塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場調(diào)度方法的設(shè)計研究

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1、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場調(diào)度方法的研究辛秋霞，卞新高，楊縫縫(河海大學機電工程學院，常州213022)摘要：提出一種塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中定日鏡調(diào)度的方法。根據(jù)太陽、定日鏡和接收面的光學成像關(guān)系，考慮太陽位置、鏡面反射率和能見度等因素給出了鏡場光能轉(zhuǎn)換效率計算方法，同時結(jié)合定日鏡場狀態(tài)及熱力系統(tǒng)所需光功率建立了鏡場調(diào)度模型。本文將定日鏡的調(diào)度轉(zhuǎn)化為一個0-1背包問題，設(shè)計了一種混合遺傳算法來對其求解。采用該調(diào)度方法可得到各時刻轉(zhuǎn)換效率最高時所需調(diào)用的定日鏡數(shù)量及其分布，并可調(diào)整定日鏡瞄準接收靶上分布的目標點，使吸熱器上能流分布均勻，降低峰值能流密度，避免過熱故障。仿真算例的結(jié)果表明了該方法的有

2、效性。關(guān)鍵詞：太陽能；鏡場調(diào)度；混合遺傳算法；能流密度分布中圖分類號：TK519文獻標識碼：A0引言收稿日期：2008-x-x基金項目：國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2006AA050104）通訊作者：辛秋霞(1983－)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，機械電子專業(yè)。E-mail：xqx830921@163.com塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，它利用跟蹤太陽的定日鏡陣列，將太陽輻射反射到塔頂?shù)奈鼰崞魃?，產(chǎn)生高溫加熱工質(zhì)（過熱蒸汽或高溫氣體），驅(qū)動汽輪機組或燃氣輪機組發(fā)電。定日鏡是其關(guān)鍵部件之一。由于時間、天氣等因素，地表接收的太陽能隨時間有大幅度變化，系統(tǒng)各時刻發(fā)電量和儲熱裝置

3、所需熱量不同，其所需光功率也因時而異，因而合理選用定日鏡對于最大限度的利用太陽能量，提高系統(tǒng)效率十分重要。近年來，許多學者對塔式太陽能熱發(fā)電的控制系統(tǒng)進行了理論和實踐性的研究。文獻[1]、[2]中介紹了在Eurelios（歐共體太陽能電站）、SolarTwo和西班牙PSA－CESA-1中用到的幾種定日鏡場控制方法，如PID控制，自適應(yīng)動態(tài)補償控制及動、靜態(tài)目標控制等，這些閉環(huán)控制系統(tǒng)以控制吸熱器溫度為目的來調(diào)整定日鏡狀態(tài)。本文以獲得系統(tǒng)最佳效率為目的，通過考慮太陽輻射及定日鏡場效率[3][4]等因素，建立了鏡場調(diào)度的數(shù)學模型。基于調(diào)度問題的實時性要求，設(shè)計了一種混合遺傳算法，計算出各時刻系統(tǒng)效

4、率最佳時，需投入運行的定日鏡數(shù)量和分布，并以空腔式吸熱器為對象，根據(jù)接收面能流分布，適當調(diào)整相應(yīng)定日鏡目標點位置，使接收面能量分布均勻化以降低峰值能流密度，避免吸熱器接收窗局部過熱，從而實現(xiàn)鏡場優(yōu)化調(diào)度。1數(shù)學模型的建立1.1基本假設(shè)條件1）定日鏡為一整塊弧面鏡，各定日鏡分別將太陽成像于吸熱器接收面上；2）不考慮定日鏡跟蹤誤差和定日鏡場陰影效應(yīng)的影響。1.2鏡場分布物理模型本文以系統(tǒng)建在北半球為例，在鏡場中建立三維坐標系，X軸指向正北方向，Y軸指向正西方向，Z軸垂直指向天空（如圖1中所示）。1.3鏡場能量轉(zhuǎn)換的數(shù)學模型影響鏡場中每一面定日鏡轉(zhuǎn)換效率的主要因素為鏡面余弦效率ηc、反射率ηm及大氣

5、透射率τ等。鏡場效率即為鏡場中所有定日鏡的綜合效率。[4]1）余弦效率ηc如圖1，An(xn，yn，0)為鏡場中任一面定日鏡n的鏡面中心點，OO’為接收塔，O為吸熱器入口面中心。BnAn、AnO分別為點An處的太陽光入射方向線和投向吸熱器的反射光線，AnCn為過An點的定日鏡法線。圖1定日鏡反射示意圖Fig.1Theschemaofreflectiononheliostat設(shè)接收塔高度為Ht，定日鏡高度為Hj，令△H=Ht－Hj，則由圖中幾何關(guān)系，推導可得：（1）由式（1）可得定日鏡n上的余弦效率為：（2）2）反射率ηm定日鏡反射率由其材料及制造加工工藝、表面清潔程度等因素決定，在短時段內(nèi)一般

6、為常數(shù)。3）大氣透射率τ太陽輻射在大氣中傳輸時，由于空氣分子、水蒸氣、灰塵等微粒對太陽光的散射和吸收等原因產(chǎn)生衰減，衰減前后輻射量的比值即大氣透射率。根據(jù)文獻[5]中介紹的公式，鏡場中任一面定日鏡對應(yīng)的大氣透射率可表示為：（3）假定某時刻太陽直射輻照度為I(W/m2)，定日鏡面積為Sn(m2)，則該時刻經(jīng)定日鏡反射到吸熱器上的能量（即光功率）為：（4）整個鏡場轉(zhuǎn)換能量即為所有可用定日鏡投射能量的總和。1.4鏡場優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學模型1）吸熱器上的光斑投影關(guān)系由于實際入射的太陽光具有張角[7]，反射后在吸熱器上會形成太陽的像，即光斑。反射光線在吸熱器上的投影角度關(guān)系如圖2a所示。a.投影角度關(guān)系b.

7、光斑面積投影關(guān)系圖2吸熱器上反射光線投影示意圖Fig.2Theschemaofreflectedlightprojectiononreceiver圖中，γ為吸熱器傾角，接收面中心點O點的法線與x軸相交于P點。β為定日鏡n上的反射光線AnO與接收面中心法線之間的夾角。AnQn⊥x軸，AnA’n⊥面I，QnMn⊥面I，ω為吸熱器上投影光斑的坐標旋轉(zhuǎn)角（順時針方向）。由圖2中的幾何投影關(guān)系，可得：（5）