辐射型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种辐射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的径向间距系数和周向间距系数为优化变量进行优化，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辐射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】辐射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】，尤其涉及辐射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、接收塔和安装于接收塔上的吸热器。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、溢出效率和大气透射效率。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]rI field — rI cosX rIssiB X rUntX rI At.M
[0005]其中，Jlfield为综合光学效率，为余弦效率，ns&B阴影遮挡效率，Hint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Θ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，溢出的光线数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]辐射型镜场能有效减少前后定日镜之间的遮挡损失，大多数镜场设计布局采用辐射型。辐射型镜场中定日镜自圆心(接收塔所在位置)成环形向外辐射径向排布，将各环上的定日镜到接收塔的距离定义为该环的半径。径向间距和周向间距是辐射型镜场的重要参数，根据镜场中各环的径向间距和周向间距，就能够得到镜场中各定日镜的排布位置。
[0013]径向间距是指相邻环的半径的差值，辐射型镜场中，后一环的半径根据前一环的半径确定，满足以下公式:
[0014]
【权利要求】
1.一种辐射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)确定辐射型镜场的径向间距系数和周向间距系数为优化变量，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，进行辐射型塔式太阳能热电系统的镜场布局。
2.如权利要求1所述的辐射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)中径向间距系数的搜索上下界为[O，I]。
3.如权利要求2所述的辐射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)中周向间距系数的搜索上下界为[O，I]。
4.如权利要求3所述的辐射型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法综合光学效率，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所述的辐射型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法综合光学效率，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所述的辐射型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法综合光学效率，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所述的辐射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所述的辐射型塔式太阳能热电系统的镜场优化设计方法综合光学效率，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】G06Q10/04GK103530697SQ201310456576
【公开日】2014年1月22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