一种定日镜面型微弧角度的计算方法与流程

本发明属于太阳能热发电技术领域，具体涉及一种定日镜面型微弧角度的计算方法。

背景技术：

定日镜通常是由多块子镜拼接而成。太阳入射到定日镜上光线并不是平行光而呈32′的光锥，为降低定日镜反射光的大小，需要将反射面加工成一定的弧度，而商业化电站的定日镜与吸热器间距离范围在100～2000米之间，使得焦距差异极大，需要将定日镜的子镜加工成多种尺寸的焦距才能满足光斑性能要求。

目前塔式光热项目的子镜的反射面设计主要有微弧面反射镜与平面反射镜两种形式。微弧玻璃反射镜的优势是相同条件下的光斑大小比平面反射镜光斑大小要低，但其加工难度大、成本高、国产化尚未成熟，因而会增加工程项目的采购难度及成本。平面玻璃反射镜生产工艺成熟简单、成本低、国产品牌众多，但是大容量电站定日镜采用纯平面型子镜会导致光斑较大，溢出损失大，镜场效率低下，并且增加了镜场的调度难度。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种定日镜面型微弧角度的计算方法，适用于大容量塔式电站定日镜的面型设计及安装指导，在定日镜的镜架结构设计上，通过采用平面镜的角度拼接构成整体面型的微弧角度用以实现定日镜光斑形状与吸热器受光面尺寸和热力特性间的匹配，采用本发明方法既可减少镜场的截断损失和保证吸热器安全运行，使平面玻璃反射镜在中大型定日镜场的应用中既能够达到镜场整体聚光效率的要求又能有效降低反射镜的技术难度。

本发明所采用的技术方案是：一种定日镜面型微弧角度的计算方法，包括如下步骤：

步骤一、建立m×n个子镜坐标系，其中m表示在x方向上的子镜面数，n表示在y方向上的子镜面数；

步骤二、确定子镜排序规则：

x正方向排序x负方向排序

y正方向排序y负方向排序

步骤三、依次求出每一环定日镜的一组最优倾斜角xk：

(1)针对一台定日镜，计算出每面子镜中心点反射的光线与吸热器面的交点pi，i＝1、2、……，m×n；

(2)将所有的交点pi记入points，表示为：

(3)p(:,ii)两两相减，求其模量：

(4)令中的每一项均等于0～imrad，计算f(ii,jj)；

(5)f(ii,jj)为最小值时所对应的一组xk即为最优倾斜角。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：利用定日镜支撑结构与反射镜之间采用可调螺栓连接，根据拼接规律，计算出每一面反射子镜相对支架平面的倾斜角度，转换为连接螺栓的位移量，通过调节相应的螺栓长度得到整体微弧度聚光面型。鉴于离吸热器距离不同的定日镜“焦距”不同，因此构造的微弧角度也应该不同，本发明提出一种较为便利的计算方法，可以准确、高效的计算出全镜场不同位置的定日镜的微弧角度，并且综合了工程施工便利的考虑，根据角度分布规律，将全镜场分为若干环区，每个环区采用同一套微弧角度，这样不仅能保证镜场的光学性能，也不会给工程施工造成不利影响。采用本发明方法使反射光斑尺寸缩小，能流密度分布更加集中，减少了溢出损失，提高了镜场效率，最终可达到降低镜场成本的终极目的。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为偶数镜面型微弧度构造方式；

图2为奇数镜面型微弧度构造方式；

图3为70平米定日镜倾斜角度构造示意图；

图4定日镜在x方向上最优倾斜角度；

图5定日镜在y方向上最优倾斜角度；

图6为平面定日镜反射到吸热器上的太阳光斑形状；

图7为构造了微弧角度的定日镜反射太阳光斑形状。

具体实施方式

定日镜微弧角度构造方案m×n(表示x方向上m面子镜，y方向上n面子镜)

定日镜的规格为l×w(长×宽)

子镜尺寸：

在x方向上有个倾斜角度θ，表示为

y方向上有个倾斜角度

共需建立m×n个子镜坐标系。每个子镜的坐标系定义为cssubj，subj＝1、2……m×n。

子镜排序规则：

x正方向排序x负方向排序

y正方向排序y负方向排序

第一象限的子镜为：

第二象限的子镜为：

第三象限的子镜为：

第四象限的子镜为：

根据定日镜面型构造研究结果，同一环上定日镜倾斜角度相同，因此只需计算不同环的定日镜倾斜即可。

假设定日镜坐标为k＝1～r，其中r为环数。

因此，对每一环定日镜均有一组倾斜角度，设为一个倾斜角度向量

针对一台定日镜，只需通过上述方法计算出每面子镜中心点(即子镜坐标系的原点)反射的光线与吸热器面的交点p，这样就存在m×n个p。令中的每一项都赋值0～imrad，i表示最大倾斜角度，该角度由镜场规模确定，通常为mrad量级，由此可得到若干组point，其中存在一组最收敛的point，该组point对应的xk即为该台定日镜最优倾斜角。具体方法如下：

通过反射定理求得反射向量，和吸热器面相交，得到每个子镜中心点反射的太阳光线在吸热器的位置。将所有的交点记入points，points包含m×n个坐标，表示为：

p(:,ii)两两相减，求其模量。

令中的每一项均等于0～imrad，计算f(ii,jj)，f(ii,jj)最小值所对应的一组xk即为最优倾斜角。

每一环定日镜均有一组最优倾斜角，依次求出每一环最优的xk，k＝1～r。

基于工程应用的考虑，如果每一环都按各自最优倾斜角进行调整，安装工程量大，可操作性低。因此在光斑尺寸合理范围内，考虑分环区，同一个环区采用一组倾斜角度，既可减小安装工作量，又可控制光斑尺寸，达到提高镜场效率的目的。

根据定日镜子镜数量的奇偶有两种微弧角度构造方式，图1为偶数镜面型微弧度构造方式，中心子镜构造角度为0，即平行于定日镜旋转中心，其他子镜以该平面为中心依次对称布置。图2为奇数镜面型微弧度构造方式，所有子镜以定日镜旋转中心为中心，依次对称布置。图中仅为示意，实际倾斜角度不限于图1、图2中的2个或3个角度。

以下以100mw容量等级太阳能塔式热发电站为例实施本发明方法，定日镜采用74平米规格，以一次倾斜角度构造为例说明，如图3所示。

定日镜的规格为9.9m×7.5m(长×宽)；拟倾斜子镜模块尺寸：4.95m×3.75m；在x方向和y方向各倾斜一个角度，用本发明的计算方法，计算这两个角度。在x方向上的倾斜角度表示为θ，y方向上的倾斜角度表示为η。如图4、图5所示，本发明方法计算得到最优的倾斜角度分别是：θ＝0.0020rad，η＝0.0019rad。

根据上述最优倾斜角度计算结果，利用光线追迹法进行光斑模拟，得到微弧面型的定日镜反射光斑，见图7，与图6纯平面型的定日镜反射光斑相对比，有明显聚光效果，光斑质量得到提高，构造后的光斑明显较之前光斑能流分布更为集中，充分体现了本发明的优势。