考虑风场空间相关性的聚光结构风荷载和风致响应研究

The proposed project presents new approaches to clarifying the correlation and cross-correlation of tubulence, pressure and response on solar collectors using some advanced tools based on continuous wavelet transform and spectral-branched proper orthogonal decomposition. Full-scale tests and wind tunnel experiments are applied to optimize the new approaches. Mathematical models of spatial correlation are developed. The main research work concludes wind field characteristics and turbulence coherence, the correlation and cross-correlation anlysis of wind loads and wind-induced responses along span direction for solar collectors and the correlation anlysis of wind loads considering interference effects. Although the reasearch work is based on the measurements of solar collectos, the mathematical model and theoretical method from the research work can provide technical and theoretical support for long-span structures, low structures and structures with interference effects.

本项目将综合时域小波理论和频域本征正交分解方法，基于现场实测和风洞实验数据，针对聚光结构，进行脉动风、风荷载和风致响应的空间相关性规律研究，提出实用的空间相关性分析算法，并建立相应的数学模型。具体研究工作包括近地风场特性及空间相关性分析、长跨度结构沿跨度方向的脉动风压和风致响应的相关性分析以及它们和脉动风相关性的对应关系、受群体干扰影响的结构之间的风荷载空间相关性分析。本项目虽然是基于聚光结构开展研究工作，但是所建立的数学模型和理论方法能为包括聚光结构在内的长跨度结构、低矮结构和受群体干扰影响的结构之间的风荷载空间相关性规律提供技术和理论支撑。

太阳能热发电技术已列入“国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）”，是我国正在大力发展的可再生能源技术。太阳能热发电系统核心部件的聚光器在太阳能资源丰富的我国西北地区的抗风问题是这项技术目前遇到的瓶颈问题之一。设计要求聚光器在6级风下只能发生毫米级的风致振动变形，但是目前在用的聚光器结构自振频率低，是风敏感结构物，因此如何保证聚光器的微小风致振动变形是要解决的瓶颈问题之一。另外太阳能电站将大批量的聚光器进行串联和并联组合，构成聚光器镜场，在风作用下，镜场中的聚光器之间相互干扰影响，同时聚光器也在追日旋转，需要同时考虑多种因素进行聚光器及场的抗风问题研究。.本项目聚焦于聚光器的风荷载和风致响应，应用现场实测和风洞试验手段，进行系统全面的分析研究，主要内容包括：（1）近地面风场实测，（2）聚光器风荷载和风致响应的原型实测，（3）群体干扰效应的聚光器风洞试验，（4）聚光器风荷载的空间相关性规律。本项目重要结果包括：（1）建立聚光器抗风性能现场监测平台，（2）得到近地面风场空间相关性规律，（3）得到强季风条件下聚光器风荷载作用机理和风致响应变化规律，（4）得到群体干扰效应的聚光器风荷载规律。.本项目成果的科学意义在于阐明了在强季风条件下的聚光器风荷载作用机理，阐明了在多排多跨的群体聚光器相互影响下的风荷载作用机理，阐明了聚光器在追日旋转下的风致振动及变形规律。上述研究成果能够解决太阳能热发电技术的瓶颈问题之一（即聚光器抗风问题）。.本项目的研究成果提供的风荷载边界条件应用到了电工所主持的建造于海南临高县单台聚光器设计和建造于北京延庆县的1MW聚光器场设计，其中临高县聚光器经历了“威马逊”台风袭击，完好无损，验证了本项目提供的抗风设计指标，能够为我国示范项目和商业化应用提供技术保证。