CN112152559B - 一种定日镜与光伏结合的镜场系统及其布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定日镜与光伏结合的镜场系统及其布置方法。所述系统包括：塔式光热电站的圆形定日镜场、光伏发电子系统；所述光伏发电子系统包括光伏组件、光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器；所述光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器均与所述光伏组件连接；所述独立微型逆变器用于将光伏组件产生的直流电逆变成交流电连接到供电控制器；所述光伏自动跟踪系统采用双轴自动跟踪系统，双轴跟踪系统能够控制光伏组件自动跟踪太阳的方位角和高度角的变化，实现对日实时跟踪；本发明可有效提升土地利用率，减少定日镜数量，提高镜场效率，降低厂用电供电成本，进而提高经济效益。

Description

一种定日镜与光伏结合的镜场系统及其布置方法

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，具体涉及一种定日镜与光伏结合的镜场系统及其布置方法。

背景技术

定日镜场是塔式太阳能光热发电区别于其他光热技术路线的重要子系统。在塔式光热电站运行时，定日镜场将太阳光辐射能量反射聚集到吸热塔顶部的吸热器上，加热流经吸热器内的工作介质，将太阳能转化为热能，达到收集以及后续利用太阳能的目的。对于大规模的塔式光热电站，定日镜在电站中不仅数量巨大、占地最大，而且投资比重也很大。在集热过程中，成千上万个定日镜控制子系统控制定日镜进行工作，其用电量非常大。

因此，定日镜与光伏相结合的镜场布置对塔式光热电站的提高光学效率和降低供电成本有着重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明公开了一种定日镜与光伏结合的镜场系统及其布置方法。本发明的技术方案为：

一种定日镜与光伏结合的镜场系统，包括：塔式光热电站的圆形定日镜场、光伏发电子系统；

所述圆形定日镜场，采用若干个定日镜将太阳光聚焦并反射到吸热塔的吸热器上，产生高温用以加热吸热器中的传热介质，完成聚光集热作用；

所述定日镜包括：反射镜、支撑结构、定日镜控制系统；所述支撑结构用于支撑反射镜，并带动其运动；所述定日镜控制系统，用于控制反射镜的姿态；

所述光伏发电子系统包括光伏组件、光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器；所述光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器均与所述光伏组件连接；所述独立微型逆变器用于将光伏组件产生的直流电逆变成交流电连接到供电控制器；

所述光伏自动跟踪系统采用双轴自动跟踪系统，双轴跟踪系统能够控制光伏组件自动跟踪太阳的方位角和高度角的变化，实现对日实时跟踪；

所述光伏自动跟踪系统包括电控系统和机械结构；所述机械结构用于支撑光伏组件，并带动光伏组件运动；所述电控系统用于通过所述机械结构去控制光伏组件自动跟踪太阳的方位角和高度角的变化，实现对日实时跟踪，以保证光伏组件接收到的太阳辐射量最大，使光伏组件发电量最大；

所述光伏发电子系统用于代替遮挡严重的定日镜，并为一定数量的定日镜控制系统供电；所述“一定数量”的数值等于光伏发电子系统的光伏发电功率与定日镜控制系统的额定功率之比。

可选地，所述圆形定日镜场的定日镜之间采用固定的周向间距和径向间距进行布置。

可选地，所述“遮挡严重的定日镜”是指遮挡因子大于设定的遮挡阈值的定日镜，其中：

定日镜的遮挡因子计算如下：

其中A′为吸热塔中心坐标点和前一镜环上定日镜坐标点所在的射线与后一镜环上定日镜所在的圆周线的交点，B为后一镜环上定日镜坐标点，|A′B|为A′点和B点之间的距离，D_x为周向间距；

可选地，所述光伏发电子系统的光伏组件用于代替遮挡严重的定日镜的反射镜；

所述光伏组件的尺寸不大于被其代替的反射镜的尺寸；所述光伏组件的机械结构的高度不高于被其代替的反射镜的支撑结构的高度。

可选地，所述电控系统采用高度角-方位角的双轴跟踪方式；

在光伏组件对周围定日镜无遮挡情况下，电控系统控制光伏组件姿态，进行对日跟踪，以保证光伏组件受光面始终垂直于太阳光的入射角，使光伏组件发电量最大；

在光伏组件对周围定日镜有遮挡情况下，电控系统控制光伏组件姿态，进行逆跟踪，以保证光伏组件对周围定日镜无遮挡的同时使入射角最小、发电量最大。

可选地，供电控制器根据光伏发电功率大小和定日镜控制系统的额定功率来控制供电的定日镜数量；

计算如下：

其中N为供电控制器根据光伏发电功率大小和定日镜控制系统的额定功率来控制供电的定日镜数量，

为向下取整运算符，Ep为光伏发电功率，Pe为定日镜控制系统的额定功率，HA为倾斜面太阳能总辐射量，S为光伏组件面积，K₁为组件转换效率，K₂为系统综合效率。

一种定日镜与光伏结合的镜场系统布置方法，应用于前面任意一项所述的系统，包括以下步骤：

步骤S1，布置塔式光热电站的圆形定日镜场，要求定日镜之间采用固定的周向间距和径向间距；

步骤S2，计算所述塔式光热电站的圆形定日镜场中前一镜环对后一镜环定日镜的遮挡因子：

式中：ε_n，n+1为第n个镜环对n+1个镜环上定日镜的遮挡因子，n＝1，2，...N-l，N为紧密型圆形镜场的镜环数；A′_i，n为吸热塔中心坐标点和第n个镜环上定日镜坐标点所在的射线与第n+1个镜环上定日镜所在的圆周线的交点，即(x_i，n，y_i，n)，其中i＝1，2，...K_n，K_n为第n个镜环上定日镜数量；B_j，n+1为第n+1个镜环上定日镜坐标点，即(x_j，n+1，y_j，n+1)，其中j＝1，2，...K_n+1，K_n+1为第n+1个镜环上定日镜数量；

x_i，n指的是A′_i，n的横坐标，y_i，n指的是A′_i，n的纵坐标；x_j，n+1指的是B_j，n+1的横坐标，y_j，n+1指的是B_j，n+1的纵坐标；D_x为周向间距；

步骤S3，设定的遮挡阈值，记为ε₀；寻找ε_n，n+1中小于ε₀的值所在的位置，此位置为第n+1个镜环上定日镜被光伏板代替的位置；同时更新第n+1个镜环上定日镜的坐标点和数量；

步骤S4，将步骤S3更新后的第n+1个镜环上定日镜的坐标点和数量，返回到步骤S2中，计算第n+1个镜环对n+2个镜环上定日镜的遮挡因子；

步骤S5，重复步骤S2-S4，直到计算完成整个镜场中光伏组件代替定日镜的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用紧密型镜场布置可有效提升土地利用率，把遮挡严重的定日镜替换成光伏发电子系统，并用以给周围定日镜控制子系统供电，能够减少定日镜数量，提高镜场效率，有效提高光资源的利用率，降低厂用电供电成本，进而提高经济效益。

附图说明

图1是本发明具体实施例一种定日镜与光伏结合的镜场系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施例一种紧密型圆形定日镜场布置示意图；

图3是本发明具体实施例定日镜场第1个镜环和第2个镜环示意图；

图4是本发明具体实施例一种定日镜与光伏结合的镜场系统的布置示意图；

图中：1、吸热塔；2、定日镜；3、光伏组件；4、吸热塔中心。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4，本实施例公开了一种定日镜与光伏结合的镜场系统，包括：塔式光热电站的圆形定日镜场、光伏发电子系统；

所述圆形定日镜场，为紧密型圆形镜场布置，其采用若干个定日镜将太阳光聚焦并反射到吸热塔1的吸热器上，产生高温用以加热吸热器中的传热介质，完成聚光集热作用；

所述定日镜2包括：反射镜、支撑结构、定日镜控制系统；所述支撑结构用于支撑反射镜，并带动其运动；所述定日镜控制系统，用于控制反射镜的姿态；

所述光伏发电子系统包括光伏组件3、光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器；所述光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器均与所述光伏组件连接；所述独立微型逆变器用于将光伏组件产生的直流电逆变成交流电连接到供电控制器；所述光伏组件由若干个太阳电池串联组成。

所述光伏自动跟踪系统采用双轴自动跟踪系统，双轴跟踪系统能够控制光伏组件自动跟踪太阳的方位角和高度角的变化，实现对日实时跟踪；

所述光伏自动跟踪系统包括电控系统和机械结构；所述机械结构用于支撑光伏组件，并带动光伏组件运动；所述电控系统用于通过所述机械结构去控制光伏组件自动跟踪太阳的方位角和高度角的变化，实现对日实时跟踪，以保证光伏组件接收到的太阳辐射量最大，使光伏组件发电量最大；

本实施例中，所述机械结构包括立柱模块、横轴模块和支架模块。其中立柱模块可使光伏组件绕立柱的轴线旋转，实现方位角方向的对日跟踪。横轴模块是光伏组件在高度角方向上的旋转轴。支撑模块用于将光伏组件和横轴模块进行连接的构件。

所述光伏发电子系统用于代替遮挡严重的定日镜，并为一定数量的定日镜控制系统供电；所述“一定数量”的数值等于光伏发电子系统的光伏发电功率与定日镜控制系统的额定功率之比。其中，光伏发电功率的大小是受太阳总辐射(GHI)影响的。

“一定数量”的定日镜控制系统对应的定日镜的分布情况的确定，要看几个要素：“一定数量”的数值，以及光伏发电子系统所在镜环及其邻近镜环上定日镜的分布数量。通过这些要素，就可以确定“一定数量”的定日镜控制系统对应的定日镜在光伏发电子系统周围的分布情况。

所述圆形定日镜场中，定日镜按照以吸热塔中心4为圆心的同心圆环分布。定日镜被安装在距离吸热塔不同距离的圆环上，称为镜环。同一镜环上相邻两个定日镜之间的距离，称为周向间距。相邻镜环之间的距离，称为径向间距。

本实施例中，所述圆形定日镜场的定日镜之间采用固定的周向间距和径向间距进行布置。这种布置方式可有效提升土地利用率，但如不引入光伏发电子系统，定日镜场中则会存在后一镜环中的某些定日镜的大部分面积被前一镜环中的定日镜遮挡的情况。

其中，所述“遮挡严重的定日镜”是指遮挡因子大于设定的遮挡阈值的定日镜，其中：

定日镜的遮挡因子计算如下：

其中A′为吸热塔中心坐标点和前一镜环上定日镜坐标点所在的射线与后一镜环上定日镜所在的圆周线的交点，B为后一镜环上定日镜坐标点，|A′B|为A′点和B点之间的距离，D_x为周向间距；

其中，所述光伏发电子系统的光伏组件用于代替遮挡严重的定日镜的反射镜；

所述光伏组件的尺寸不大于被其代替的反射镜的尺寸；所述光伏组件的机械结构的高度不高于被其代替的反射镜的支撑结构的高度。保证光伏组件与周围的定日镜不发生机械碰撞。

其中，所述电控系统采用高度角-方位角的双轴跟踪方式；其中，所述电控系统采用高度角-方位角的双轴跟踪方式，电控系统可根据太阳实时的高度角和方位角以及光伏组件位置实时控制光伏组件姿态，进行跟踪，以保证光伏组件接收到的太阳辐射量最大，使光伏组件发电量最大。

在光伏组件对周围定日镜无遮挡情况下，电控系统控制光伏组件姿态，进行对日跟踪，以保证光伏组件受光面始终垂直于太阳光的入射角，使光伏组件发电量最大；

在光伏组件对周围定日镜有遮挡情况下，电控系统控制光伏组件姿态，进行逆跟踪，以保证光伏组件对周围定日镜无遮挡的同时使入射角最小、发电量最大。

上述的“周围定日镜”是指光伏组件前后左右范围内的定日镜；本实施例中，上述“周围定日镜”指的是光伏组件所在的镜环、及其前一个镜环和后一个镜环上的定日镜。

在同一时刻下，光伏组件与太阳入射光线垂直，而定日镜是将太阳光线反射到吸热器上，所以两者姿态不一样，则光伏组件可能会对太阳入射光线方向上其后方的定日镜产生部分遮挡。

优先保障定日镜的效率，所以当光伏组件遮挡定日镜时，光伏自动跟踪系统则进行逆追踪，其逆跟踪，指光伏发电子系统的方位旋转轴和俯仰旋转轴能够反向旋转，使光伏组件刚好没遮到后方定日镜，使入射角最大、发电量最大。

其中，供电控制器根据光伏发电子系统的光伏发电功率大小和定日镜控制系统的额定功率来控制供电的定日镜数量。

计算如下：

其中N为供电控制器根据光伏发电功率大小和定日镜控制系统的额定功率来控制供电的定日镜数量，

为向下取整运算符，Ep为光伏发电功率，Pe为定日镜控制系统的额定功率，HA为倾斜面太阳能总辐射量，S为光伏组件面积，K₁为组件转换效率，K₂为系统综合效率。

本实施例同时公开了一种定日镜与光伏结合的镜场系统布置方法，应用于前述的定日镜与光伏结合的镜场系统，包括以下步骤：

步骤S1，布置塔式光热电站的圆形定日镜场，要求定日镜之间采用固定的周向间距和径向间距；

步骤S2，计算所述塔式光热电站的圆形定日镜场中前一镜环对后一镜环定日镜的遮挡因子：

式中：ε_n，n+1为第n个镜环对n+1个镜环上定日镜的遮挡因子，n＝1，2，...N-1，N为紧密型圆形镜场的镜环数；A′_i，n为吸热塔中心坐标点和第n个镜环上定日镜坐标点所在的射线与第n+1个镜环上定日镜所在的圆周线的交点，即(x_i，n，y_i，n)，其中i＝1，2，...K_n，K_n为第n个镜环上定日镜数量；B_j，n+1为第n+1个镜环上定日镜坐标点，即(x_j，n+1，y_j，n+1)，其中j＝1，2，...K_n+1，K_n+1为第n+1个镜环上定日镜数量；

x_i，n指的是A′_i，n的横坐标，y_i，n指的是A′_i，n的纵坐标；x_j，n+1指的是B_j，n+1的横坐标，y_j，n+1指的是B_j，n+1的纵坐标；D_x为周向间距；

步骤S3，设定的遮挡阈值，记为ε₀；寻找ε_n，n+1中小于ε₀的值所在的位置，此位置为第n+1个镜环上定日镜被光伏板代替的位置；同时更新第n+1个镜环上定日镜的坐标点和数量；

步骤S4，将步骤S3更新后的第n+1个镜环上定日镜的坐标点和数量，返回到步骤S2中，计算第n+1个镜环对n+2个镜环上定日镜的遮挡因子；

步骤S5，重复步骤S2-S4，直到计算完成整个镜场中光伏组件代替定日镜的位置。

参考图3，为图2中第1个镜环和第2个镜环上定日镜坐标位置图，其中空心圆圈代表定日镜坐标，实心圆圈代表第2个镜环被第一个镜环严重遮挡的定日镜位置，即代替定日镜的光伏板的坐标位置。

参考图4，为图2经步骤S1-S5计算完成后的定日镜与光伏结合的镜场系统布置图。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种定日镜与光伏结合的镜场系统，其特征在于，包括：塔式光热电站的圆形定日镜场、光伏发电子系统；

所述圆形定日镜场，采用若干个定日镜将太阳光聚焦并反射到吸热塔的吸热器上，产生高温用以加热吸热器中的传热介质，完成聚光集热作用；

所述定日镜包括：反射镜、支撑结构、定日镜控制系统；所述支撑结构用于支撑反射镜，并带动其运动；所述定日镜控制系统，用于控制反射镜的姿态；

所述光伏发电子系统包括光伏组件、光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器；所述光伏自动跟踪系统、将直流电逆变成交流电的独立微型逆变器和供电控制器均与所述光伏组件连接；所述独立微型逆变器用于将光伏组件产生的直流电逆变成交流电连接到供电控制器；

所述光伏自动跟踪系统采用双轴自动跟踪系统，双轴跟踪系统能够控制光伏组件自动跟踪太阳的方位角和高度角的变化，实现对日实时跟踪；

所述光伏自动跟踪系统包括电控系统和机械结构；所述机械结构用于支撑光伏组件，并带动光伏组件运动；所述电控系统用于通过所述机械结构去控制光伏组件自动跟踪太阳的方位角和高度角的变化，实现对日实时跟踪，以保证光伏组件接收到的太阳辐射量最大，使光伏组件发电量最大；

所述光伏发电子系统用于代替遮挡严重的定日镜，并为一定数量的定日镜控制系统供电；所述一定数量的数值等于光伏发电子系统的光伏发电功率与定日镜控制系统的额定功率之比；

所述圆形定日镜场的定日镜之间采用固定的周向间距和径向间距进行布置；

所述遮挡严重的定日镜是指遮挡因子大于设定的遮挡阈值的定日镜，其中：

定日镜的遮挡因子计算如下：

其中A′为吸热塔中心坐标点和前一镜环上定日镜坐标点所在的射线与后一镜环上定日镜所在的圆周线的交点，B为后一镜环上定日镜坐标点，|A′B|为A′点和B点之间的距离，D_x为周向间距。

2.如权利要求1所述的镜场系统，其特征在于，所述光伏发电子系统的光伏组件用于代替遮挡严重的定日镜的反射镜；

所述光伏组件的尺寸不大于被其代替的反射镜的尺寸；所述光伏组件的机械结构的高度不高于被其代替的反射镜的支撑结构的高度。

3.如权利要求1所述的镜场系统，其特征在于，所述电控系统采用高度角-方位角的双轴跟踪方式；

在光伏组件对周围定日镜无遮挡情况下，电控系统控制光伏组件姿态，进行对日跟踪，以保证光伏组件受光面始终垂直于太阳光的入射角，使光伏组件发电量最大；

在光伏组件对周围定日镜有遮挡情况下，电控系统控制光伏组件姿态，进行逆跟踪，以保证光伏组件对周围定日镜无遮挡的同时使入射角最小、发电量最大。

4.如权利要求1所述的镜场系统，其特征在于，供电控制器根据光伏发电功率大小和定日镜控制系统的额定功率来控制供电的定日镜数量；

计算如下：

其中N为供电控制器根据光伏发电功率大小和定日镜控制系统的额定功率来控制供电的定日镜数量，

为向下取整运算符，Ep为光伏发电功率，Pe为定日镜控制系统的额定功率，HA为倾斜面太阳能总辐射量，S为光伏组件面积，K₁为组件转换效率，K₂为系统综合效率。

5.一种定日镜与光伏结合的镜场系统布置方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4任意一项所述的系统，包括以下步骤：

步骤S1，布置塔式光热电站的圆形定日镜场，要求定日镜之间采用固定的周向间距和径向间距；

步骤S2，计算所述塔式光热电站的圆形定日镜场中前一镜环对后一镜环定日镜的遮挡因子：

式中：ε_n,n+1为第n个镜环对n+1个镜环上定日镜的遮挡因子，n＝1,2,...N-1，N为紧密型圆形镜场的镜环数；A′_i,n为吸热塔中心坐标点和第n个镜环上定日镜坐标点所在的射线与第n+1个镜环上定日镜所在的圆周线的交点，即(x_i,n,y_i,n)，其中i＝1,2,...K_n，K_n为第n个镜环上定日镜数量；B_j,n+1为第n+1个镜环上定日镜坐标点，即(x_j,n+1,y_j,n+1)，其中j＝1,2,...K_n+1，K_n+1为第n+1个镜环上定日镜数量；

x_i,n指的是A′_i,n的横坐标，y_i,n指的是A′_i,n的纵坐标；x_j,n+1指的是B_j,n+1的横坐标，y_j,n+1指的是B_j,n+1的纵坐标；D_x为周向间距；

步骤S3，设定的遮挡阈值，记为ε₀；寻找ε_n,n+1中小于ε₀的值所在的位置，此位置为第n+1个镜环上定日镜被光伏板代替的位置；同时更新第n+1个镜环上定日镜的坐标点和数量；

步骤S4，将步骤S3更新后的第n+1个镜环上定日镜的坐标点和数量，返回到步骤S2中，计算第n+1个镜环对n+2个镜环上定日镜的遮挡因子；

步骤S5，重复步骤S2-S4，直到计算完成整个镜场中光伏组件代替定日镜的位置。

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