CN102419016B - 一种定日镜目标点调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定日镜目标点调整方法，包括以下步骤：对吸热器接收面上的目标点进行分层处理；计算聚光于局部过热点的各定日镜光斑大小，按照光斑大小从小到大排列为数组
Figure 2011102413876100004DEST_PATH_IMAGE002
；查询局部过热点A ij 四周各目标点的能流密度分布，并将能流密度峰值按从小到大排序
Figure 2011102413876100004DEST_PATH_IMAGE004
；将聚光于过热点的定日镜按
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的顺序往目标点flux min处移动，直到flux min目标点的能流密度峰值将要变为局部过热评价时为止；若此时过热点依旧存在，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复移动，直到过热点消失。利用本发明能快速、有效地减弱过热点的能流密度峰值，避免了吸热器局部过热点的进一步恶化。

Description

一种定日镜目标点调整方法
技术领域
本发明涉及一种定日镜目标点调整方法，具体涉及一种塔式太阳能吸热器局部过热对应的定日镜调整方法。
背景技术
在塔式太阳能热发电站中，吸热器位于接收塔顶部，用于吸收由定日镜场反射来的高密度太阳辐射能。在吸热器工作时，当太阳辐射强度过大或镜场都对准吸热器中心点时，极易导致吸热器局部过热、能流密度分布严重不均等问题，严重时可能导致吸热器烧毁。随着电站容量的不断扩大，以及吸热器窗口（接收面）的不断增大，这个问题引起越来越多的关注。
针对以上问题，文献“Assessment of the Real-time Receiver Excess-Flux-Density Protection Software at Solar Two”(第八届国际太阳能热利用技术研讨会论文集)介绍了美国Solar Two电站采用了静态目标处理系统SAPS(Static Aim Processing System)和动态目标处理系统DAPS(Dynamic Aim Processing System)来控制吸热器上的能流密度分布。SAPS用于计算每台定日镜的相对偏移量，DAPS则用来处理吸热器的输入、输出温度，并计算出吸热器表面的能流密度分布。文献“Heuristic Knowledge-based Heliostat Field Control for the Optimization of the Temperature Distribution in a Volumetric Receiver”(Solar Energy 1999年第66期)介绍了西班牙CESA-1电站使用的定日镜场控制系统，通过控制吸热器上最高温度和最低温度的偏差值，来控制能流密度分布。
尽管以上两座大型塔式电站都设计了各自的镜场调度方法来控制吸热器接收面上的能流密度分布，但均没有对吸热器局部过热对应的定日镜调整方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种定日镜调整方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种定日镜调整方法，包括以下步骤：
（1）对吸热器接收面上的目标点进行分层处理，接收面中心点为第一层，层数依次向外递加；目标点用A ij 表示，i为层数，j为目标点编号；
（2）对目标点进行局部过热评价，当吸热器某点A ij 评价为局部过热时，查询聚光于此点的定日镜并计算各定日镜光斑大小和能流密度分布，按照光斑大小从小到大排列为数组                                                
Figure 2011102413876100002DEST_PATH_IMAGE001
；
（3）查询目标点A ij 四周各目标点的能流密度分布，并将能流密度峰值按从小到大排序
Figure 672913DEST_PATH_IMAGE002
；
（4）将聚光于过热点的定日镜按
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的顺序往目标点flux min处移动，并利用如下公式计算flux min目标点的能流密度峰值，直到峰值将要变为局部过热评价时为止；
Figure 199840DEST_PATH_IMAGE004
式中：flux 0为该目标点原来能流密度值，flux i 为新移入定日镜的能流密度值，flux e 为移出定日镜的能流密度值。
（5）若此时过热点依旧存在，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复步骤4，直到过热点消失。
其中步骤（2）中对目标点进行局部过热评价时，采用吸热器局部过热的隶属度值d进行评价，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；其中T i 为吸热器窗口第i个测点温度，μ(T i )为温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；
Figure 547952DEST_PATH_IMAGE006
为温度变化率，为温度变化率
Figure 5478DEST_PATH_IMAGE006
隶属于局部过热的模糊隶属函数；A i 为吸热器能流密度均匀分布的判断因子，
Figure 554271DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 455362DEST_PATH_IMAGE009
，n为吸热器窗口温度测点数，T i 为当前评价点温度，μ(A i )为判断因子A i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；α 1、α 2、α 3分别为温度T i 、温度变化率、判断因子A i 三种影响因素的权重系数，且α 1+α 2+α 3=1。其中，α 1≥α 2≥α 3。
温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure 983613DEST_PATH_IMAGE010
式中：T i （i=1,2,…,n）为吸热器窗口第i个测点温度；max为吸热材料耐热温度阈值；
Figure 386912DEST_PATH_IMAGE011
表示T i 取值的正常范围，
Figure 957440DEST_PATH_IMAGE012
表示正常取值的上限值；m 1为正整数，最佳值取2。
温度变化率
Figure 774086DEST_PATH_IMAGE006
隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure 511098DEST_PATH_IMAGE013
式中：k为急剧上升时的温度变化率，k>5，最佳取值为30；m 2为正整数，最佳值取2。
判断因子A隶属于局部过热的模糊隶属函数如下：
式中：
Figure 847532DEST_PATH_IMAGE014
为能流密度允许差值，
Figure 277377DEST_PATH_IMAGE015
，较佳值取100；
Figure 315740DEST_PATH_IMAGE009
。
本发明相比现有技术具有以下优点：定日镜调整时遵循以下三个原则：
Figure 856442DEST_PATH_IMAGE016
避免产生新的局部过热点；
Figure 814428DEST_PATH_IMAGE017
调整数量以最少为原则；
Figure 149594DEST_PATH_IMAGE018
就近调整原则。从而能够快速、有效地减弱吸热器局部过热点的能流密度峰值，避免局部过热点的进一步恶化。同时采用温度、温度变化率、吸热器能流密度均匀分布判断因子三种影响因素进行局部过热综合评价，避免了单纯采用温度来判断的局限性。如在不同的时刻，某测温点可能具有相同的温度，但却有着完全不同的温度变化趋势：温度虽高，但持续下降，则可认为是较为安全的；温度正常或偏高，但急剧上升，则认为有较大的危险隐患。因此采用温度变化率反应温度的变化趋势。另外，若某局部点温度远远高于其他局部点温度，则违背了吸热器能流密度分布较为均匀的要求，温度极高点很有可能演变为局部过热点。因此采用温度、温度变化率、吸热器能流密度均匀分布判断因子三种影响因素进行综合评价，能够准确地判断吸热器局部过热状态。
附图说明
图1为吸热器烧毁保护流程。
图2为吸热器接收面目标点分层布置的实施图。
图3为吸热器接收面能流密度仿真效果图。
图4为图3中定日镜往目标点A21移动后吸热器接收面的能流密度效果图。
图5为图3中定日镜往目标点A24移动后吸热器接收面的能流密度效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明定日镜目标点调整方法进行详细说明。
吸热器出现的危险状况主要有局部过热和烧毁。局部过热是指吸热器表面能流密度分布严重不均，局部某点温度达到吸热器日常工作过大值。烧毁是指吸热器整体或局部某点温度超过或接近吸热材料耐热温度，材料被烧穿的概率大大增加。根据以上两个吸热器危险状态，按危险程度划分为两个等级，如表1所示，危险程度依次递增。
表1  吸热器危险状况等级划分
等级 危险描述 应对措施
Ⅰ 局部过热 定日镜目标点调整
Ⅱ 烧毁 转入吸热器烧毁保护流程
对于吸热器的烧毁判断是有明确的准则，即吸热器局部温度接近吸热材料耐热温度阈值时，即认为吸热器处于烧毁状态，继而转入烧毁保护流程。
当，吸热器危险等级评价为烧毁，继而转入烧毁保护流程，如图1所示。式中，T i 为吸热器窗口第i个温度测定；max为吸热材料耐热温度阈值；
Figure 832696DEST_PATH_IMAGE020
为耐热温度阈值的裕量，
Figure 330674DEST_PATH_IMAGE021
，一般取100～200℃。图1中，先拉下吸热器安全门，然后加大吸热器工作介质流量，最后将所有定日镜光斑从吸热器窗口调离。
当吸热器出现局部过热点时，采用本发明将局部过热点消减为非过热点：
（1）对吸热器接收面上的目标点进行分层处理，接收面中心点为第一层，层数依次向外递加；目标点用A ij 表示，i为层数，j为目标点编号；
（2）对目标点进行局部过热评价，当吸热器某点A ij 评价为局部过热时，查询聚光于此点的定日镜并计算各定日镜光斑大小和能流密度分布，按照光斑大小从小到大排列为数组
Figure 899058DEST_PATH_IMAGE022
；
（3）查询目标点A ij 四周各目标点的能流密度分布，并将能流密度峰值按从小到大排序；
（4）将聚光于过热点的定日镜按
Figure 309366DEST_PATH_IMAGE024
的顺序往目标点flux min处移动，并利用如下公式计算flux min目标点的能流密度峰值，直到峰值将要变为局部过热评价时为止；
Figure 661850DEST_PATH_IMAGE025
式中：flux 0为该目标点原来能流密度值，flux i 为新移入定日镜的能流密度值，flux e 为移出定日镜的能流密度值。
（5）若此时过热点依旧存在，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复步骤4，直到过热点消失。
局部点温度T i 是判断吸热器是否有过热的直接依据，按其温度大小可设定两个阈值，分别为吸热材料耐热温度阈值max和过高阈值N max。如果单纯利用温度是否超过阈值来判断的话，有一个很大的局限性：没有完全表述当前温度的变化趋势和吸热器接收面的能流密度分布状况。在不同时刻，某测温点可能具有相同的温度值，但却有着完全不同的温度变化趋势（下降、稳步上升或急剧上升）。温度高，但持续下降，则可认为是较为安全的；温度正常或偏高，但急剧上升，则认为有较大的危险隐患。所以，这里又引入一个温度值关于时间的导数，
Figure 666715DEST_PATH_IMAGE026
来反映温度的变化趋势。在离散采样条件下，
Figure 104649DEST_PATH_IMAGE027
。另外，若某局部点温度远远高于其他局部点温度，则违背了吸热器能流密度分布较为均匀的要求，温度极高点很有可能演变为局部过热点，故又引入了一个判断吸热器能流密度分布是否合理的判断因子A。
Figure 338316DEST_PATH_IMAGE008
                                       (1)
式中：
Figure 810885DEST_PATH_IMAGE009
，n为吸热器窗口温度测点数，T i 为当前评价点温度。
综合以上方面，吸热器局部是否过热主要受3个因素的影响，分别是局部点温度T、局部点温度变化率
Figure 721073DEST_PATH_IMAGE028
和吸热器能流密度均匀分布判断因子A，可用矩阵形式表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
。
对于吸热器窗口第i个测点温度T i （），
Figure DEST_PATH_IMAGE031
是T i 可能取值的范围，这里min=0，max为吸热材料耐热温度阈值。表示T i 取值的正常范围，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 387568DEST_PATH_IMAGE034
分别表示正常取值的上限值和下限值，且
Figure DEST_PATH_IMAGE035
。其中N max为测点温度在400℃～1100℃内的最高值，N min为测点温度最低值。则温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
             (2)
式中：m 1为正整数，最佳值取2。
当T i 的值在[N max, max]区间时，它属于过热的隶属度值为1；当T i 位于[N nor , N max]区间，在m 1一定时，随着T i 偏离N nor ，表达式值增大，隶属度值增加。
同样，建立温度变化率
Figure 458347DEST_PATH_IMAGE037
隶属于局部过热的模糊隶属函数：
Figure 220766DEST_PATH_IMAGE013
                       (3)
式中：k为急剧上升时的温度变化率，k>0；m 2为正整数，最佳值取2。
当
Figure 464666DEST_PATH_IMAGE038
时，温度下降，即有定日镜从该温度点撤离，此时隶属度值为0；当
Figure 919918DEST_PATH_IMAGE037
位于[0,k]之间，在m 2一定时，随着增大，隶属度值增加；
Figure 632790DEST_PATH_IMAGE037
大于等于k时，隶属度值为1。
建立A隶属于局部过热的模糊隶属函数如下：
Figure 198901DEST_PATH_IMAGE039
                     (4)
式中：
Figure 297307DEST_PATH_IMAGE014
为能流密度允许差值，
Figure 923460DEST_PATH_IMAGE015
，较佳值取100；
Figure 625093DEST_PATH_IMAGE009
。
当
Figure 729316DEST_PATH_IMAGE008
小于
Figure 947807DEST_PATH_IMAGE014
时，认为吸热器窗口能流密度分布较为均匀，隶属度值为0；当大于等于
Figure 744862DEST_PATH_IMAGE014
时，随着第i个测点温度T i 的升高或窗口能流密度均匀分布的恶化，隶属度值增加，当T j 都为0时(
Figure 166747DEST_PATH_IMAGE040
)，隶属度值为1。
为了综合考虑上述三种因素的影响，建立三种影响因素的权重系数
Figure 402556DEST_PATH_IMAGE041
，则吸热器局部过热的隶属度值d可用下述综合评价模型：
Figure 413238DEST_PATH_IMAGE042
                         (5)
代表了各因素的权重大小，根据专家经验进行设定。测点温度T i 对于吸热器局部过热的判断具有直接影响，故权重系数应设置较大，而
Figure 788910DEST_PATH_IMAGE037
和A i 影响依次减弱。当d>d 0时认为吸热器局部过热，进行定日镜目标点调整，d 0根据大量实验数据来测定，这里设置d 0=0.5。
下面结合具体应用对本发明定日镜目标点调整方法进行说明。
图2为吸热器接收面目标点分层布置的实施图，如图所示，对吸热器接收面上的目标点进行分层处理，接收面中心点为第一层，层数依次向外递加。目标点用A ij 表示，i为层数，j为该层的目标点编号，图2中共示出3层目标点，分别为A10、A21~A28、A31~A38。
图3为吸热器接收面能流密度分布仿真图，目标点分为两层，即A10、A21~A28。利用吸热器过热评价模型对目标点A10进行过热评价。吸热器窗口共有9个温度测点，n=9。设目标点A10温度T10为750℃，N max=800℃，N nor =400℃，根据公式(2)，可得
Figure 297252DEST_PATH_IMAGE043
。T 10在2秒中温度上升50℃，即
Figure 428019DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 379926DEST_PATH_IMAGE045
。由公式(3)可得，
Figure 963354DEST_PATH_IMAGE046
。根据图3所示各目标点A21~A28的温度值，由公式(4)求得，
Figure 275386DEST_PATH_IMAGE047
。这里设定
Figure 399393DEST_PATH_IMAGE048
，d 0=0.5。由公式(5)，可得d=0.767。由于d>d 0，则目标点A10评价为局部过热点。
对于局部过热点A10，利用本发明定日镜目标点调整方法，将A10减弱为非局部过热点。
步骤1：查询聚光于点A10的定日镜并计算各定日镜光斑大小和能流密度分布，按照光斑大小从小到大排列为数组
Figure 709151DEST_PATH_IMAGE049
；
步骤2：将目标点A10四周各目标点A21~A28的能流密度峰值按从小到大排序；
步骤3：将聚光于点A10的定日镜按
Figure 895599DEST_PATH_IMAGE051
的顺序往目标点flux min处移动，并利用公式(6)计算flux min目标点的能流密度峰值，直到峰值将要变为局部过热评价时为止；
                      (6)
式中：flux 0为该目标点原来能流密度值，flux i 为新移入定日镜的能流密度值，flux e 为移出定日镜的能流密度值。
步骤4：若此时A10仍然为过热点，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复步骤3，直到过热点消失。
图4和图5为上述目标点调整方法实施方式效果图。图3中A10点能流密度峰值达到0.55 MW/m2，其四周目标点中，A21点能流密度峰值最小，目标点A24次之。根据目标点调整方法，将A10点的部分定日镜调整至目标点A21，直到目标点A21到达允许值，移动后效果见图4，A10点能流密度峰值消减为0.35 MW/m2。此时，A10点仍评价为局部过热点，则继续将A10点的部分定日镜调整至目标点A24，直到A10点不为局部过热点，移动后效果见图5，A10点能流密度峰值减为0.3 MW/m2。此时，A10点变为非局部过热点，则停止定日镜调整。
图4和图5快速、有效地减弱了吸热器的局部过热点A10，说明本定日镜调整方法具有很好的实用性。

Claims (9)

1.一种定日镜目标点调整方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）对吸热器接收面上的目标点进行分层处理，接收面中心点为第一层，层数依次向外递加；目标点用A ij 表示，i为层数，j为目标点编号；
（2）对目标点进行局部过热评价，当吸热器某点A ij 评价为局部过热时，查询聚光于此点的定日镜并计算各定日镜光斑大小和能流密度分布，按照光斑大小从小到大排列为数组 
Figure 882184DEST_PATH_IMAGE002
；
（3）查询目标点A ij 四周各目标点的能流密度分布，并将能流密度峰值按从小到大排序
Figure 277394DEST_PATH_IMAGE004
；
（4）将聚光于过热点的定日镜按
Figure 639236DEST_PATH_IMAGE006
的顺序往目标点flux min处移动，并利用如下公式计算flux min目标点的能流密度峰值，直到峰值将要变为局部过热评价时为止；
Figure 727278DEST_PATH_IMAGE008
式中：flux 0为该目标点原来能流密度值，flux i 为新移入定日镜的能流密度值，flux e 为移出定日镜的能流密度值；
（5）若此时过热点依旧存在，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复步骤4，直到过热点消失。
2.根据权利要求1所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：步骤（2）中进行局部过热评价时采用吸热器局部过热的隶属度值d进行评价，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；其中T i 为吸热器窗口第i个测点温度，μ(T i )为温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；为温度变化率，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为温度变化率
Figure 363850DEST_PATH_IMAGE010
隶属于局部过热的模糊隶属函数；A i 为吸热器能流密度均匀分布的判断因子，
Figure 845778DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，n为吸热器窗口温度测点数，μ(A i )为判断因子A i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；α 1、α 2、α 3分别为温度T i 、温度变化率
Figure 167038DEST_PATH_IMAGE010
、判断因子A i 三种影响因素的权重系数，且α 1+α 2+α 3=1。
3.根据权利要求2所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中：T i （i=1,2,…,n）为吸热器窗口第i个测点温度；max为吸热材料耐热温度阈值；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示T i 取值的正常范围，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示正常取值的上限值；m 1为正整数。
4.根据权利要求2所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：温度变化率
Figure 20901DEST_PATH_IMAGE010
隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure 836541DEST_PATH_IMAGE020
式中：k为急剧上升时的温度变化率，k>5；m 2为正整数。
5.根据权利要求4所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：所述k为30。
6.根据权利要求4所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：所述m 2为2。
7.根据权利要求2所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：判断因子A隶属于局部过热的模糊隶属函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
式中：
Figure 422243DEST_PATH_IMAGE022
为能流密度允许差值，；
Figure 898093DEST_PATH_IMAGE013
。
8.根据权利要求7所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：所述
Figure 139718DEST_PATH_IMAGE022
为100。
9.根据权利要求2所述的定日镜目标点调整方法，其特征在于：所述α 1≥α 2≥α 3。
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