CN104422153A - 塔式太阳能聚光系统及聚光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塔式太阳能聚光系统及聚光方法，塔式太阳能聚光系统，包括:定日镜阵列、接收塔和腔式吸热器;以所述接收塔为圆心，所述定日镜阵列呈扇形布置在定日镜场地;所述腔式吸热器通过旋转控制机构安装在所述接收塔的顶端。具有以下优点:(1)扩大了定日镜阵列布置的范围，在原有接收塔的北侧镜场的基础上，将定日镜的布置范围扩充至接收塔东侧和西侧，从而提高了定日镜能够辐射的太阳能;(2)安装在接收塔顶的腔式吸热器可以旋转，使腔式吸热器的开口方向与定日镜反射的能量焦点保持一致，从而提高了能量利用率;(3)能够精确计算出当前的太阳方位角，从而使定日镜角度与当前的太阳方位角一致，提高定日镜能够辐射的太阳能。

Description

塔式太阳能聚光系统及聚光方法

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，具体涉及一种塔式太阳能聚光系统及聚光方法。

背景技术

太阳能热发电技术是21世纪解决环境污染和能源危机的有效途径之一。太阳能热发电主要包括槽式、碟式和塔式三种方式。其中，塔式太阳能热发电是大型太阳能发电中最为经济的发电形式。

塔式太阳能热发电系统主要包括太阳能聚光系统和能量转化系统；其中，太阳能聚光系统包括安装在场地上大量的定日镜和安装在场地中央接收塔上的吸热器两部分。放置定日镜的区域称为定日镜场。其工作原理为：定日镜场中大量的定日镜对太阳进行跟踪，从而将太阳光反射到接收塔上的吸热器上，吸热器再将聚集的太阳辐射能转化为热能，后续通过能量转化系统，将热能转化为电能而发电。

在上述太阳能热发电过程中，聚集到吸热器的能量高低直接影响整个热发电系统发电效率，因此，如何有效提高聚集到吸热器的能量具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种塔式太阳能聚光系统及聚光方法，能够有效提高聚集到吸热器的能量，从而提高整个热发电系统发电效率。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种塔式太阳能聚光系统，包括：定日镜阵列、接收塔和腔式吸热器；以所述接收塔为圆心，所述定日镜阵列呈扇形布置在定日镜场地；所述腔式吸热器通过旋转控制机构安装在所述接收塔的顶端。

优选的，所述定日镜阵列布置在所述接收塔北侧、东侧和西侧的定日镜场地。

优选的，围绕所述接收塔的所述定日镜阵列的扇形夹角大于180度且小于360度。

优选的，所述旋转控制机构安装在所述腔式吸热器的底部，包括步进电机、一个主动轮和若干个从动轮；所述步进电机直接驱动所述主动轮转动，在所述主动轮转动的带动下，带动若干个所述从动轮转动，进而带动所述腔式吸热器旋转。

优选的，所述腔式吸热器内部的传热介质通道采用软管或者旋转密封装置。

本发明还提供一种塔式太阳能聚光方法，包括以下步骤：

S1，以接收塔为圆心，定日镜阵列呈扇形布置在定日镜场地；在接收塔的顶端安装腔式吸热器；

S2，定日镜阵列中各个定日镜跟踪太阳而旋转，使定日镜反射面实时朝向太阳辐射方向；同时，所述腔式吸热器也按照一定的控制规则进行旋转，使所述腔式吸热器的开口实时为所述定日镜阵列反射的太阳光聚焦点；则：定日镜阵列最大限度的接收太阳光辐射，并将接收到的太阳光辐射准确反射到腔式吸热器的开口位置。

优选的，所述定日镜阵列布置在所述接收塔北侧、东侧和西侧。

优选的，所述定日镜阵列中各个定日镜跟踪太阳而旋转，具体为：

实时计算出太阳方位角FW；其中，太阳方位角是太阳至腔式吸热器连线在地面上的投影与正南向的夹角；

控制各个定日镜的角度，使各个定日镜角度与当前的太阳方位角一致。

优选的，太阳方位角FW通过以下方法计算：太阳方位角FW由当地纬度、赤纬角、时角、高度角计算，公式如下：

(1)按式1计算赤纬角cw，单位为度

$\mathrm{cw}=23.45\×\sin \left(\frac{(360\×(284+\mathrm{day}))}{365}\right)$         式1

其中，day表示从1月1日开始计算的天数；

(2)按式2计算真太阳时H，单位为小时

$H=H_s\±\frac{L-L_s}{15}+\frac{e}{60}$         式2

其中，H_s-该地区标准时间，单位为小时；

L、L_s-分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度；对于东半球，式中“±”号取正号；对于西半球则取负号；

e-时差，单位为分钟；其值可按下式计算：

e=229.2*(7.5×10^-5+0.001868*cosB-0.032077×sinB-0.014615×cos2B-0.04089×sin2B；

B=360×(n-1)/365     (1≤n≤365)；

(3)按式3计算太阳时角SJ，单位为度；

SJ=(H-12)×15       式3

(4)按式4计算太阳高度角GD，单位为度；

GD=arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))     式4

La-当地纬度，单位为度；

(5)按下列方式计算太阳方位角FW，单位为度；

如果|cw|>La，则C1=1；

辅助参数EW，单位：°，EW=arccos(tan(cw)/tan(La))。

如果|SJ|<EW，则C1=1；反之C1=-1；

如果La×(La-CW)>0，则C2=1；反之C2=-1；

如果SJ>0，则C3=1；反之C3=-1；

辅助参数FF=sin(SJ)×cos(CW)/cos(GD)；

则FW=C1×C2×arcsin(FF)+180×C3×(1-C1×C2)/2。

本发明提供的塔式太阳能聚光系统及聚光方法，具有以下优点：

(1)扩大了定日镜阵列布置的范围，在原有接收塔的北侧镜场的基础上，将定日镜的布置范围扩充至接收塔东侧和西侧，从而提高了定日镜能够辐射的太阳能：

(2)安装在接收塔顶的腔式吸热器可以旋转，使腔式吸热器的开口方向与定日镜反射的能量焦点保持一致，从而提高了能量利用率；

(3)能够精确计算出当前的太阳方位角，从而使定日镜角度与当前的太阳方位角一致，提高定日镜能够辐射的太阳能。

附图说明

图1为本发明提供的塔式太阳能聚光系统的结构示意图；

其中，1---接收塔；2---腔式吸热器；3---定日镜阵列；α---扇形夹角；

图2为本发明提供的塔式太阳能聚光系统在上午时的结构示意图；其中，箭头代表太阳光照射方向；

图3为本发明提供的塔式太阳能聚光系统在正午时的结构示意图；其中，箭头代表太阳光照射方向；

图4为本发明提供的塔式太阳能聚光系统在下午时的结构示意图；其中，箭头代表太阳光照射方向；

图5为太阳方位角的示意图；其中，箭头朝向为正南向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-4所示，本发明提供一种塔式太阳能聚光系统，包括：定日镜阵列、接收塔和腔式吸热器；以所述接收塔为圆心，所述定日镜阵列呈扇形布置在定日镜场地；所述腔式吸热器通过旋转控制机构安装在所述接收塔的顶端。其中，旋转控制机构安装在所述腔式吸热器的底部，包括步进电机、一个主动轮和若干个从动轮；所述步进电机直接驱动所述主动轮转动，在所述主动轮转动的带动下，带动若干个所述从动轮转动，进而带动所述腔式吸热器旋转。腔式吸热器内部的传热介质通道采用软管或者旋转密封装置。

为提高定日镜能够辐射的太阳能，本发明扩大了定日镜阵列布置的范围，在原有接收塔的北侧镜场的基础上，将定日镜的布置范围扩充至接收塔东侧和西侧。另外，也扩大了围绕接收塔的定日镜阵列的扇形夹角，使扇形夹角大于180度且小于360度。

本发明还提供一种塔式太阳能聚光方法，包括以下步骤：

S1，以接收塔为圆心，定日镜阵列呈扇形布置在定日镜场地；在接收塔的顶端安装腔式吸热器；

S2，定日镜阵列中各个定日镜跟踪太阳而旋转，使定日镜反射面实时朝向太阳辐射方向；同时，所述腔式吸热器也按照一定的控制规则进行旋转，使所述腔式吸热器的开口实时为所述定日镜阵列反射的太阳光聚焦点；则：定日镜阵列最大限度的接收太阳光辐射，并将接收到的太阳光辐射准确反射到腔式吸热器的开口位置。

其中，定日镜阵列中各个定日镜跟踪太阳而旋转，具体为：

实时计算出太阳方位角FW；其中，太阳方位角是太阳至腔式吸热器连线在地面上的投影与正南向的夹角；

控制各个定日镜的角度，使各个定日镜角度与当前的太阳方位角一致。

本发明创新的提出了一种太阳方位角FW的计算方法，能够精确计算出当前太阳方位角。如图5所示，太阳方位角FW由当地纬度、赤纬角、时角、高度角计算，公式如下：

(1)按式1计算赤纬角cw，单位为度

$\mathrm{cw}=23.45\&times;\sin \left(\frac{(360\&times;(284+\mathrm{day}))}{365}\right)$        式1

其中，day表示从1月1日开始计算的天数。

具体的，当地球绕太阳运动时，它本身也绕着指向北极星的轴线旋转。由于地球沿公转轨道运动时其自身的旋转轴恒定地指向北极星，所以，一年中地球赤道平面与日-地连线之间的夹角在±23.45°之间变化。这个在一年的不同时间具有不同大小的角称为赤纬角。除了春分和秋分时，太阳相对地球运动的平面与集热器不在同一平面内。

(2)按式2计算真太阳时H，单位为小时

$H=H_s\&PlusMinus;\frac{L-L_s}{15}+\frac{e}{60}$         式2

其中，H_s-该地区标准时间，单位为小时；

L、L_s-分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度；对于东半球，式中“±”号取正号；对于西半球则取负号；

e-时差，单位为分钟；其值可按下式计算：

e=229.2*(7.5×10^-5+0.001868*cosB-0.032077×sinB-0.014615×cos2B-0.04089×sin2B；

B=360×(n-1)/365  (1≤n≤365)。

具体的，真太阳时是以当地太阳位于正南向的瞬时为正午。由于太阳与地球之间的距离和相对位置随时间不断变化，以及地球赤道与其绕太阳运转的轨道所处平面不一致，因而真太阳时与钟表所示的时间(即平均太阳时)有差距。他们之间的差距叫时差。

(3)按式3计算太阳时角SJ，单位为度；

SJ=(H-12)×15        式3

时角SJ：地球自传一周为360°，相应的时间为24小时，每小时地球自传的角度定义为时角SJ。正午时角为0°，其他时刻的时角的数值等于离正午的时间(小时数)乘以15。上午时角为负值，下午时角为正值。

(4)按式4计算太阳高度角GD，单位为度；

GD=arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))     式4

La-当地纬度，单位为度；

其中，太阳高度角是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的交角，它随着当地纬度、季节、每日时刻的不同而改变，可根据当地纬度、赤纬角、时角计算。

(5)按下列方式计算太阳方位角FW，单位为度；

如果|cw|>La，则C1=1；

辅助参数EW，单位：°，EW=arccos(tan(cw)/tan(La))。

如果|SJ|<EW，则C1=1；反之C1=-1；

如果La×(La-CW)>0，则C2=1；反之C2=-1；

如果SJ>0，则C3=1；反之C3=-1；

辅助参数FF=sin(SJ)×cos(CW)/cos(GD)；

则FW=C1×C2×arcsin(FF)+180×C3×(1-C1×C2)/2。

本发明提供的塔式太阳能聚光系统及聚光方法，具有以下优点：

(1)扩大了定日镜阵列布置的范围，在原有接收塔的北侧镜场的基础上，将定日镜的布置范围扩充至接收塔东侧和西侧，从而提高了定日镜能够辐射的太阳能：

(2)安装在接收塔顶的腔式吸热器可以旋转，使腔式吸热器的开口方向与定日镜反射的能量焦点保持一致，从而提高了能量利用率；

(3)能够精确计算出当前的太阳方位角，从而使定日镜角度与当前的太阳方位角一致，提高定日镜能够辐射的太阳能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种塔式太阳能聚光系统，其特征在于，包括：定日镜阵列、接收塔和腔式吸热器；以所述接收塔为圆心，所述定日镜阵列呈扇形布置在定日镜场地；所述腔式吸热器通过旋转控制机构安装在所述接收塔的顶端。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能聚光系统，其特征在于，所述定日镜阵列布置在所述接收塔北侧、东侧和西侧的定日镜场地。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能聚光系统，其特征在于，围绕所述接收塔的所述定日镜阵列的扇形夹角大于180度且小于360度。

4.根据权利要求1所述的塔式太阳能聚光系统，其特征在于，所述旋转控制机构安装在所述腔式吸热器的底部，包括步进电机、一个主动轮和若干个从动轮；所述步进电机直接驱动所述主动轮转动，在所述主动轮转动的带动下，带动若干个所述从动轮转动，进而带动所述腔式吸热器旋转。

5.根据权利要求1所述的塔式太阳能聚光系统，其特征在于，所述腔式吸热器内部的传热介质通道采用软管或者旋转密封装置。

6.一种塔式太阳能聚光方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，以接收塔为圆心，定日镜阵列呈扇形布置在定日镜场地；在接收塔的顶端安装腔式吸热器；

S2，定日镜阵列中各个定日镜跟踪太阳而旋转，使定日镜反射面实时朝向太阳辐射方向；同时，所述腔式吸热器也按照一定的控制规则进行旋转，使所述腔式吸热器的开口实时为所述定日镜阵列反射的太阳光聚焦点；则：定日镜阵列最大限度的接收太阳光辐射，并将接收到的太阳光辐射准确反射到腔式吸热器的开口位置。

7.根据权利要求6所述的塔式太阳能聚光方法，其特征在于，所述定日镜阵列布置在所述接收塔北侧、东侧和西侧。

8.根据权利要求6所述的塔式太阳能聚光方法，其特征在于，所述定日镜阵列中各个定日镜跟踪太阳而旋转，具体为：

实时计算出太阳方位角FW；其中，太阳方位角是太阳至腔式吸热器连线在地面上的投影与正南向的夹角；

控制各个定日镜的角度，使各个定日镜角度与当前的太阳方位角一致。

9.根据权利要求8所述的塔式太阳能聚光方法，其特征在于，太阳方位角FW通过以下方法计算：太阳方位角FW由当地纬度、赤纬角、时角、高度角计算，公式如下：

(1)按式1计算赤纬角cw，单位为度

$\mathrm{cw}=23.45\&times;\sin \left(\frac{(360\&times;(284+\mathrm{day}))}{365}\right)$          式1

其中，day表示从1月1日开始计算的天数；

(2)按式2计算真太阳时H，单位为小时

$H=H_s\&PlusMinus;\frac{L-L_s}{15}+\frac{e}{60}$            式2

其中，H_s-该地区标准时间，单位为小时；

L、L_s-分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度；对于东半球，式中“±”号取正号；对于西半球则取负号；

e-时差，单位为分钟；其值可按下式计算：

e=229.2*(7.5×10^-5+0.001868*cosB-0.032077×sinB-0.014615×cos2B-0.04089×sin2B；

B=360×(n-1)/365   (1≤n≤365)；

(3)按式3计算太阳时角SJ，单位为度；

SJ=(H-12)×15              式3

(4)按式4计算太阳高度角GD，单位为度；

GD=arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))        式4

La-当地纬度，单位为度；

(5)按下列方式计算太阳方位角FW，单位为度；

如果|cw|>La，则C1=1；

辅助参数EW，单位：°，EW=arccos(tan(cw)/tan(La))。

如果|SJ|<EW，则C1=1；反之C1=-1；

如果La×(La-CW)>0，则C2=1；反之C2=-1；

如果SJ>0，则C3=1；反之C3=-1；

辅助参数FF=sin(SJ)×cos(CW)/cos(GD)；

则FW=C1×C2×arcsin(FF)+180×C3×(1-C1×C2)/2。