麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种麦田型塔式太阳能热电系统镜场优化设计方法，该方法以镜场的综合光学效率与镜场的土地覆盖率的乘积作为优化目标，采用单纯形算法对镜场中第一排定日镜到吸热器的距离、各定日镜之间的列间距和行间距进行优化，使得定日镜的数量与排布在某个特定的情况下，优化目标取值最大。本发明的镜场优化设计方法解决了定日镜数量与镜场综合光学效率之间的矛盾，且采用单纯形算法具有更好的鲁棒性和稳定性。通过本发明的镜场优化设计方法进行布局的麦田型小镜场的综合光学效率都达到了80%以上，相对于现有的一般镜场提高了10%。
【专利说明】麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能【技术领域】，尤其涉及麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法。
【背景技术】[0002]塔式系统又称集中式系统，主要包括若干定日镜、吸收塔和安装于吸收塔上的吸热器。塔式太阳能热发电技术的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，再加热流经吸热器内的介质将光能转化成热能，并产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电，是一种大面积大规模的聚光发电方式。每台定日镜都各自配有跟踪机构准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的吸热器上。
[0003]在整个发电系统中，镜场的排布类型和规模会直接影响镜场的光学效率和发电量，同时也会影响镜场的建造成本，因此如何合理优化镜场布局是镜场设计的关键，而如何快速计算镜场的光学效率是设计优化的前提。镜场年均综合光学效率的指标主要包括余弦效率、阴影遮挡效率、大气透射效率和溢出效率。综合光学效率为余弦效率、阴影遮挡效率、溢出效率、大气透射效率的乘积，即:
[0004]nfield = ncosx ns&Bx nintx nAt.?
[0005]其中，nfield为综合光学效率，为余弦效率，ns&B阴影遮挡效率，nint为溢出效率nAt.M为大气透射效率。
[0006]太阳光照射到定日镜表面时，和定日镜表面产生一定的角度，将入射光线的入射向量和定日镜的法向量的夹角的余弦值定义为余弦效率。如图1所示，太阳2的光线照射到定日镜I表面时，和定日镜I表面产生一定的夹角9即为入射光线的入射向量和定日镜的法向量的夹角，即余弦角，其中坐标原点为吸收塔在地面的中心，-X表示正东，Y表示正南。余弦效率的计算只需要确定定日镜的坐标、太阳位置和吸热器位置即可求取。
[0007]在从定日镜反射至吸热器的过程中，太阳光因在大气中的衰减所导致的能量损失称为大气透射(或大气衰减)损失，而经传播后的反射光线强度与反射初的光线强度的比值即为镜面的大气透射效率。该效率通常与太阳的位置，当地海拔高度以及大气条件(如灰尘、湿气、二氧化碳的含量等)等因素有关。
[0008]余弦效率和大气透射效率与定日镜间相对位置无关，容易求取；而阴影遮挡效率和溢出效率需要考虑到镜面与镜面之间、镜面与吸热器之间的位置和角度关系，求取过程较为复杂。
[0009]如图2所示，当入射光线照射到定日镜11时，被定日镜12遮挡则造成了阴影M，产生阴影损失，被阴影的光线数量与照到该定日镜的总光线数量之比为阴影效率；同理，当反射光线被定日镜3遮挡时则造成了遮挡N，产生遮挡损失，被遮挡的光线数量与照到该定日镜的总光线数量之比为遮挡损失。一面定日镜可能同时发生被阴影和被遮挡的情况。
[0010]当反射光线由于受到吸热器尺寸的限制而没有照进吸热器内，称这些光线为溢出的光线，将溢出的光线与总的光线数之比为溢出效率。[0011]对于镜场优化设计的方案，有最传统的将接受能量和投资成本作为优化目标的，但对于投资成本中包括的占地面积成本、导线成本、接收塔成本等具体参数和建造材料、地域位置等其他相关因素，不易统一估算。但是定日镜数量与镜场综合光学效率存在矛盾关系，若土地面积固定，当定日镜数量较多、排布较密集的时候，会产生较多的阴影遮挡损失，镜场整体的综合光学效率会随之降低；而当定日镜数量较少、排布稀疏的时候，镜场的综合光学效率会相对增加。
[0012]麦田型镜场是多面定日镜交叉排布，是目前常用的镜场的排布类型之一。确定了第一排定日镜到吸热器的距离、各定日镜之间的列间距和行间距即可确定麦田型镜场中各定日镜的排布。
【发明内容】
[0013]本发明针对上述现有技术中的不足，提供了一种麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法。
[0014]一种麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，包括以下步骤:
[0015](I)确定第一排定日镜到吸热器的距离、各定日镜之间的列间距和行间距为优化变量，并分别确定各优化变量的搜索上下界；
[0016](2)以综合光学效率与土地覆盖率的乘积作为优化目标，根据太阳圆盘模型、镜场参数和各优化变量的搜索上下界，采用单纯形算法进行变量优化，得到各个优化变量的最优值，所述的最优值使优化目标取最大值；
[0017](3)根据步骤(2)得到的各优化变量的最优值，进行麦田型塔式太阳能热电系统的镜场布局。
[0018]本发明的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法通过将镜场的综合光学效率与镜场的土地覆盖率(即定日镜的总面积与给定土地面积之比)的乘积作为优化目标，采用单纯形算法对镜场中第一排定日镜到吸热器的距离、各定日镜之间的列间距和行间距进行优化，使得定日镜的数量与排布在某个特定的情况下，优化目标取值最大。本发明的镜场优化设计方法将镜场的综合光学效率与镜场的土地覆盖率的乘积作为优化目标，有效解决了定日镜数量与镜场综合光学效率之间的矛盾，从而进行镜场的优化布局。单纯形搜索是不基于梯度搜索的优化算法，能较快收敛到最优设定值而具有较良好的效率和可用性，且单纯形算法又是基于排序的算法，具有更好的鲁棒性和稳定性。
[0019]所述步骤(I)中各定日镜之间的列间距和行间距的搜索下界为使定日镜在三维空间内随意转动不发生机械碰撞的安全距离。
[0020]所述步骤(I)中各定日镜之间的列间距和行间距的搜索上界保证定日镜之间不发生遮挡。
[0021]定日镜在工作过程中需要转动，对自由度要求较高，通过限定优化变量的搜索上下界能够有效地减小变量在优化过程中的搜索范围，提高运算效率。
[0022]所述步骤(2)中的太阳圆盘模型采用蒙特卡洛撒点法模拟其能流密度建立得到。
[0023]作为优选，所述步骤(2)中的太阳圆盘模型为非平行入射光模型。
[0024]太阳是整个热电系统的能量来源，在精确的太阳模型中，光线是发散的，太阳表面各点向任意方向都有光线射出，因此在地球上观察太阳的像为圆形，被称为太阳圆盘(Solar Disk)，该像上能量分布并不均匀。若利用蒙特卡洛撒点法来模拟太阳圆盘能量的大小，则越靠近圆心的位置，点数越密集，相应的能量高，靠近圆盘边缘则点数就越稀少，相应的能量低。根据太阳能流密度分布与太阳圆锥角的关系，结合具体时间具体地点的太阳位置，生成非平行入射光的单位向量。太阳光为非平行光，现有技术中建立的太阳模型多为平行入射光模型，本发明通过蒙特卡洛撒点法模拟其能流密度建立的太阳圆盘模型为非平行入射光的模型，更加接近实际的太阳光。根据太阳能流密度分布与太阳圆锥角的关系，结合具体时间具体地点的太阳位置，生成非平行入射光的单位向量，根据入射向量和定日镜的中心坐标可计算出定日镜中心和顶点沿着入射光线在地面上的投影坐标，并可根据入射光向量与每面定日镜的反射向量计算出相应的单位法向量。
[0025]所述步骤(2)中采用蒙特卡洛光线追迹法计算镜场的综合光学效率。
[0026]蒙特卡洛光线追迹法能有效追踪判断每根光线与每面定日镜的位置关系，同时也能获得吸热器表面的能流密度分布情况，因此该方法能有效计算阴影遮挡效率和溢出效率。
[0027]采用蒙特卡洛光线追迹法计算镜场的阴影遮挡效率和溢出效率的主要思想如下:
[0028]撒点:利用蒙特卡洛法在确定范围的定日镜场内随机投撒大量的点，由任一点和入射向量组成一根光线。
[0029]阴影判断阶段:由随机投撒在地面上的点和定日镜的四个顶点沿着入射光线在地面上的投影坐标依次确定入射光线与每一面定日镜的相交情况，若光点投影不在任何一面定日镜内，则考虑下一个点，该点所对应的光线为无效入射光线；否则判定该根入射光线最终照射到的定日镜，并求取该根入射光线与该定日镜的交点；
[0030]遮挡判定阶段:先计算该根入射光线所对应的反射光线，判断反射光线是否被其它定日镜所遮挡，若不被遮挡，则求取反射光线最终与吸热器的交点；
[0031]溢出判定阶段:判断该反射光线和吸热器的交点是否在吸热器内，若不在吸热器内则为溢出。
[0032]全部光线处理完毕后，即可计算镜场的阴影遮挡效率和溢出效率。
[0033]作为优选，所述步骤(2)基于CUDA计算平台进行变量优化。
[0034]CUDA计算平台利用GPU的双层并行结构实现其高性能并行运算，让多个线程同时计算和判断，有效地提高了运算速率，为镜场布局的优化设计奠定了基础，且实现简单，成本较低。
[0035]本发明的塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法将镜场的综合光学效率与镜场的土地覆盖率(定日镜的总面积与给定土地面积之比)的乘积作为优化目标，使得定日镜的数量与排布在某个特定的情况下，优化目标达到最大值，有效解决了定日镜数量与镜场综合光学效率之间的矛盾，从而完成镜场的优化设计。采用单纯形算法进行优化计算，有效提高了计算效率和可用性，且单纯形算法是基于排序的算法，具有更好的鲁棒性和稳定性。通过本发明的优化设计方法优化得到的小镜场的年均综合光学效率都达到了 80%以上，与一般的塔式太阳能热电系统镜场的综合光学效率(70%)相比，提高了 10%。
【专利附图】
【附图说明】[0036]图1为塔式太阳能镜场的大地坐标系示意图(-X轴指向正东，Y轴水平指向正南，Z轴指向天顶)；
[0037]图2为阴影和遮挡示意图；
[0038]图3为本发明的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法的流程图；
[0039]图4为麦田型镜场定日镜之间无遮挡俯视图；
[0040]图5为麦田型镜场定日镜之间无遮挡侧视图；
[0041]图6为太阳光锥角示意图；
[0042]图7为太阳圆盘能流密度示意图；
[0043]图8为非平行入射向量组成示意图；
[0044]图9为定日镜双轴固定示意图；
[0045]图10为定日镜坐标系示意图；
[0046]图11为单纯形算法示意图；
[0047]图12为单纯形初始化序贯摄动示意图；
[0048]图13为麦田型镜场优化示意图。
【具体实施方式】
[0049]下面将结合具体实施例对本发明做进一步说明。
[0050]本实施例中麦田型塔式太阳能热电系统位于北半球。本实施例中镜场参数如表1所示:塔高30m，定日镜的尺寸为ImX lm，土地面积为15mX 15m，镜场所处纬度为北纬30°。
[0051]表1镜场参数
[0052]
【权利要求】
1.一种麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)确定第一排定日镜到吸热器的距离、各定日镜之间的列间距和行间距为优化变量，并分别确定各优化变量的搜索上下界； (2)以综合光学效率与土地覆盖率的乘积作为优化目标，根据镜场参数、太阳圆盘模型和各优化变量的搜索上下界，采用单纯形算法进行变量优化，得到各个优化变量的最优值，所述的最优值使优化目标取最大值； (3)根据步骤(2)得到的各优化变量的最优值，进行麦田型塔式太阳能热电系统的镜场布局。
2.如权利要求1所述的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，所述步骤(I)中各定日镜之间的列间距和行间距的搜索下界为使定日镜在三维空间内随意转动不发生机械碰撞的安全距离。
3.如权利要求2所述的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，所述步骤(I)中各定日镜之间的列间距和行间距的搜索上界保证定日镜之间不发生遮挡。
4.如权利要求3所述的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2 )中的镜场参数包括定日镜的尺寸和土地面积。
5.如权利要求4所述的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)的太阳圆盘模型采用蒙特卡洛撒点法模拟其能流密度建立得到。
6.如权利要求5所述的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中的太阳圆盘模型为非平行入射光模型。
7.如权利要求6所述的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用蒙特卡洛光线追迹法计算镜场的综合光学效率。
8.如权利要求7所述的麦田型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中基于CUDA计算平台进行变量优化。
【文档编号】G06F19/00GK103500277SQ201310456386
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】赵豫红, 周艺艺 申请人:浙江大学