[发明专利]塔式太阳能热电站定日镜子镜倾斜角度优化方法

说明书

本发明公开了一种塔式太阳能热电站定日镜子镜倾斜角度优化方法，该方法以定日镜的全年平均溢出能量最低为优化目标，针对大面积定日镜由若干小平面镜拼接而成的情况，对各子镜倾斜角度遵循的抛物面方程参数进行优化，采用粒子群算法寻找初步最优点，并通过基于二次函数拟合模型的直接搜索方法加速寻优过程。本发明的方法能够计算镜场中任意位置的定日镜最优的子镜倾斜角度以提高年均光学效率；两种优化方法的组合使用能够减少求解时间，便于大规模镜场设计时的求解计算。

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热电站领域，具体涉及一种塔式太阳能热电站定日镜子镜倾斜角度的优化方法。

背景技术

塔式太阳能热电站是一种大规模的聚光发电装置，主要由定日镜、塔、吸热器、换热装置、储热装置及热发电装置组成，其工作原理是通过一定数量的定日镜将太阳光汇聚到塔顶的吸热器产生高温，再将流经吸热器内的介质加热，并产生高温蒸汽推动汽轮机进行发电。由于存在聚光比大(一般可达300～1500)、运行温度高(可在500℃～1500℃)的优点，塔式太阳能热电系统目前得到了较广泛的关注。

塔式太阳能热电站中的定日镜反射汇聚太阳光，为整个发电系统提供能量，镜子的聚光效率是影响整个电站发电效率的首要因素，而且镜场的成本占整个电站固定成本的40％-50％，因此设计合理的定日镜具有重要意义。为了满足发电系统的能量需求，塔式太阳能电站的定日镜通常具有反射面积大和数量多的特点。大面积的定日镜为了生产、运输和安装方便通常都采用一定数量的矩形子镜拼接而成。当子镜简单地按照平面方式进行拼接时，由于太阳光的发散性和定日镜的跟踪误差等原因，平面镜反射到吸热器上的能量光斑面积较大，当吸收器的面积较小时，会产生溢出即定日镜反射的能量部分落在了吸收器区域之外不能被利用，而增大吸收器面积一方面会增加建设成本，另一方面大面积吸收器存在热损失较大和单位面积能量较低的问题，都会降低电站能量转换效率。

现有的定日镜子镜倾斜方法中，有的技术简单地让子镜依照同轴抛物面排布，即各子镜的法向量与中心子镜的法向量在抛物面的两倍焦距处相交；有的技术选取不同时刻最优的倾斜角度，再将其运用于全年比较效果，选取最优的一个时刻来作为最终结果。这些方法都没有选取合适的优化方法来获得一个最优的倾斜角度，无法获得最优的定日镜全年平均反射光斑最小或溢出能量最低效果。

发明内容

本发明提供了一种塔式太阳能热电站定日镜子镜倾斜角度的优化方法，使得子镜拼接成的大面积定日镜全年的平均能量溢出最低，从而提高镜场的光学效率，提高整个电站的能量转化效率。

本发明采用的技术方案如下：

(1)给定定日镜的总面积和子镜数量划分以及子镜间隔距离，对于任意的抛物面方程，计算各子镜在镜面坐标系中的中心位置及法向量。

镜场中定日镜的位置和定日镜的总面积大小由镜场优化设计的结果提供。定日镜的子镜划分方式m×n(m和n分别为定日镜长和宽方向的子镜数目)、子镜间隔距离d和子镜长宽L×M根据定日镜生产和安装的需求给定，由此可计算各定日镜子镜中心在镜面坐标系下的(x,y)坐标，具体计算公式如下：

对于任意给定的抛物面方程计算各个子镜中心的z坐标。得到子镜面中心坐标后，依据中心点抛物面的切平面方向倾斜该子镜，利用以下公式计算子镜的方向向量

(2)计算任意子镜倾斜方式下构成的定日镜的年均溢出效率。

不同的抛物面方程对应了不同的子镜倾斜方式，相应的定日镜年均溢出效率通过在全年中选取500到1000个采样时刻，采用蒙特卡洛光线追踪法得到每个采样时刻的溢出效率之后求取平均来获得。