CN102967055B - 一种小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场，用于塔式太阳能热发电定日镜场中，包括吸热器、小面积平面定日镜和大型汇聚式定日镜，所述小面积平面定日镜设置于距离所述吸热器较近区域内，所述大型汇聚式定日镜设置于距离所述吸热器较远区域内，且所述小面积平面定日镜的反射镜面积小于所述大型汇聚式定日镜的反射镜面积。本发明采用该结合方式的镜场既能实现高容错性、短建设工期、低运行维护成本，又能保证光斑质量。

Description

一种小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热发电领域，具体涉及太阳能热发电系统中的定日镜镜场。

背景技术

太阳能热发电系统是利用定日镜将太阳光反射到接收器上，然后通过接收器内的吸热工质如水、空气、液态金属或熔盐等将太阳辐射能转变为接收器输出的热能，最终产生高温高压的气体来推动蒸汽轮机或者燃气轮机进行发电。在太阳能热发电系统中，定日镜作为基本聚光单元，是整个系统能量收集和转化的基础性设备，其投资成本约占总资本的50%，因此镜场选用何种形式的定日镜显得尤为重要。

目前，定日镜反射面的普遍形式主要有：（1）单片平面反射面（2）多片平面反射面；（3）单片曲面反射面；（4）若干小面积平面组成大面积反射面。

对于第一种和第二种定日镜形式，单片平面镜通常尺寸较小，小面积平面定日镜具有单元面积小、重复性高的特点，可采用业界常用的平面镜的大小，通用性更强，更适于规模化生产，且小面积定日镜在运输、安装、调试等方面的经济性更好，也更易于维护、更换，由小面积定日镜组成的镜场具有容错性好、运行风险低、建设工期短、灵活快速可复制的优点。但是由于其反射面积较小，距离吸热器较远的定日镜投射到吸热器上的光斑尺寸大、亮度不足，因此将直接影响吸热器表面光斑质量；

对于第三种定日镜形式，对于塔式太阳能电站而言，单片曲面反射镜定日镜焦距较大、曲率较小，因此对单片曲面反射镜的热弯模具精度及机械制造水平要求均较高，这无疑增加了定日镜制造成本，增加了电站初期投资成本，限制了塔式热发电的大规模发展，且此类型定日镜一旦安装定型完成后，其镜面曲率就不可再调，因此无法根据需要对光斑进行实时调节，聚焦灵活性不够，而在长期运行过程中定日镜将不可避免地出现由于面形、机械结构变化、外界风压等因素而导致聚焦精度下降的问题，由此将导致定日镜精度校正费时费力、单镜维护成本较高；

对于第四种定日镜形式，由若干小面积平面组成大面积反射面，通过调整小反射镜机械支撑的空间结构可以使单台大面积定日镜形成凹面镜，从而使光斑汇聚，满足吸热器对光斑的要求。美国上世纪的试验电站SolarOne和SolarTwo以及西班牙的PS10、PS20和GemaSolar等塔式太阳能热电站均采用此类型定日镜。对于太阳能镜场控制而言，相同热功率要求下，大定日镜方案中定日镜数量远远小于小定日镜，对镜场通讯控制的要求降低；同时单面大定日镜反射汇聚的光斑较之小定日镜具有更高的能量，从而有助于实现较高的聚光精度。然而，此类定日镜在镜面制作、机械工艺要求、批量制造、工程化安装建设、容错性及运行维护方面具有较高要求和实现难度。

由于上述四种主流定日镜反射面均存在明显的优点和缺点，对于大规模电站镜场采用其中任一种反射面形式均无法达到最优效果。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场，采用该结合方式的镜场既能实现高容错性、短建设工期、低运行维护成本，又能保证光斑质量。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场，用于塔式太阳能热发电定日镜场中，包括吸热器、小面积平面定日镜和大型汇聚式定日镜，所述小面积平面定日镜设置于距离所述吸热器较近区域内，所述大型汇聚式定日镜设置于距离所述吸热器较远区域内，且所述小面积平面定日镜的反射镜面积小于所述大型汇聚式定日镜的反射镜面积。

一些实施例中，所述小面积平面定日镜的反射面由1～4片平面反射镜面组成。

一些实施例中，所述小面积平面定日镜的反射面面积在1～20平方米之间。

一些实施例中，所述大型汇聚式定日镜的反射面由若干小面积平面镜组成，所述若干小面积平面镜拼接排列形成凹面反射面。

一些实施例中，所述大型汇聚式定日镜的反射面面积大于30平方米。

一些实施例中，距离所述吸热器较近区域和距离所述吸热器较远区域的界限，通过整个镜场在所述吸热器的受光面上所投射的光斑的大小决定。

本发明的有益效果在于：

对于大规模电站的镜场，若单纯采用小面积平面定日镜，则距离吸热器较远的定日镜投射到吸热器上的光斑尺寸大、亮度不足、形状不规则，将直接影响吸热器表面光斑质量，且对远距离小面积定日镜的校正难度也较大；而若单纯采用大型汇聚式定日镜，则由于该型定日镜对镜面制作、机械工艺、工程安装维护要求较高，因此采用此类定日镜的镜场容错性较差且建造运营成本高，同时该型定日镜占地面积较大，无法实现紧密排布以提高土地利用率。而本发明所提供镜场通过将这两种类型定日镜进行巧妙合理排布，既保留了小面积平面定日镜场容错性好、建造运营维护成本低、可紧密排布、灵活快速可复制的优点，又利用大型汇聚式定日镜确保远距离定日镜光斑大小和亮度，保证了镜场整体聚光效果。

附图说明

图1是本发明实施例的镜场示意图；

图2是本发明实施例的定日镜反射光路及光斑效果示意图；

图3是完全采用小面积平面定日镜的镜场的光斑效果图；

图4是本发明所述镜场的光斑效果图。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

需要注意的是，本发明实施例附图均以北半球为例。

参见图1，本实施例提供一种小面积平面定日镜与大型焦距可调的汇聚式定日镜结合的镜场，包括吸热器101、小面积平面定日镜102以及大型汇聚式定日镜103。距离吸热器101较近区域内的定日镜反射镜面积小于距离吸热器101较远区域内的定日镜反射镜面积，在距离吸热器101较近的区域内使用为小面积平面定日镜102，在距离吸热器101较远的区域内使用大型汇聚式定日镜103。小面积平面定日镜102可设置于所述吸热器101四周，所述大型汇聚式定日镜103可设置于所述小面积平面定日镜102四周。

小面积平面定日镜102的反射面由1～4片平面反射镜面组成，反射面面积在1～20平方米之间；大型汇聚式定日镜103的反射面面积大于30平方米，其反射面由若干小面积平面镜组成，所述若干小面积平面镜以一定方式拼接排列，通过调整平面镜机械支撑的空间结构来改变平面镜角度使得整个反射面形成凹面，实现光线汇聚。

本实施例中，小面积平面定日镜102的反射面采用单片2平方米平面镜，大型汇聚式定日镜103由81面1平方米小面积反射平面组成大面积平面反射面，通过调整小反射镜机械支撑的空间结构可以使单台大面积定日镜形成凹面镜。

在对两种不同形制的定日镜进行排布前，首先要确定近塔区和远塔区的界限，而其确定依据为整个镜场在吸热器受光面上所投射的光斑大小，即若超过此界限仍使用小面积平面定日镜102，则单镜光斑尺寸大于设定值。

通过定日镜与吸热塔101之间的距离（镜塔距离）、反射光方位角及高度角、吸热器尺寸可建立太阳光斑影像方程，进而确定单镜光斑大小。

对于受光面为平面的吸热器，设受光面法线与受光面交点在地平坐标系上的坐标为（x₀,y₀,z₀)，坐标系中规定z轴指向天顶，y轴指向南，x轴指向西，有以下太阳光斑影像方程：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F=0

式中，各系数为：

A=[m_a ²+m_b ²+(h-m_c)²]cos²Ω-m_a ²

B=2m_a[(h-m_c)cosα-m_bsinα]

C=[m_a ²+m_b ²+(h-m_c)²]cos²Ω-[(h-m_c)cosα-m_bsinα]²

D=-2m_a[m_a ²+m_b ²+(h-m_c)²]cos²Ω+2m_a[m_a ²-m_b(y₀-y₀cosα-m_b)+(h-m_c)(y₀sinα+z₀-m_c)]

E=2[m_a ²+(b-m_b)²+(h-m_c)²][(y₀-m_b)sinα+(z₀-m_c)cosα]cos²Ω-2[(h-m_c)cosα+(b-m_b)sinα][m_a ²+(b-m_b)(y₀-y₀cosα-m_b)+(h-m_c)×(y₀sinα-z₀-m_c)]

F=[m_a ²+(b-m_b)²+(h-m_c)²][y₀ ²-2y₀(y₀-m_b)cosα-2y₀(z₀-m_c)sinα+(x₀-m_a)²+(y₀-m_b)²+(z₀-m_c)²]×cos²Ω-[m_a ²+(b-m_b)(y₀-y₀cosα-m_b)+(h-m_c)(y₀sinα-z₀-m_c)]²

其中，(m_a,m_b,m_c)为定日镜中心在地平坐标系中的坐标；α为吸热器受光面与竖直方向夹角，（0,b,h)为焦点在地平坐标系中的坐标，2Ω为太阳锥角。

对于受光面为圆柱体的吸热器，有以下太阳光斑影像方程：

Acos²(β_t-β_r)+Bcos(β_t-β_r)+C=0

式中，各系数为：

A＝4R²r²

B=2Rr[h²csc²θ_tcos²Ω-R²-zh]

C=(R²+zh)²-h²csc²θ_tcos²Ω(r²+R²+z²)

其中，R为镜塔距离，β_t为反射光方位角，θ_t为反射光高度角，r为圆柱形吸热器半径，β_r为吸热器柱面上某一给定点的法线的方位角，2Ω为太阳锥角，h为焦点在地平坐标系中的z向坐标。

当通过以上影像方程计算出的单镜光斑尺寸超过设定值时，其所对应的受光面与定日镜水平距离即小面积平面定日镜102的最远距离，则超过此距离时应采用大型汇聚式定日镜103。

如图2中虚线所示，若远塔区采用小面积平面定日镜102，则经其反射的光线投射到吸热器101上所形成的光斑尺寸过大，甚至溢出吸热器101表面，其光斑亮度低，能量分散，光斑质量较差，且小面积平面定日镜102的远距离校正难度较大、定日镜精度难以保证，综合以上因素，远塔区采用小面积平面定日镜102的镜场聚光精度较低且稳定性较差。如图2所示，若远塔区采用大型汇聚式定日镜103，可通过改变小反射平面角度改变其反射光路，进而改变汇聚焦距，光线在吸热器101上的投射位置随之改变，由此光斑形状及大小发生相应变化，光斑变小，亮度变大，光能量变集中。

图3是完全采用小面积平面定日镜102的镜场的光斑效果，图中所示光斑较大，亮度较小，能量分散；

图4是本发明所述镜场的光斑效果图，图中所示光斑缩小，亮度变大，能量变集中。

由此可见，利用本发明所提供镜场能有效保证远距离定日镜光斑大小和亮度，提高镜场整体聚光效果。

因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管业已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (4)

1.一种小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场，用于塔式太阳能热发电定日镜场中，其特征在于，包括吸热器、小面积平面定日镜和大型汇聚式定日镜，所述小面积平面定日镜设置于距离所述吸热器较近区域内，所述大型汇聚式定日镜设置于距离所述吸热器较远区域内，且所述小面积平面定日镜的反射镜面积小于所述大型汇聚式定日镜的反射镜面积；

所述大型汇聚式定日镜的反射面由若干小面积平面镜组成，所述若干小面积平面镜拼接排列形成凹面反射面；

距离所述吸热器较近区域和距离所述吸热器较远区域的界限，通过整个镜场在所述吸热器的受光面上所投射的光斑的大小决定，当通过以下影像方程计算出的单镜光斑尺寸超过设定值时，其所对应的受光面与定日镜水平距离即小面积平面定日镜的最远距离，则超过此距离时应采用大型汇聚式定日镜：

对于受光面为平面的吸热器，设受光面法线与受光面交点在地平坐标系上的坐标为(x₀,y₀,z₀)，坐标系中规定z轴指向天顶，y轴指向南，x轴指向西，有以下太阳光斑影像方程：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

式中，各系数为：

A＝[m_a ²+m_b ²+(h-m_c)²]cos²Ω-m_a ²

B＝2m_a[(h-m_c)cosα-m_bsinα]

C＝[m_a ²+m_b ²+(h-m_c)²]cos²Ω-[(h-m_c)cosα-m_bsinα]²

D＝-2m_a[m_a ²+m_b ²+(h-m_c)²]cos²Ω+2m_a[m_a ²-m_b(y₀-y₀cosα-m_b)+(h-m_c)(y₀sinα+z₀-m_c)]

E＝2[m_a ²+(b-m_b)²+(h-m_c)²][(y₀-m_b)sinα+(z₀-m_c)cosα]cos²Ω-2[(h-m_c)cosα+(b-m_b)sinα][m_a ²+(b-m_b)(y₀-y₀cosα-m_b)+(h-m_c)×(y₀sinα-z₀-m_c)]

F＝[m_a ²+(b-m_b)²+(h-m_c)²][y₀ ²-2y₀(y₀-m_b)cosα-2y₀(z₀-m_c)sinα+(x₀-m_a)²+(y₀-m_b)²+(z₀-m_c)²]×cos²Ω-[m_a ²+(b-m_b)(y₀-y₀cosα-m_b)+(h-m_c)(y₀sinα-z₀-m_c)]²

其中，(m_a,m_b,m_c)为定日镜中心在地平坐标系中的坐标；α为吸热器受光面与竖直方向夹角，(0,b,h)为焦点在地平坐标系中的坐标，2Ω为太阳锥角；

对于受光面为圆柱体的吸热器，有以下太阳光斑影像方程：

Acos²(β_t-β_r)+Bcos(β_t-β_r)+C＝0

式中，各系数为：

A＝4R²r²

B＝2Rr[h²csc²θ_tcos²Ω-R²-zh]

C＝(R²+zh)²-h²csc²θ_tcos²Ω(r²+R²+z²)

其中，R为镜塔距离，β_t为反射光方位角，θ_t为反射光高度角，r为圆柱形吸热器半径，β_r为吸热器柱面上某一给定点的法线的方位角，2Ω为太阳锥角，h为焦点在地平坐标系中的z向坐标。

2.根据权利要求1所述的小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场，其特征在于，所述小面积平面定日镜的反射面由1～4片平面反射镜面组成。

3.根据权利要求1所述的小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场，其特征在于，所述小面积平面定日镜的反射面面积在1～20平方米之间。

4.根据权利要求1所述的小面积平面定日镜与大型汇聚式定日镜结合的镜场，其特征在于，所述大型汇聚式定日镜的反射面面积大于30平方米。