CN107102967A - 定日镜场的布局方法以及定日镜场排布计算系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定日镜场排布计算系统，本定日镜场排布计算系统包括：能量反射效率计算模块，用于确定定日镜的能量反射效率；能量截断效率计算模块，确定定日镜的能量截断效率；镜场排布形态计算模块，与能量反射效率计算模块、能量截断效率计算模块相连，并通过能量反射效率和能量截断效率获得镜场的排布形态；以及与镜场排布形态计算模块相连的镜场分布范围计算模块；所述镜场分布范围计算模块适于根据全年的能量接收效率分布图规划出定日镜排布的内、外边界线，以构成镜场的分布范围；所述镜场分布范围计算模块与各定日镜的排布坐标计算模块相连，通过以确定各定日镜的排布坐标。

Description

定日镜场的布局方法以及定日镜场排布计算系统

技术领域

本发明涉及一种定日镜场的布局方法以及定日镜场排布计算系统。

背景技术

塔式太阳能发电系统是在空地上建造一座中央塔，其顶部安装一个集热器，以构成中央集热塔，周围安装一定数量的定日镜，定日镜聚集太阳光到塔顶的集热器，集热器内腔产生高温，然后通过集热器内部的工质接收热量而产生高温蒸汽，推动汽轮机发电。

太阳能热电塔系统一般由反射镜阵列、高塔、集热器、蓄能器、发电机组等五个主要部分组成，反射镜按一定的规则进行排列组成反射镜阵列。这些镜子自动跟踪太阳，将太阳光正确地投射到集热器窗口。集热器被设计为一个侧面受光或四周受光体，将接收的太阳光转换成热能后，使流动介质在加热盘产生蒸汽。热量一部分用来驱动发电机发电，另一部分被储存在蓄能器中，作为没有阳光时的备用能量。

塔式太阳能发电系统具有聚光倍数高和能量集中的特点，容易实现较高工作温度，定日镜的数量越多，聚光比越大，接收器集热温度越高。聚光通过反射光线直接完成，方法简单有效，散热面积相对较小，且有较高的光热转换效率，同时，塔式太阳能发电系统的后端技术可与现有火电站兼容，方便对火电站改造，降低碳排放，有望成为太阳能发电的主要方式。

目前塔式系统常见的镜场排列方式如图1所示：

目前，大部分塔式发电系统的镜场分布为同心圆形式，如图1所示。此外，有些镜场为了简化建设难度，采用了简单的线性排列方式。在大部分的塔式太阳能发电系统中，中央集热塔处于镜场的物理中心。

发明内容

本发明的目的是提供一种定日镜场排布计算系统，以解决各地理纬度的塔式太阳能发电系统中定日镜场布局不合理的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种定日镜场排布计算系统，包括：

能量反射效率计算模块，用于确定定日镜的能量反射效率；

能量截断效率计算模块，确定定日镜的能量截断效率；

镜场排布形态计算模块，与能量反射效率计算模块、能量截断效率计算模块相连，并通过能量反射效率和能量截断效率获得镜场的排布形态；以及

与镜场排布形态计算模块相连的镜场分布范围计算模块；

所述镜场分布范围计算模块适于根据全年的能量接收效率分布图规划出定日镜排布的内、外边界线，以构成镜场的分布范围；

所述镜场分布范围计算模块与各定日镜的排布坐标计算模块相连，通过以确定各定日镜的排布坐标。

进一步，所述能量反射效率适于通过如下公式表示：

η_ref＝η_c·η_n·η_d·η_r；

式中：η_ref为定日镜能量反射效率，η_c为定日镜余弦效率，η_n为大气衰减效率，η_d为中心点距离效率，η_r为镜面反射效率。

进一步，能量截断效率适于通过以下公式表示：

式中：η_t为定日镜能量截断效率，σ为太阳半张角，点x、y的范围为以镜场中心为原点所建立的坐标系对应的定日镜反射光斑区域。

进一步，镜场排布形态计算模块适于根据能量反射效率和能量截断效率对一定范围内所有定日镜的能量接收效率进行计算，生成全年的能量接收效率分布图，对镜场排布形态加以拟合，其中

单个定日镜全年的能量接收效率适于通过其在每个时刻下的能量接收效率在全年的基础上通过积分运算得到，即通过以下公式表示：

式中：η_fin为定日镜的全年能量接收效率，η_ref为能量反射效率，η_t为能量截断效率，D为全年的日序列时刻；

通过对一定范围内的定日镜进行全年能量接收效率的计算，以对镜场排布形态进行确定；即对应地理纬度从低到高的变化，将镜场的效率圈划分为：椭圆形、非中心对称圆形和扇形。

进一步，地理纬度从低到高，即

在赤道附近，镜场分布拟合为椭圆形；

在中低纬度地区，镜场拟合为非中心对称圆形，以及

在中纬度地区，镜场拟合为扇形。

进一步，所述排布坐标计算模块适于确定定日镜的环数；即

定日镜的环数适于通过以下公式表示：

式中：C为定日镜环数，H为塔高，y_Mmax和y_Mmin分别为定日镜分布区间最大值和最小值，l为定日镜宽度；以及确定每一环定日镜的个数；即定日镜每环的个数适于通过以下公式表示：

其中：n_i为第i环定日镜的个数，Δr为定日镜径向间距，θ_i为第i环相邻定日镜横向间距，l为定日镜宽度。

本发明的有益效果是，本发明的定日镜场排布计算系统，其通过分析定日镜在能量传输过程中产生的各种效率损失，计算定日镜的整体效率，确定定日镜的高效率分布区间，优化定日镜排列方式，可以有效提升塔式系统的整体发电效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是目前塔式系统常见的镜场排列方式；

图2是本发明所提出的定日镜场排布计算系统的原理框图；

图3(a)、图3(b)和图3(c)分别是不同纬度地区镜场全年能量接收效率分布示意图；

图4(a)、图4(b)和图4(c)是镜场分布范围示意图；

图5(a)、图5(b)和图5(c)分别是定日镜分布示意图。

图中：中央集热塔1、定日镜2。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

塔式发电属于太阳能热发电技术，其后端技术与火力发电相似，因此，系统整体发电效率的高低取决于镜场的排列方式。本发明基于通过对定日镜进行优化布局，提高反射镜场的光学效率，以提升整个塔式系统的发电效率。

实施例1

本实施例1提供了一种定日镜场排布计算系统，包括：

能量反射效率计算模块，用于确定定日镜的能量反射效率；

能量截断效率计算模块，确定定日镜的能量截断效率；

镜场排布形态计算模块，与能量反射效率计算模块、能量截断效率计算模块相连，并通过能量反射效率和能量截断效率获得镜场的排布形态；以及

与镜场排布形态计算模块相连的镜场分布范围计算模块；

所述镜场分布范围计算模块适于根据全年的能量接收效率分布图规划出定日镜排布的内、外边界线，以构成镜场的分布范围；

所述镜场分布范围计算模块与各定日镜的排布坐标计算模块相连，通过以确定各定日镜的排布坐标。

首先确定定日镜的能量反射效率，即

定日镜的能量反射效率指的是定日镜最终向集热塔窗口反射的能量与自身所获得的能量之比，其影响因子主要有余弦效率、大气衰减效率、中心点距离效率、镜面反射效率。其中，镜面反射效率为一个常数，由反射镜材质所决定；余弦效率与大气衰减效率是决定定日镜能量反射效率的重要因素；中心点距离效率指的是反射光能在定日镜到集热塔之间的距离产生的衰减效率。

定日镜的能量反射效率可用以下公式(1)表示：

η_ref＝η_c·η_n·η_d·η_r (1)

式中：η_ref为定日镜能量反射效率，η_c为定日镜余弦效率，η_c为大气衰减效率，η_d为中心点距离效率，η_r为镜面反射效率。

其次，确定定日镜能量截断效率，即

由于太阳张角的存在，定日镜的反射光线存在扩散现象，最终可能超出中央集热塔窗口的接收范围，即存在能量截断效率。

靠近或远离集热塔的定日镜，截断效率将极大地降低能量的接收。定日镜的能量截断效率可用以下公式(2)表示：

式中：η_t为定日镜能量截断效率，σ为太阳半张角，点x、y的范围为以镜场中心为原点所建立的坐标系对应的定日镜反射光斑区域；

并且，镜场排布形态计算模块适于根据能量反射效率和能量截断效率对一定范围内所有定日镜的能量接收效率进行计算，生成全年的能量接收效率分布图，对镜场排布形态加以拟合，进而确定镜场排布形态，即对应地理纬度从低到高的变化，将镜场的效率圈划分为：椭圆形、非中心对称圆形和扇形。

具体步骤如下：

定日镜的排列最终由定日镜的能量反射效率与截断效率的乘积所决定，同时，为了进一步确定镜场的形态，需要镜场各参数进行能量接收效率的计算，生成全年的能量接收效率分布以对镜场形态加以拟合。

定日镜全年的能量接收效率可由其在每个时刻下的能量接收效率在全年的基础上通过积分运算得到，具体可由以下公式表示：

式中：η_fin为定日镜全年能量接收效率，η_ref为定日镜能量反射效率，η_t为定日镜能量截断效率，D为全年的日序列时刻。

本发明所述的不同地理纬度地区镜场全年能量接收效率分布示意图如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示：

参照公式2和公式3，对不同纬度地区的镜场接收效率进行计算，可对镜场进行形态确定。当地理纬度由低到高变化，如图3(a)、图3(b)和图3(c) 各图所示镜场的效率圈在椭圆形、非中心对称圆形、和扇形之间发生转化。因此，在赤道附近，纬度在15度以内的地区，可将镜场拟合为椭圆形，如图3(a) 所示；中低纬度地区，纬度在15度到40度的地区，可将镜场拟合为非中心对称圆形，如图3(b)所示，中纬度地区，纬度在40到60度的地区，可将镜场拟合为扇形，如图3(c)所示。

所述镜场排布形态计算模块的具体步骤如下：

定日镜应布置在高效率位置，才能提高整个系统的最终效率，因此，理论上镜场分布范围即定日镜全年能量接收效率应不小于预定效率值（理论计算值）所包含的范围，但由于目前塔式发电系统后端技术效率已达到瓶颈，因此，定日镜的布置所在位置的最终效率不应低于预定效率值的0.7。

本发明所述的定日镜分布范围示意图如图4（a）、图4（b）和图4（c）所示：

在确定镜场分布范围时，根据各地区的效率分布对应的镜场拟合规律，并根据定日镜的布置所在位置的最终效率不应低于0.7的条件，可在全年能量接收效率分布图中规划出定日镜的内边界线N和外边界线M，从而产生整个反射镜群的分布范围。在赤道附近，纬度在15度以内的地区，镜场的内外边界如图4(a)所示；中低纬度地区，纬度在15度到40度的地区，镜场的内外边界如图4(b)所示，中纬度地区，纬度在40到60度的地区，镜场的内外边界如图4(c)所示。

进一步，所述排布坐标计算模块适于确定定日镜的环数；即

定日镜之间需要预留一定空间以避免机械碰撞并减小光线遮挡问题，因此在确定各定日镜的坐标之前，需要先确定定日镜的环数，和每一环定日镜的个数。定日镜的环数可由以下公式表示：

其中：C为定日镜环数，H为塔高，y_Mmax和y_Mmin分别为定日镜分布区间最大值和最小值即步骤4中A点和B点所在位置，l为定日镜宽度。

定日镜每环的个数可由以下公式表示：

其中：n_i为第i环定日镜的个数，Δr为定日镜径向间距，θ_i为第i环相邻定日镜横向间距，l为定日镜宽度，当纬度低于40度时α为360度，高于40度时为 90度。

最后，以镜场的接收效率中心为镜场的物理中心，按照预先拟合的镜场形态、环数和每环定日镜的个数布置定日镜，完成镜场的布局。、

通过具体的案例对实施例1的各定日镜的排布坐标进行具体说明。

预先设定以下参数，反射镜宽度3米，集热塔窗口宽度为6米，集热塔高度100米，对地理纬度为0度、30度和50度的地区分别进行计算，得到定日镜分布示意图如图5（a）、图5（b）和图5（c）所示。

对于地理纬度为30度地区的镜场分布，对照中低纬度的镜场分布模型，根据公式4和公式5，代入相关参数和步骤4中的定日镜分布的外边界和内边界范围，可得到定日镜的环数17，每环定日镜的数量从6到118之间变化，最终，按找预先拟合的镜场形态、环数和每环定日镜的个数布置定日镜，即可完成镜场的布局，如图5(b)所示。通过计算可知：赤道附近的低纬度地区的镜场分布如图5(a)所示；中高纬度地区的镜场分布如图5(c)所示。

显而易见，得益于定日镜的高效率布局设计方案，提高了整个系统所接收到的太阳能，从而提高了塔式系统的整体效率。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种定日镜场排布计算系统，其特征在于，包括：

能量反射效率计算模块，用于确定定日镜的能量反射效率；

能量截断效率计算模块，确定定日镜的能量截断效率；

镜场排布形态计算模块，与能量反射效率计算模块、能量截断效率计算模块相连，并通过能量反射效率和能量截断效率获得镜场的排布形态；以及

与镜场排布形态计算模块相连的镜场分布范围计算模块；

所述镜场分布范围计算模块适于根据全年的能量接收效率分布图规划出定日镜排布的内、外边界线，以构成镜场的分布范围；

所述镜场分布范围计算模块与各定日镜的排布坐标计算模块相连，通过以确定各定日镜的排布坐标。

2.根据权利要求1所述的定日镜场排布计算系统，其特征在于，

所述能量反射效率适于通过如下公式表示：

η_ref＝η_c·η_n·η_d·η_r；

式中：η_ref为定日镜能量反射效率，η_c为定日镜余弦效率，η_n为大气衰减效率，η_d为中心点距离效率，η_r为镜面反射效率。

3.根据权利要求2所述的定日镜场排布计算系统，其特征在于，

能量截断效率适于通过以下公式表示：

式中：η_t为定日镜能量截断效率，σ为太阳半张角，点x、y的范围为以镜场中心为原点所建立的坐标系对应的定日镜反射光斑区域。

4.根据权利要求3所述的定日镜场排布计算系统，其特征在于，

镜场排布形态计算模块适于根据能量反射效率和能量截断效率对一定范围内所有定日镜的能量接收效率进行计算，生成全年的能量接收效率分布图，对镜场排布形态加以拟合，其中

单个定日镜全年的能量接收效率适于通过其在每个时刻下的能量接收效率在全年的基础上通过积分运算得到，即通过以下公式表示：

式中：η_fin为定日镜的全年能量接收效率，η_ref为能量反射效率，η_t为能量截断效率，D为全年的日序列时刻；

通过对一定范围内的定日镜进行全年能量接收效率的计算，以对镜场排布形态进行确定；即

对应地理纬度从低到高的变化，将镜场的效率圈划分为：椭圆形、非中心对称圆形和扇形。

5.根据权利要求4所述的定日镜场排布计算系统，其特征在于，

地理纬度从低到高，即

在赤道附近，镜场分布拟合为椭圆形；

在中低纬度地区，镜场拟合为非中心对称圆形，以及

在中纬度地区，镜场拟合为扇形。

6.根据权利要求5所述的定日镜场排布计算系统，其特征在于，

所述排布坐标计算模块适于确定定日镜的环数；即

定日镜的环数适于通过以下公式表示：

式中：C为定日镜环数，H为塔高，y_Mmax和y_Mmin分别为定日镜分布区间最大值和最小值，l为定日镜宽度；以及

确定每一环定日镜的个数；即

定日镜每环的个数适于通过以下公式表示：

其中：n_i为第i环定日镜的个数，Δr为定日镜径向间距，θ_i为第i环相邻定日镜横向间距，l为定日镜宽度。