CN102753906A - 塔式发电站中的定日镜的分布方法 - Google Patents

Abstract

塔式太阳能发电站中的定日镜的分布方法，该塔式太阳能发电站被定日镜场环绕，定日镜将太阳辐射反射到所述塔上。所述定日镜的分布方法涉及通过每个定日镜在极坐标中根据由公式（I）定义的半径和角度的放置来模仿在自然界中发现的用于最大化聚集光的系统（植物种子、叶子和花瓣），该系统在数学上用属于斐波纳契数列的数通过费尔马螺线来描述，其中：r_n是从塔（2）到第n个定日镜（3）的位置的距离,θ是由半径r_n与半径r_n-1形成的角度,n是我们想要被放置的定日镜（3）的数量,C_n是取决于每个放置位置和对应于发电站中的定日镜（3）的紧密度指数的常数,τ是黄金分割的无理数极限,即,（公式II）。

Description

塔式发电站中的定日镜的分布方法

技术领域

本发明属于通过发电站从太阳辐射产生电能的领域，该发电站具有类似的中心塔接受器。

本发明的目的包括：通过相对于接受塔选择性地分布定日镜，达到热电发电站的最佳性能。

背景技术

热电太阳能发电站是一种工业设施，其中，通过利用太阳辐射进行液体加热以及将其用于对流热动力循环，产生必要的电力，用以驱动交流发电机以与传统热电站相同的方式产生电能。

建设性地，为了能够达到300°C以上的高温，有必要聚焦太阳辐射，由此在热动力循环中获得令人满意的性能，这种性能是无法通过低温得到的。通过利用自动取向而被指向中心塔的镜子来进行太阳光线的收集和聚焦，其中在该中心塔内液体被加热。包括反射表面和及其取向设备的装置被称为定日镜。

塔式发电站，也称为中心接受器系统，由聚焦系统或定日镜场形成，该聚焦系统或定日镜场将太阳辐射的直射分量收集并聚集到接受器上方，在该接受器内产生从辐射能到热能的转换，该接受器通常安装在塔的上部。取决于所选择的技术，工作流体可以是空气、水蒸气、熔融钠或熔融盐，以及其他的工作流体。对于以水蒸气为工作流体的装置来说，水蒸气直接驱动涡轮。对于其他的工作流体，流体将热量传递到水蒸气发生器，通过水蒸气发生器为驱动发电机的涡轮供电。

所有这些类型的发电站的配置特点是：定日镜是以其尺寸和到塔的距离的函数进行分布，该分布遵循从塔开始的特定的公共径向分布，被称为“玉米田（corn feld）”和“径向交错（radial staggered）”。所述配置具有如下缺点：在相邻的定日镜之间产生阴影和阻挡，因此需要去除其中的一些定日镜，以便避免这种影响。而且，这些类型的配置具有无定日镜的过渡区或空区域，这导致地面的利用率较低。

发明内容

本发明的目的在于，将由植物中的叶子、茎和种子所展现的排布应用到太阳能场中的定日镜的特殊分布中。所述排布被称为叶序，是每种植物种类所具有的特性。它的功能是将这些植物、茎和种子暴露在太阳下，并使得可能来自它们的同伴的干扰最小，从而最大程度地收集光线。

这种特殊的分布使得定日镜能够以这样的方式被放置：使得由相邻定日镜之间的阴影和阻挡、大气衰减以及由于定日镜和塔之间的远距离所导致的截取（interception）的增加而所产生的光学损耗最小化，因此，当能够使太阳能场中的定日镜的密度最大化时，就优化了太阳辐射的利用。

黄金分割或者“神圣比例”（使用于希腊古典主义）来自于对直线量（linealquantity）（距离、持续时间等的大小等，通过线段长度的可抽象的）的分割，使得总长和最长部分的比值等于最长部分和最短部分的比值。使用必要的等式来求解(a/b=b/(a+b））,长的部分（线段长度为1）的值约为0.618（实际上是个无理数），而最短的值约为0.382。

这个数值与斐波纳契数列中两个连续项之间的关系中存在的所趋于的极限一致。

通过连续排布的部件形成的发散角（divergence of the angle）的规则性来描述发电站中不同部件或定日镜的排布。这个角度将整个圆划分为与斐波纳契数列(1/2,1/3,2/5,3/8,5/13…)中的数字一致的分数，其收敛于黄金分割的无理数极限0.382...，相当于137.5…度的角度。

为了测定热电发电站中的上述角度以及确定定日镜的位置，本发明的系统客体（system object）是基于按照由叶子、茎和种子呈现的排布所标记的图形对定日镜的放置。这些将通过下面的等式进行描述，这些等式是由属于斐波纳契数列的数据定义费尔马二维螺线，也被称为抛物螺线。

x_n=r_n·cosθ_n

y_n=r_n·sinθ_n

其中:

$r_n=c_n\·\sqrt{n}$

${\mathrm{\θ}}_n=n\·\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}^2}$

其中:

●n∈N，自然数，对应于我们想在一定区域内放置的定日镜的数量。

●r_n∈Q,r_n>0，大于零的有理数，对应于将被放置在太阳能场中的每个定日镜相对于塔的坐标轴中心的半径或距离。

●θ_n∈[0,2π]，对应于在太阳能场中的每个定日镜放置的角度。

●τ是黄金分割的无理数极限0.382...，对应于137.5…度的角度。作为黄金分割的无理数极限：

$\mathrm{\τ}=\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\·\·\·}}}}}$

●x_n第n个定日镜在X轴上的极坐标。

y_n第n个定日镜在Y轴上的极坐标。

●c_n是对应于太阳能场中的定日镜的紧密度指数的参数。对所有的定日镜来说该参数可能是恒定的，或者对它们中的每个定日镜来说该参数也可能都不同，以实现在所述场内的最优化，作为如下变量的函数：

○h∈Q,h>0，是一个大于零的有理数，对应于塔的高度。

○d∈Q,d>0，是一个大于零的有理数，对应于定日镜必须被放置的最小距离，以便避免它们之间相互接触。

对应于太阳能场将被放置的纬度（latitude）。

○θ_n∈[0,2π]，对应于每个定日镜的放置角度。

通过这种定日镜排布而配置的热电发电站能够：

●获得定日镜场的更高性能，这是因为：

-因为定日镜处于最优定位，由于阴影和阻挡所产生的损耗最小化。

-通过更加密集地放置定日镜，减少了大气衰减，增加了截取。

●获得更低的成本：

-由于降低损耗而产生的更高的性能，这增加了年产量并节约了定日镜。

-由于更为密集地放置而使用更少的表面，其使得定日镜之间距离更小。因此，显著减少了用于电缆铺设的距离，以及为清洁和维护定日镜所必需建设的通往每个定日镜的道路。

-避免了使用复杂的软件，包括专业的人员。这不再是本发明所必需的，因而更为简化。

-避免了为达到最优位置而执行密度优化，这意味着节约了时间和资源。

同样地，本发明的系统客体考虑到了当前出现的过渡线的消除，如果需要的话，可以消除出现在当前正在运行的热电发电站中的的对称的过渡线。

附图说明

为了对正在实施的描述进行补充，并有助于更好的理解本发明，附上一组附图，其中，如下附图具有说明性和非限制性的特征：

图1示出了当前最先进的技术中的“径向交错”和“玉米田”分布；

图2示出了根据作为本发明的客体的系统而得到的定日镜的分布图；

图3示出了作为本发明的客体的发电站的部件的分布图；

图4示出了定日镜相对于塔的定位参数被定义的示意图。

具体实施方式

根据附图，下面将描述作为本发明的目的的定日镜的分布方式的优选实施例。

图1示出了根据至今所用的配置的定日镜的分布：“径向交错”和“玉米田”。

图2示出了如果使用本发明的方法进行分布，定日镜场将会是怎样的。

图3示出了放置在纬度为“L”的特定位置上的热电发电站（1），其中，接受塔（2）以一定的高度“h”被架立起来，一旦太阳光线（4）被排布在接受塔（2）的周围的定日镜（3）反射就会到达该高度。电能是由在接受塔（2）上被反射的太阳光线（4）的入射产生的，太阳光线在接受塔（2）内聚焦，加热传输热量的液体，该热量将用于驱动涡轮从而产生电能。

为了使聚焦被定日镜（3）反射的太阳光线（4）最佳，这些定日镜（3）根据预先确定的它们之间的最小距离“d”放置，以避免它们的接触。热电发电站（1）的特点是具有由发电站的容量或需求确定的数量为“n_N”的定日镜。同样地，如图4所示，“n”个定日镜（3,3’,3”)中的每一个的定位根据半径r_n(r₃,r_3’,r_3”)以及根据角度θ_n(θ₃,θ_3′,θ_3″)实现，其中，所述半径r_n(r₃,r_3’,r_3”)对应于连接定日镜(3,3’,3”)与塔（2）的直线，所述角度θ_n(θ₃,θ_3′,θ_3″)对应于形成半径r_n与半径r_n-1的角度。

为了实现热电发电站（1）中的定日镜（3）的最佳分布，按照由之前提出的公式确定的图形来确定在极坐标中每个定日镜（3）在塔（2）周围的位置：

$r_n=c_n\·\sqrt{n};$

${\mathrm{\θ}}_n=n\·\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}^2}\·$

如在本发明的说明书中前面所提及的，c_n对于所有的定日镜可以是个常量，或者，也可以对于每个定日镜是变化的。对于常量c_n值，我们得到定日镜（3）中的分布，热电发电站（1）的定日镜（3）的俯视图所形成的图形与按照在例如聚合花和一组种子（最著名的例子是向日葵籽的分布，如图2所示）中发现的分布所形成的图形相同。这一排布在数学上用属于斐波纳契数列的数由抛物螺线或费尔马螺线进行描述。

对于变量c_n，其适应于热电发电站（1）所位于的地面纬度，以及其余的变量L,d,h yθ_n，获取提高太阳能场的性能的定日镜（3）的分布。c_n的所述适应（adaptation）可以从图2中看出。

可用于为每个定日镜确定c_n的值的公式的例子可以是：

$c_n(d,L,{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{k_1\·d}{k_2\·L+k_3\·{\mathrm{\θ}}_n}$

在这种情况中，它将取决于如下变量：

●d∈Q,d>0，大于零的有理数。对应于为了避免定日镜相互之间的接触所必须放置的最小距离。

●对应于太阳能场将要被放置的纬度。

●θ_n∈[0,2π]。对应于每个定日镜的放置角度。

●L和θ_n不应该同时为零。

●k₁,k₂,k₃∈Q。大于零的有理数常量。

在这种情况中，忽略了塔的高度，但是，当通过一般方程获取c_n的值时可以将其作为另一个参数考虑。

这种用于部件分布的方法，其数学上的发展已经成为现有技术（虽然为了调节其以适应每个放置的特殊环境已经增加一些参数），如果将该方法应用于太阳能接受塔的太阳能场中的定日镜的分布，将会产生令人惊讶的，到目前为止不为人知的效果，因为发电站的光学损耗（包括由定日镜之间的阴影和阻挡产生的）被最小化，使系统达到更高的效率，且从而降低了成本。

虽然这种方法尤其是为了用于带有中心接受器的太阳能发电站而开发的，但也不排除将该方法延伸应用到需要相似特征的其他工业领域。

Claims (7)

1.一种塔式太阳能发电站（1）中定日镜的分布方法，该塔式太阳能发电站用于从太阳能产生电能，该类型的太阳能发电站（1）包括：被定日镜（3）的场环绕的接受塔（2），定日镜（3）将太阳辐射反射到所述塔（2），其特征在于，所述定日镜（3）的分布方法包括：通过根据半径和角度放置每个定日镜来模仿在自然界中发现的用于聚集光的系统（植物种子、叶子和花瓣），所述半径和角度在极坐标中由

定义，其中：

●n我们想要放置的定日镜（3）的数量,

●r_n从塔（2）到第n个定日镜（3）的位置的距离,

●θ_n由半径r_n与半径r_n-1形成的角度,

●c_n对应于发电站中的定日镜（3）的紧密度指数的参数,

●τ黄金分割的无理数极限,即,

$\mathrm{\τ}=\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\·\·\·}}}}}.$

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电站（1）中的定日镜的分布方法，其特征在于，c_n或发电站中的定日镜（3）的紧密度指数是常量，其对于所述场的所有定日镜是相同。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电站（1）中的定日镜的分布方法，其特征在于，c_n或发电站中的定日镜（3）的紧密度指数对于每个定日镜是不同的，实现所述场的最佳化取决于如下变量：

●h∈Q,h>0是大于零的有理数，其对应于塔的高度，

●d∈Q,d>0是大于零的有理数，其对应于定日镜为了避免相互之间的接触所必须放置的最小距离，

●

对应于太阳能场将被放置的纬度，

●θ_n∈[0,2π]对应于每个定日镜的放置角度。

4.根据权利要求3所述的塔式太阳能发电站（1）中的定日镜的分布方法，其特征在于，c_n可以被计算为：

$c_n(d,L,{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{k_1\·d}{k_2\·L+k_3\·{\mathrm{\θ}}_n},$ 其中:

●d∈Q,d>0大于零的有理数，对应于定日镜为了避免相互之间的接触所必须放置的最小距离，

●

对应于太阳能场将被放置的纬度，

●θ_n∈[0,2π]对应于每个定日镜的放置角度，

●L和θ_n不应同时为零，

●k₁,k₂,k₃∈Q大于零的有理数常量。

5.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电站（1）中的定日镜的分布方法，其特征在于，θ_n对于所有的n具有包含在0到2π之间的值。

6.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电站（1）中的定日镜的分布方法，其特征在于，该方法防止定日镜（3）之间的阻挡和阴影，无需在定日镜之间具有过渡线，且具有可能的最大定日镜密度。

7.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电站（1）中的定日镜的分布方法，其特征在于，该方法通过遵循抛物螺线或费尔马螺线的形状对定日镜的放置在数学上进行描述，该抛物螺线或费尔马螺线用斐波纳契数列的数值生成，或者是相同的，连续的螺线中的每一个螺线被排布的角度趋向于黄金数。

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