塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場(chǎng)調(diào)度方法的設(shè)計(jì)研究

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1、WORD格式可編輯塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場(chǎng)調(diào)度方法的研究辛秋霞，卞新高，楊縫縫(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州213022)摘要：提出一種塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中定日鏡調(diào)度的方法。根據(jù)太陽(yáng)、定日鏡和接收面的光學(xué)成像關(guān)系，考慮太陽(yáng)位置、鏡面反射率和能見(jiàn)度等因素給出了鏡場(chǎng)光能轉(zhuǎn)換效率計(jì)算方法，同時(shí)結(jié)合定日鏡場(chǎng)狀態(tài)及熱力系統(tǒng)所需光功率建立了鏡場(chǎng)調(diào)度模型。本文將定日鏡的調(diào)度轉(zhuǎn)化為一個(gè)0-1背包問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種混合遺傳算法來(lái)對(duì)其求解。采用該調(diào)度方法可得到各時(shí)刻轉(zhuǎn)換效率最高時(shí)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(zhǔn)接收靶上分布的目標(biāo)點(diǎn)，使吸熱器上能流分布均勻，降低

2、峰值能流密度，避免過(guò)熱故障。仿真算例的結(jié)果表明了該方法的有效性。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；鏡場(chǎng)調(diào)度；混合遺傳算法；能流密度分布中圖分類(lèi)號(hào)：TK519文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A專(zhuān)業(yè)知識(shí)整理分享WORD格式可編輯0引言收稿日期：2008-x-x基金項(xiàng)目：國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2006AA050104）通訊作者：辛秋霞(1983－)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)。E-mail：xqx830921@163.com塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱(chēng)集中型太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，它利用跟蹤太陽(yáng)的定日鏡陣列，將太陽(yáng)輻射反射到塔頂?shù)奈鼰崞魃?，產(chǎn)生高溫加熱工質(zhì)（過(guò)熱蒸汽或高溫氣體），驅(qū)動(dòng)汽

3、輪機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電。定日鏡是其關(guān)鍵部件之一。由于時(shí)間、天氣等因素，地表接收的太陽(yáng)能隨時(shí)間有大幅度變化，系統(tǒng)各時(shí)刻發(fā)電量和儲(chǔ)熱裝置所需熱量不同，其所需光功率也因時(shí)而異，因而合理選用定日鏡對(duì)于最大限度的利用太陽(yáng)能量，提高系統(tǒng)效率十分重要。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)踐性的研究。文獻(xiàn)[1]、[2]中介紹了在Eurelios（歐共體太陽(yáng)能電站）、SolarTwo和西班牙PSA－CESA-1中用到的幾種定日鏡場(chǎng)控制方法，如PID控制，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制及動(dòng)、靜態(tài)目標(biāo)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(lái)調(diào)整定日鏡狀態(tài)。本

4、文以獲得系統(tǒng)最佳效率為目的，通過(guò)考慮太陽(yáng)輻射及定日鏡場(chǎng)效率[3][4]等因素，建立了鏡場(chǎng)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型?；谡{(diào)度問(wèn)題的實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)了一種混合遺傳算法，計(jì)算出各時(shí)刻系統(tǒng)效率最佳時(shí)，需投入運(yùn)行的定日鏡數(shù)量和分布，并以空腔式吸熱器為對(duì)象，根據(jù)接收面能流分布，適當(dāng)調(diào)整相應(yīng)定日鏡目標(biāo)點(diǎn)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(guò)熱，從而實(shí)現(xiàn)鏡場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度。1數(shù)學(xué)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(yáng)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(chǎng)陰影效應(yīng)的影響。1.2鏡場(chǎng)分布物理模型本文以系統(tǒng)建

5、在北半球?yàn)槔?，在鏡場(chǎng)中建立三維坐標(biāo)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(chǎng)能量轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型影響鏡場(chǎng)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及大氣透射率τ等。鏡場(chǎng)效率即為鏡場(chǎng)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(chǎng)中任一面定日鏡n專(zhuān)業(yè)知識(shí)整理分享WORD格式可編輯的鏡面中心點(diǎn)，OO’為接收塔，O為吸熱器入口面中心。BnAn、AnO分別為點(diǎn)An處的太陽(yáng)光入射方向線和投向吸熱器的反射光線，AnCn為過(guò)An點(diǎn)的定日鏡法線。圖1定日鏡反射示意圖Fig.1T

6、heschemaofreflectiononheliostat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(dǎo)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(shí)段內(nèi)一般為常數(shù)。3）大氣透射率τ太陽(yáng)輻射在大氣中傳輸時(shí)，由于空氣分子、水蒸氣、灰塵等微粒對(duì)太陽(yáng)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(xiàn)[5]中介紹的公式，鏡場(chǎng)中任一面定日鏡對(duì)應(yīng)的大氣透射率可表示為：（3）假定某時(shí)刻太陽(yáng)直射輻照度為I(W/m2)，定日

7、鏡面積為Sn(m2)，則該時(shí)刻經(jīng)定日鏡反射到吸熱器上的能量（即光功率）為：（4）整個(gè)鏡場(chǎng)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(chǎng)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型1）吸熱器上的光斑投影關(guān)系由于實(shí)際入射的太陽(yáng)光具有張角[7]，反射后在吸熱器上會(huì)形成太陽(yáng)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.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(diǎn)O點(diǎn)的法線與x軸相交于P點(diǎn)。β為定日鏡n上的反射光線A

8、nO與接收面中心法線之間的夾角。AnQn⊥x軸，AnA’n⊥面I，QnMn⊥面I