成结题报告材料的准备，同时制作了PPT和答辩稿，并进行了小组模拟答辩；

6.3制作了solidworks爆炸视图视频，辅助观察整个系统的安装和拆卸过程；

6.4同时尝试了论文的写作以及翻译。

6.5总结

通过科研训练，我学到了很多科技创新的知识，不光是书本上的新思想，新观点，新产品，更是和同学一起学习思考的一种团队合作精神，也是一种与人沟通交流的能力。

项目一开始对线性菲涅尔太阳能集热系统比较陌生，通过深入研究文献资料，学习了当今社会上一些太阳能集热系统的现状。

用学习到的知识去分析，本次科研训练所设计的软件所需达到的各种功能结构，并完成机构的强度校核以及工程图的绘制。

在这次科研训练中，学习了很多门新技能，不仅仅局限于机械工程方面，也有很多其他学科的知识，如ANSYS分析软件，科技论文的写作以及翻译，虽然整个过程较为曲折，但我相信只要付出汗水就会有收获。

最后，我要感谢提供我们科研训练平台的学校教务科和指导我们小组的黄新燕老师。

通过此次项目，我们小组的三人聚在一起，团结互助，克服问题，在科研过程中，正是黄老师的热情和渊博的知识，给我们指引了科研的方向，及时纠正我们课题进展中的错误，确保了项目顺利的完成。

7.参考文献

[1]张鹤飞,俞金娣,赵承龙太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安：

西北工业大学出版社，2007.9-44.

[2]LORINVANT-HULL.CompactLinearFresnelReflectorSolarThermalPowerplants[J],1998,263-283

[3]锦茂.形形色色的反射式太阳能聚热器[J].太阳能，1982，3：

14-15

[4]熊勇刚，刘玉卫，陈洪晶，崔正军.太阳能中高温热发电反射式线性菲涅尔技术简介[J].太阳能，2010，6：

31-33.

[5]胡仁喜等，solidworks2012有限元，虚拟样机与流场从入门到精通[M]北京：

机械工业出版社，2012，114-204.

[6]曾攀，有限元分析及应用[M]北京：

清华大学出版社2004.9-27.

[7]宗士增，工程图形学[M]北京：

北京理工大学出版社，2008.358-374.

[8]赵萱郑仰成科技英语翻译[M]北京：

外语教学与研究出版社，2006.100-340.