CN107388599A - 一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法 - Google Patents

一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏发电技术领域，特别是一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法。包括如下步骤：A镜场坐标系确定、B遮挡阴影坐标系确定、C遮挡阴影分析计算、D偏移影响分析计算、E阴影与遮挡效率。该方法更加贴近实际使用环境，可以准确计算线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡效率，为分析线性菲涅尔式聚光系统的效率提供了可靠依据。进而修正线性菲涅尔式聚光镜场反射镜的分布方向和角度，进一步提升镜场转换效率。

Description

一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，特别是一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法。
背景技术
太阳能作为一种理想的可再生能源已备受关注，但是能流密度低，提高利用效率的最佳技术路线是先聚光再利用。根据聚光形式，太阳能聚光系统主要有槽式、线性菲涅尔式、塔式和碟式等。线性菲涅尔式聚光系统主要由光学聚光器、接收器、太阳跟踪控制装置三部分构成，具有结构简单、风阻小、成本低、土地利用率高等优点，正逐渐在大规模电站中得到应用。
目前，针对已公开的专利(名称：线性菲涅尔式聚光系统镜场的优化布置方法、专利号：201410439026.6、授权公告号：CN104236122B)。本发明针对实际需要，发明了一种线性菲涅尔式聚光系统镜场的优化布置方法。由于南北方向的镜场总体光学效率优于东西方向，因此本发明以南北方向的镜场为研究对象，提供了一种以CPC最大接受半角控制镜场高宽比进而进行镜场无阴影布置的方法。本发明的方法可以针对实际情况快速准确地计算出确定CPC、反射镜宽度和列数的线性菲涅尔式聚光集热系统在特定时间(系统无阴影工作时间)内无阴影影响的反射镜布置间距。
针对南北布置的采用单管接收器的线性菲涅尔式聚光系统，推导了镜场无阴影布置的数学表达式，并给出了数值计算方法。在实际工程应用中，为了便于加工安装并采用简单的驱动系统，反射镜一般采用等间距布置，这必将带来相邻反射镜之间的阴影与遮挡影响。而对于线性菲涅尔式聚光系统，相邻反射镜之间的阴影与遮挡效率直接影响着整个系统的光学效率，而系统光学效率的分析计算是设计电站聚光系统的依据。因此，准确分析相邻反射镜之间的阴影与遮挡至关重要。现有设备和技术中多根据镜场无阴影进行设定进而布设镜场，但实际场地中无阴影几乎不可能实现，使用现有设备和技术进行测试和布设镜场时均未考虑或很少考虑阴影遮挡问题，进而造成数据不准确影响使用效率。
发明内容
本发明解决其现有技术的不足提供一种分析数据精准、分析维度多样、布设更加合理的线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法，包括如下步骤：
A、镜场坐标系确定
反射镜列数为N的镜场，从左侧至右侧依次编号为1、2、...、N，第n列反射镜中心与镜场中心的距离为Qn，第n列反射镜与水平面的倾斜夹角为βn；反射镜宽度为D；接收器放置在距反射镜所在平面的高H处；
某时刻太阳光入射角为α，则该时刻的跟踪倾角βn可以由下式求得：
第n列反射镜的坐标方程为
y＝kn·x+bn式中，kn＝tanβn，bn＝-kn·Qn；
第n列反射镜的左、右端点坐标分别为(An，Bn)和(An′，Bn′)，则
B、遮挡阴影坐标系确定
遮挡阴影是指太阳入射光被相邻的反射镜所阻挡，遮挡阴影分析针对太阳入射光；
令经过第n列反射镜左端点的太阳入射光线坐标方程为：
y＝ki·x+bin式中，ki＝tanα，bin＝An-kin·Bn；
相邻的反射镜中过东侧左端点的太阳入射光线坐标为
若该点不在第n列反射镜上，则无阴影影响；若该点在第n列反射镜上，则形成了阴影影响，阴影长度Lshn为该点与第n列反射镜右端点之间的距离，即
C、遮挡阴影分析计算
C1、接收器西侧镜场
令经过第n列反射镜左端点的太阳反射光线方程为
y＝krn·x+brn式中，brn＝An-krn·Bn；
相邻的反射镜中过西侧镜场的太阳入射光线坐标为
若N为偶数，则若N为奇数，则
若该点不在第n列反射镜上，则无遮挡影响，遮挡长度Lbln为0；若该点在第n列反射镜上，则形成了遮挡影响，遮挡长度Lbln为该点与第n列反射镜右端点之间的距离，即
若N为偶数，则若N为奇数，则
C2、接收器东侧镜场
令经过第n列反射镜右端点的太阳反射光线方程为
y＝krn·x+brn式中，brn＝y2n-krn·x2n；
相邻的反射镜中过东侧镜场的太阳入射光线坐标为
若N为偶数，则若N为奇数，则
若该点不在第n列反射镜上，则无遮挡影响，遮挡长度Lbln为0；若该点在第n列反射镜上，则形成了遮挡影响，遮挡长度Lbln为该点与第n列反射镜左端点之间的距离，即
若N为偶数，则若N为奇数，则
若N为偶数，则和都为0，若N为奇数，则为0。
还包括步骤：
D、偏移影响分析计算
阴影随时间变化产生偏移，阴影偏移中会出现空白阴影区域DEFG，其中
其中，γs为太阳方位角，求得时刻点阴影区域的中位线长度
同理求得空白阴影区域DEFG的中位线长度Lbln′；
E、阴影与遮挡效率
多个时刻点阴影与遮挡区域的中位线长度之和为Lsb，多个时刻点未形成阴影与遮挡区域的中位线长度之和为Lsb′，得出测试时段内阴影与遮挡效率为
式中Lloop为镜场长度。
本发明的有益效果为：
本发明根据线性菲涅尔式聚光镜场反射镜单轴跟踪的特点，建立平面直角坐标系，推导出任意时刻每列反射镜的坐标方程，利用射线追踪法追踪某时刻入射至每列反射镜边缘和从边缘反射至接收器的太阳光线，得到阴影与遮挡的长度，利用几何光学可求得由于偏移未形成阴影与遮挡区域的计算公式，进而求出线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡效率。该方法更加贴近实际使用环境，可以准确计算线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡效率，为分析线性菲涅尔式聚光系统的效率提供了可靠依据。进而修正线性菲涅尔式聚光镜场反射镜的分布方向和角度，进一步提升镜场转换效率。
附图说明
图1为线性菲涅尔式聚光镜场示意图；
图2为线性菲涅尔式聚光镜场阴影示意图；
图3为实施例中反射镜阴影情况示意图；
图4为实施例中反射镜遮挡阴影情况示意图；
图5为日光阴影与遮挡效率变化示意图。
具体实施方式
一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法，包括如下步骤：
A、镜场坐标系确定
反射镜列数为N的镜场，从左侧至右侧依次编号为1、2、...、N，第n列反射镜中心与镜场中心的距离为Qn，第n列反射镜与水平面的倾斜夹角为βn；反射镜宽度为D；接收器放置在距反射镜所在平面的高H处；
某时刻太阳光入射角为α，则该时刻的跟踪倾角βn可以由下式求得：
第n列反射镜的坐标方程为
y＝kn·x+bn式中，kn＝tanβn，bn＝-kn·Qn；
第n列反射镜的左、右端点坐标分别为(An，Bn)和(An′，Bn′)，则
B、遮挡阴影坐标系确定
遮挡阴影是指太阳入射光被相邻的反射镜所阻挡，遮挡阴影分析针对太阳入射光；
令经过第n列反射镜左端点的太阳入射光线坐标方程为：
y＝ki·x+bin式中，ki＝tanα，bin＝An-kin·Bn；
相邻的反射镜中过东侧左端点的太阳入射光线坐标为
若该点不在第n列反射镜上，则无阴影影响；若该点在第n列反射镜上，则形成了阴影影响，阴影长度Lshn为该点与第n列反射镜右端点之间的距离，即
C、遮挡阴影分析计算
C1、接收器西侧镜场
令经过第n列反射镜左端点的太阳反射光线方程为
y＝krn·x+brn式中，brn＝An-krn·Bn；
相邻的反射镜中过西侧镜场的太阳入射光线坐标为
若N为偶数，则若N为奇数，则
若该点不在第n列反射镜上，则无遮挡影响，遮挡长度Lbln为0；若该点在第n列反射镜上，则形成了遮挡影响，遮挡长度Lbln为该点与第n列反射镜右端点之间的距离，即
若N为偶数，则若N为奇数，则
C2、接收器东侧镜场
令经过第n列反射镜右端点的太阳反射光线方程为
y＝krn·x+brn式中，brn＝y2n-krn·x2n；
相邻的反射镜中过东侧镜场的太阳入射光线坐标为
若N为偶数，则若N为奇数，则
若该点不在第n列反射镜上，则无遮挡影响，遮挡长度Lbln为0；若该点在第n列反射镜上，则形成了遮挡影响，遮挡长度Lbln为该点与第n列反射镜左端点之间的距离，即
若N为偶数，则若N为奇数，则
若N为偶数，则和都为0，若N为奇数，则为0。
还包括步骤：
D、偏移影响分析计算
阴影随时间变化产生偏移，阴影偏移中会出现空白阴影区域DEFG，其中
其中，γs为太阳方位角，求得时刻点阴影区域的中位线长度
同理求得空白阴影区域DEFG的中位线长度Lbln′；
E、阴影与遮挡效率
多个时刻点阴影与遮挡区域的中位线长度之和为Lsb，多个时刻点未形成阴影与遮挡区域的中位线长度之和为Lsb′，得出测试时段内阴影与遮挡效率为
式中Lloop为镜场长度。
实施例参照Puerto Errado 1电站，相关参数分别为：反射镜场东西方向布置，长800m，反射镜与集热管圆心距离为7.4m，反射镜宽度为0.8m，反射镜列数为21列，以0.16m等间距布置。反射镜自南向北依次编号为1-21，利用Matlab软件编程可计算春分日6:30时刻镜场的阴影与遮挡情况，此时刻1-12号反射镜存在阴影情况，具体数据表1所示。
表1春分日6:30时刻镜场的阴影与遮挡情况Table 1
为了验证计算的正确性，利用一款由美国NREL(National Renewable EnergyLaboratory)开发，基于射线追踪法的，用于太阳能发电光学系统建模与性能分析的软件工具SolTrace对上述系统进行仿真计算，图3a、3b、3c和3d分别为反射镜2、5、8和11的阴影情况。图4a和4b分别为反射镜2和4的遮挡情况。
由图3和图4可以看出，反射镜2、5、8、11的阴影长度和反射镜2、4的遮挡长度与本文计算完全一致。
对该镜场进行阴影与遮挡效率全天动态分析，该系统分别在春分、夏至、冬至日的镜场阴影与遮挡效率随时间的变化如图5所示。
由图5可知，典型日阴影与遮挡效率随时间的变化与文献[14]的结果基本吻合，春分日全天变化较为平缓，夏至日在日出、日落时段较小，随着太阳高度角的增加逐渐平稳且与春分日接近，冬至日效率较小，随时间的变化也较大。
计算春分、夏至、冬至日由于偏移未形成阴影与遮挡区域的中位线长度的平均值分别为为14.81mm、10.70mm、29.85mm，分别占镜场全长的0.0019％、0.0013％、0.0037％。可见由于偏移未形成阴影与遮挡区域很小。实际中，线性菲涅式聚光镜场的长度都在百米以上，因此阴影与遮挡分析时由于偏移未形成阴影与遮挡区域影响可以忽略不计。
以Puerto Errado 1电站为算例，分析了春分、夏至、冬至日的镜场阴影与遮挡效率随时间的变化，结果给表明春分日全天变化较为平缓，夏至日在日出、日落时段较小，随着太阳高度角的增加逐渐平稳且与春分日接近，冬至日效率较小，随时间的变化也较大；阴影与遮挡分析时由于偏移未形成阴影与遮挡区域影响可以忽略不计。通过实施例的方法可以准确计算线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡效率，为分析线性菲涅尔式聚光系统的效率提供了可靠依据。

Claims (2)

1.一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法，其特征在于包括如下步骤：
A、镜场坐标系确定
反射镜列数为N的镜场，从左侧至右侧依次编号为1、2、...、N，第n列反射镜中心与镜场中心的距离为Qn，第n列反射镜与水平面的倾斜夹角为βn；反射镜宽度为D；接收器放置在距反射镜所在平面的高H处；
某时刻太阳光入射角为α，则该时刻的跟踪倾角βn可以由下式求得：
<mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>H</mi> <msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
第n列反射镜的坐标方程为
y＝kn·x+bn
式中，kn＝tanβn，bn＝-kn·Qn；
第n列反射镜的左、右端点坐标分别为(An，Bn)和(A′n，B′n)，则
Bn＝kn·An+bn，
B′n＝kn·A′n+bn；
B、遮挡阴影坐标系确定
遮挡阴影是指太阳入射光被相邻的反射镜所阻挡，遮挡阴影分析针对太阳入射光；
令经过第n列反射镜左端点的太阳入射光线坐标方程为：
y＝ki·x+bin
式中，ki＝tanα，bin＝An-kin·Bn；
相邻的反射镜中过东侧左端点的太阳入射光线坐标为
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>bi</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>bi</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
若该点不在第n列反射镜上，则无阴影影响；若该点在第n列反射镜上，则形成了阴影影响，阴影长度Lshn为该点与第n列反射镜右端点之间的距离，即
<mrow> <msub> <mi>Lsh</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>B</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
C、遮挡阴影分析计算
C1、接收器西侧镜场
令经过第n列反射镜左端点的太阳反射光线方程为
y＝krn·x+brn
式中，brn＝An-krn·Bn；
相邻的反射镜中过西侧镜场的太阳入射光线坐标为
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>br</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>kr</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>kr</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>br</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
若N为偶数，则若N为奇数，则
若该点不在第n列反射镜上，则无遮挡影响，遮挡长度Lbln为0；若该点在第n列反射镜上，则形成了遮挡影响，遮挡长度Lbln为该点与第n列反射镜右端点之间的距离，即
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若N为偶数，则若N为奇数，则
C2、接收器东侧镜场
令经过第n列反射镜右端点的太阳反射光线方程为
y＝krn·x+brn式中，brn＝y2n-krn·x2n；
相邻的反射镜中过东侧镜场的太阳入射光线坐标为
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>br</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>kr</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>kr</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>br</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
若N为偶数，则若N为奇数，则
若该点不在第n列反射镜上，则无遮挡影响，遮挡长度Lbln为0；若该点在第n列反射镜上，则形成了遮挡影响，遮挡长度Lbln为该点与第n列反射镜左端点之间的距离，即
<mrow> <msub> <mi>Lbl</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
若N为偶数，则若N为奇数，则
若N为偶数，则和都为0，若N为奇数，则为0。
2.根据权利要求1所述的一种线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡分析优化布设方法，其特征在于还包括步骤：
D、偏移影响分析计算
阴影随时间变化产生偏移，阴影偏移中会出现空白阴影区域DEFG，其中
<mrow> <mi>O</mi> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>B</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mfrac> </mrow> 2
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其中，γs为太阳方位角，求得时刻点阴影区域的中位线长度
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同理求得空白阴影区域DEFG的中位线长度Lbln′；
E、阴影与遮挡效率
多个时刻点阴影与遮挡区域的中位线长度之和为Lsb，多个时刻点未形成阴影与遮挡区域的中位线长度之和为Lsb′，得出测试时段内阴影与遮挡效率为
式中Lloop为镜场长度。
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