CN104992237B - 平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法，属于定日镜布置技术领域，所述方法包括：获取塔式光热太阳能发电定日镜场原始资料，包括地理信息，太阳能资源信息；确定影响定日镜优化布置的排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j影响因素及所述影响因素的合理取值范围；根据确定的影响因素及合理取值范围构建正交实验工程并计算相应的电量；对得出的正交实验结果进行相应的分析，确定影响因素的最佳取值；综合影响因素的最佳取值，得出最优的定日镜布置方案。本方法解决了如何快速寻找到合理的定日镜的相对位置关系的技术问题，通过特定参数的选取可节约大量工作量并快速、准确地得出最优方案。

Description

平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法

技术领域

本发明涉及定日镜布置技术领域，尤其涉及一种平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法。

背景技术

定日镜优化布置是指优化预定范围和预定数量的定日镜的排布，使得定日镜互相间阴影的影响最小，最大化太阳能能量的获取。这种实现过程可以通过列举法来实现，即计算各种组合的可能性；也可以通过适当人工分析下的实验方法来实现，即借助数学统计分析与工程实验方法。第一种方法较为简单，但是无法由人工的方法来实现，只能依靠基于遗传算法等通过计算机运算来实现，需要大量的工作量和时间成本；第二种方法的实现需要借助一些统计分析知识，在工业应用上有一定的难度，但是相对于第一种方法可以节约工作量和时间成本。已有的与本发明最相近似的实现方案就是基于第一种实现形式，即以长时间，利用计算机来寻找各种可能的组合。这种算法适合于计算机利用大量的资源和时间去寻找足够多的组合，如果太阳能发电场内的定日镜数量较多的话，组合的可能性将呈指数式提高，计算时间也将成倍增加。现有技术的主要缺点就是只能通过计算机运算来实现整个过程，不仅需要相当的成本，不利用于广泛应用，而且耗费大量的时间。如果以人工来实现全部组合的可能性，更是不可能实现的。

正交实验法在农业，电信上的应用特别多，其具有完备的理论基础，可以节省大量的人力，物力，时间，取得较优的成果。其基本过程为对于一个项目首先选择若干影响实验结果的因素，然后对于不同的因素选择不同的水平来组合，得出相应的实验结果，通过正交实验原理对应的数学分析统计方法，得出一个理论上的各因素最优水平的组合。例如对于农业生产的育种中，光照时间，水分，氮含量，钾含量，磷含量都是对于其生长极为重要的因素，例如对于5个主要的因素，每个因素选5个值，即通过选择5种不同的光照时间，5种不同的水分，5种不同的氮含量，5种不同的钾含量，5种不同的磷含量，然后通过正交实验方法构成一个正交实验项目，就会出现25种实验因素的组合，对这25种组合做实验，并得出结果，然后通过正交实验对应的数学分析方法，得出光照时间，水分，氮含量，钾含量，磷含量的最优值来组合成的就是整个的最优方案。比如对于一个5因素，每个因素取5个值，如果计算所有的可能性则需要计算3125种，如果采用正交实验方法则只需要计算25种，节约大约99％的工作量。

发明内容

为了解决在塔式光热太阳能发电场中，如何通过提取更全面的影响定日镜布置的主要因素来快速获得合理的定日镜的相对位置关系这一技术问题，本发明提出一种基于正交实验的平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法。

根据本发明的一个方面，所述平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法包括：步骤S1，获取塔式光热太阳能发电场的地理信息，确定塔式光热太阳能发电定日镜场的范围并根据塔式光热太阳能发电场的范围确定定日镜行列数，使得塔式光热太阳能发电定日镜场范围内的定日镜数目多于或等于需要的数目，并根据所述地理信息获取塔式光热太阳能发电场的太阳能资源信息，以便计算所述太阳能发电场整场的阴影系数；步骤S2，确定平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置的影响因素及其合理取值范围，所述影响因素包括排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j；步骤S3，根据步骤S2确定的影响因素和其合理取值范围，使用正交实验的方法，构建正交实验工程计算阴影系数，以得到正交实验结果；具体包括根据为每个影响因素在其合理取值范围内取的多个值构建正交实验表，并计算对应于每个正交实验条目的阴影系数；步骤S4，对步骤S3得出的正交实验结果进行相关统计分析，确定所述影响因素的最佳取值；步骤S5，根据步骤S4中确定的影响因素的最佳取值，得出最优的平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方案。

根据本发明所提出的方法的一个方面，在所述步骤S1中，确定对于南半球由南向北或北半球由北向南依次排列的多排定日镜，分别为第1排定日镜、第2排定日镜、……、第m排定日镜，以及每排定日镜所包括的多台定日镜，并确定每排定日镜中相邻两台定日镜之间的间距。

根据本发明所提出的方法的一个方面，所述排列角α为每排定日镜所在面即定日镜排面的垂直线与第一方向的夹角，所述第一方向对于北半球为正南方向，对于南半球为正北方向，并且当所述垂直线相对于第一方向顺时针偏转时的所述排列角为正值，逆时针偏转时所述排列角为负值；所述偏移间距比i为偶数排定日镜排面相对于前一排奇数排定日镜排面偏移的距离占所述偶数排中两个相邻的定日镜间距的比例，当偶数排定日镜排面相对于奇数排定日镜排面向逆时针偏移时偏移间距比i为正值，向顺时针偏移时所述偏移间距比为负值；所述纵向间距比j为塔式光热太阳能发电场高度方向相邻的两个定日镜排面间距的比例。

根据本发明所提出的方法的一个方面，步骤S2还包括，确定排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j的合理取值范围，并从合理取值范围内为每个因素取多个值。

根据本发明所提出的方法的一个方面，排列角α的取值范围为-60°～60°；偏移间距比i的取值范围为-1.0～1.0；纵向间距比j的取值范围为0.5～2.0；其中符号“～”表示的范围包含了端值。

根据本发明所提出的方法的一个方面，步骤S4包括：直观分析，对于得出的阴影系数对排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j进行直观分析，分别得出对应于每个影响因素不同值的影响程度，据此得出对于单个最优影响因素的组合；交互分析，根据得出的阴影系数对排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j两两分别分析，得出相应的影响程度，并和直观分析出的结果进行比较；方差分析，得出各影响因素综合的影响程度。

根据本发明所提出的方法的一个方面，所述排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j对于整个太阳能发电场是统一值。

根据本发明所提出的方法的一个方面，所述排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j对于整个太阳能发电场不是统一值，即对于每排定日镜来说具有相应的排列角α，对于每个偶数排定日镜来说具有相应的偏移间距比i，对于相邻定日镜排面间间距具有相应的纵向间距比j。

通过本发明提出的影响定日镜布置的三个因素，借助正交实验的方法可以使定日镜布置的形式更加多样化，更加合理，而且可以在节约近66％的工作量的前提下，快速、准确地得出最优的方案，减少相互间的阴影损失，增加能量的吸收。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法的流程图；

图2示出了塔式光热太阳能发电定日镜场和定日镜排布的示意图；

图3示出了正交实验表的示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明所提出的平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法的流程图。

如图1所示，本发明所提出的方法包括：

步骤S1，获取塔式光热太阳能发电场的地理信息，确定塔式光热太阳能发电定日镜场的范围并根据塔式光热太阳能发电场的范围确定定日镜行列数，使得塔式光热太阳能发电定日镜场范围内的定日镜数目多于或等于需要的数目，并根据所述地理信息获取塔式光热太阳能发电场的太阳能资源信息，以便计算所述太阳能发电场整场的阴影系数；

步骤S2，确定平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置的影响因素及其合理取值范围，即适合的水平值，本发明针对平坦地形塔式光热太阳能发电场的特点，确定了三个影响因素及其合理的取值范围，这将在下文进行详细介绍。

步骤S3，根据步骤S2选定的影响因素和其合理取值范围，使用正交实验的方法，构建正交实验工程并利用专业软件或理论计算公式进行阴影系数计算以得到正交实验结果；具体的，根据为每个影响因素在其合理取值范围内取的多个值构建正交实验表，并计算对应于每个正交实验条目的阴影系数；

步骤S4，对步骤S3得出的正交实验结果进行相关统计分析，确定各影响因素的最佳取值；

步骤S5，综合各影响因素的最佳取值，得出最优的布置方案。

下面，参考图2，对上述步骤做出更具体的介绍。

图2示出了塔式光热太阳能发电场以及其中定日镜排布的示意图。

在步骤S1中，首先获取塔式光热太阳能发电场的地理位置和地形图，然后根据塔式光热太阳能发电场的范围(如图2中的ABCD)，其长度为LZ，高度为DZ，其中高度定义为定日镜场南北的距离(如图2中的AD、BC)，长度定义为定日镜场东西的距离(如图2中的BA、CD)，确定定日镜的行列数，应使发电场范围内的定日镜数目(即行列交汇点)多于或等于需要的数目。从图2可看出，从北向南(这里指北半球，南半球为从南向北)依次排列着第1排(行)定日镜、第2排定日镜，……，第m排定日镜，其中m为各排列面最大命名号，即各排列面的总数，具体在图2中m为4。当偶数排定日镜相对奇数排定日镜没有偏移时，定日镜均在行列交汇点处，由于图2示出了偏移，所以奇偶排的定位镜在南北方向上并不位于一列。此外，图2所示的每排定日镜所在的面(即定日镜排面)都垂直于南北方向，这只是一个示例，实际上如下文所述，定日镜排面可并不垂直于南北方向，即排列角α可不为0。

然后，在步骤S2中选定影响定日镜布置的多个因素，在本发明的具体实施方式中，提出了影响平坦区域内定日镜布置的三个因素，分别为排列角α，偏移间距比i,纵向间距比j。下面，对这三个因素及其合理取值范围做出具体描述。

排列角α：对于北半球的塔式光热太阳能发电场，定日镜排面的垂直线与正南方向的夹角；在本实施例中，整场设定为同一值，当然也可以为每排取不同的值。例如取正南方向为起始点，与正南方向的夹角定义为0°，垂直线相对正南方向顺时针即向西偏转时的夹角定义为正值，逆时针即向东偏转时的夹角定义为负值，对于南半球的塔式光热太阳能发电定日镜场，其与北半球塔式光热太阳能发电定日镜场的定义值镜像处理。例如图2所示的北半球，下方两个箭头示出了正南方向的两个示例，其中对于左侧的正南方向来说，垂直线(图2中的点划线)逆时针即向东偏转，这时候排列角α为负值，对于右侧的正南方向来说，垂直线顺时针即向西偏转，排列角α为正值。

偏移间距比i：偏移间距比是偶数排定日镜排面相对于前一排奇数排定日镜排面偏移的距离占所述偶数排中两个相邻的定日镜间距的比例。其中，奇数排定日镜排面(例如第a排)不发生偏移即作为基准，相邻的偶数排定日镜排面(例如第a+1排)相对于第a排定日镜排面发生偏移。当没有偏移时所述偏移间距比i为0，而当偶数排定日镜排面相对于奇数排定日镜排面向逆时针偏移时偏移间距比i为正值，向顺时针偏移时为负值。在一个实施例中，同一排中所有相邻的定日镜皆为等间距排列，即图2所示的第一排定日镜的间距(L1-L3)相等，当然，偶数排内定日镜间距也相等，这是因为同排定日镜之间基本不会发生遮挡的情况，可不做进一步优化配置。例如图2所示，第二排定日镜的排面相对于第一排定日镜的排面向左(顺指针)偏移了距离Lp，那么所述偏移间距比i＝-Lp/Lj。根据一个实施例，各偶数排定日镜排面偏移的方向一致。当然，对于每一个偶数排的定日镜排面来说，其相对于前面一排的奇数排定日镜排面的偏移间距比都可不同，这不仅取决于两者的偏移间距，还取决于该偶数排定日镜自身的定日镜排布间距。使用这一参数，同时考虑了偶数排相对于前排的偏移位置以及定日镜间间距，能够非常灵活地对步骤1所确定的定日镜排布做出进一步地优化，而且通过实验发现，这一参数的选择能够带来预料不到的技术效果，以此参数得到的最优定日镜布置能够获得非常高效的发电量。

纵向间距比j：塔式光热太阳能发电场高度方向相邻的两个定日镜排面间距的比例。即j＝D_c+1/D_c，其中c＝1～m-2，m为排面的最大命名号，即排面的总数，D_c为第c排面与第c+1排面之间的间距。

同一排定日镜间的间距L：是指同一排中两个定日镜前缘中心间的距离，其取值应满足同一排中定日镜的数量减一与间距的乘积，及定日镜宽度之和小于定日镜场的长度值。

对于每个因素分别取3个水平值，所述水平值的取值范围为：

α的取值范围为-60°～60°；

i取值范围为-1.0～1.0；

j取值范围为0.5～2.0。

本文中符号“～”表示的范围包含了端值。

下面执行步骤S3，根据步骤S2选定的三个影响因素(排列角α，偏移间距比i,纵向间距比j)及其合理取值范围构建正交实验工程并计算阴影系数，即根据为每个影响因素所取的多个值构建正交实验表，并使用本领域所公知的阴影系数计算专业软件或理论计算公式，计算出与该表的各个条目相对应的阴影系数，从而得到正交实验结果，例如构建的正交试验表如图3所示。此外，为了获得最优的定日镜的位置方案，在数据分析时实验结果取为100-阴影系数。当然，图3仅仅给出了一个示例，其中α、i和j对于整个风电场都是一样的，但在其他实施例中，对于α、i和j来说，可以针对不同定日镜排面设置不同的值，所列出的正交实验表相对于图3来说是更为复杂的，只不过为了说明和简洁的目的，仅使用了图3的简化图进行介绍。

接下来，执行步骤S4，对步骤S3得到的正交实验表进行数据分析，确定三个影响因素的最佳取值，该分析过程为通用的正交实验数据分析过程，共包括三个方面：

1：直观分析

对于得出的阴影系数对排列角α，偏移间距比i,纵向间距比j这3个因素进行直观分析，分别得出对应于每个因素不同水平的影响程度，据此可以得出对于单个最优因素的组合。

2：交互分析

交互分析就是为了分析两个因素的组合的效果，因为可能会有单个的因素的水平不是最优的，但是两个因素的两个水平的组合会效果更好。根据得出的阴影系数对排列角α，偏移间距比i,纵向间距比j这3个因素两两分别分析，得出其影响程度，并和直观分析出的结果进行比较。

3：方差分析

由于各个影响因素对于结果都有影响，根据以上的分析结果，只能得出对应于一个或两个因素的不同水平的先后影响顺序，通过方差分析则可得出各因素水平综合的影响程度。

最后，执行步骤S5，综合各因素的最佳取值，得出最优布置方案。综合上述过程则可以确定对于阴影系数的计算影响最显著的各因素的水平组合(α，i，j)就是优化的最终结果。

下面采用一个具体示例对本方案进行进一步说明。

例如对于一个L＝18m,D＝20m的光热定日镜场，拟布置4排每排4个共16个2m×3m(宽×长)的定日镜，选定根据上述原则，选择上述3个因素，每个因素选择3个不同水平，因素与水平如表1所示，应用附图3中的正交实验表，构建本项目的正交实验表如表2，应用上述的公式计算的各参数如表3所示。根据专业软件，输入地形图和各实验方案得出的定日镜坐标值，计算的阴影系数结果如表4所示。表5为各因素直观分析结果，通过分析可知对于排列角α，对水平1，其值为73.967，对于水平2，其值为79.467，对于水平3，其值为85.7，则效果最好的是水平3，其直观分析的结果最大，依次为水平2，水平1。同理对偏移间距比i，效果最好的是水平3，对于纵向间距比j，效果最好的是水平3。则通过直观分析最好的组合是排列角α＝30°，纵向间距比j＝0.7，横向间距比i＝1.2。

进一步分析，各因素间的交互作用，对于排列角α与偏移间距比i，交互作用最明显的是排列角α水平3与横向间距比i水平2，且其效果大于各单因素值(即直观分析中的值)。类似的，对于排列角α与纵向间距比j，交互作用最明显的是排列角α水平3与纵向间距比j水平2；对于横向间距比i与纵向间距比j，交互作用最明显的是偏移间距比i水平2与纵向间距比j水平2。通过交互分析分析最好的组合是排列角α＝30°，偏移间距比i＝0.5，纵向间距比j＝0.8。

对各因素进行方差分析，排列角α对于结果的影响是较明显，其余因素的影响效果不大。则进一步优化时对于排列角α应更细化处理，取更多的值来验算。

通过以上分析，对于本案例，最优的方案为排列角α＝30°，偏移间距比i＝0.5，纵向间距比j＝0.8。

表1 不同参数的不同水平

表2 3因素3水平正交实验表

	排列角α	偏移间距比i	纵向间距比j	实验结果
					实验1	-30	0.3	0.8
实验2	-30	0.5	1
					实验3	-30	0.7	1.2
实验4	0	0.3	1
					实验5	0	0.5	1.5
实验6	0	0.7	0.8
					实验7	30	0.3	1.2
实验8	30	0.5	0.8
					实验9	30	0.7	1

表3 各方案各参数值表

排列角α

偏移间距比i

纵向间距比j

Lp(m)

D1(m)

D2(m)

D3(m)

1	-30	0.3	0.8	1.32	7.38	5.9	4.72
								2	-30	0.5	1	2.2	6	6	6
3	-30	0.7	1.2	3.08	4.95	5.93	7.12
								4	0	0.3	1	1.32	6	6	6
5	0	0.5	1.5	2.2	4.95	5.93	7.12
								6	0	0.7	0.8	3.08	7.38	5.9	4.72
7	30	0.3	1.2	1.32	4.95	5.93	7.12
								8	30	0.5	0.8	2.2	7.38	5.9	4.72
9	30	0.7	1	3.08	6	6	6

表4 各方案阴影系数计算结果

	排列角α	偏移间距比i	纵向间距比j	实验结果
					实验1	-30	0.3	0.8	73.4
实验2	-30	0.5	1	74
					实验3	-30	0.7	1.2	74.5
实验4	0	0.3	1	77.7
					实验5	0	0.5	1.5	78.7
实验6	0	0.7	0.8	79
					实验7	30	0.3	1.2	85.5
实验8	30	0.5	0.8	85.6
					实验9	30	0.7	1	86

表5 各因素直观分析结果

	排列角α	偏移间距比i	纵向间距比j
				水平1	73.967	78.867	79.333
水平2	78.467	79.433	79.233
				水平3	85.700	79.833	79.567

表6 排列角α与偏移间距比i交互作用分析结果

表7 排列角α与纵向间距比j交互作用分析结果

表8 偏移间距比i与纵向间距比j交互作用分析结果

表9 各因素方差分析结果

因素	偏差平方和	F比	F临界值
				排列角α	210.242	2563.927	19
偏移间距比i	1.1416	17.268	19
				纵向间距比j	0.176	2.146	19

由此可见，本发明所提出的平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法具有下述优点：节省时间，通过正交实验方法的采用，可以节省近66％的工作量，降低了劳动的强度，提高了平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置的效率；提出了更加全面的影响定日镜的因素，可以实现等距与不等距等多种形式的定日镜布置形式，使布置更加合理；通过正交实验方法的采用，可以使得出的组合更优。

本文所提出的上述具体实现方式仅为示例性的，并不作为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员可根据具体情况对上述实现方式做出相应调整和改变，这些调整和改变也落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1，获取塔式光热太阳能发电场的地理信息，确定塔式光热太阳能发电定日镜场的范围并根据塔式光热太阳能发电场的范围确定定日镜行列数，使得塔式光热太阳能发电定日镜场范围内的定日镜数目多于或等于需要的数目，并根据所述地理信息获取塔式光热太阳能发电场的太阳能资源信息，以便计算所述太阳能发电场整场的阴影系数；

步骤S2，确定平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置的影响因素及其合理取值范围，所述影响因素包括排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j；其中所述排列角α为每排定日镜所在面即定日镜排面的垂直线与第一方向的夹角，所述第一方向对于北半球为正南方向，对于南半球为正北方向，并且当所述垂直线相对于第一方向顺时针偏转时的所述排列角为正值，逆时针偏转时所述排列角为负值；所述偏移间距比i为偶数排定日镜排面相对于前一排奇数排定日镜排面偏移的距离占所述偶数排中两个相邻的定日镜间距的比例，当偶数排定日镜排面相对于奇数排定日镜排面向逆时针偏移时偏移间距比i为正值，向顺时针偏移时所述偏移间距比为负值；所述纵向间距比j为塔式光热太阳能发电场高度方向相邻的两个定日镜排面间距的比例；

步骤S3，根据步骤S2确定的影响因素和其合理取值范围，使用正交实验的方法，构建正交实验工程计算阴影系数，以得到正交实验结果；具体包括根据为每个影响因素在其合理取值范围内取的多个值构建正交实验表，并计算对应于每个正交实验条目的阴影系数；

步骤S4，对步骤S3得出的正交实验结果进行相关统计分析，确定所述影响因素的最佳取值；

步骤S5，根据步骤S4中确定的影响因素的最佳取值，得出最优的平坦地形塔式光热太阳能发电场定日镜优化布置方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在所述步骤S1中，确定对于南半球由南向北或北半球由北向南依次排列的多排定日镜，分别为第1排定日镜、第2排定日镜、……、第m排定日镜，以及每排定日镜所包括的多台定日镜，并确定每排定日镜中相邻两台定日镜之间的间距。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中：

步骤S2还包括，确定排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j的合理取值范围，并从合理取值范围内为每个因素取多个值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

排列角α的取值范围为-60°～60°；

偏移间距比i的取值范围为-1.0～1.0；

纵向间距比j的取值范围为0.5～2.0；

其中符号“～”表示的范围包含了端值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤S4包括：

直观分析，对于得出的阴影系数对排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j进行直观分析，分别得出对应于每个影响因素不同值的影响程度，据此得出对于单个最优影响因素的组合；

交互分析，根据得出的阴影系数对排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j两两分别分析，得出相应的影响程度，并和直观分析出的结果进行比较；

方差分析，得出各影响因素综合的影响程度。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

所述排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j对于整个太阳能发电场是统一值。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

所述排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j对于整个太阳能发电场不是统一值，即对于每排定日镜来说具有相应的排列角α，对于每个偶数排定日镜来说具有相应的偏移间距比i，对于相邻定日镜排面间间距具有相应的纵向间距比j。