塔式太阳能热发电系统镜场调度方法的设计设计研究

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1、WORD格式可编辑塔式太阳能热发电系统镜场调度方法的研究辛秋霞，卞新高，杨缝缝(河海大学机电工程学院，常州213022)摘要：提出一种塔式太阳能热发电系统中定日镜调度的方法。根据太阳、定日镜和接收面的光学成像关系，考虑太阳位置、镜面反射率和能见度等因素给出了镜场光能转换效率计算方法，同时结合定日镜场状态及热力系统所需光功率建立了镜场调度模型。本文将定日镜的调度转化为一个0-1背包问题，设计了一种混合遗传算法来对其求解。采用该调度方法可得到各时刻转换效率最高时所需调用的定日镜数量及其分布，并可调整定日镜瞄准接收靶上分布的目标点，使吸热器上能流分布均匀，降低峰值能流密度，避免过热故障。

2、仿真算例的结果表明了该方法的有效性。关键词：太阳能；镜场调度；混合遗传算法；能流密度分布中图分类号：TK519文献标识码：A专业技术分享WORD格式可编辑0引言收稿日期：2008-x-x基金项目：国家863高技术研究发展计划（2006AA050104）通讯作者：辛秋霞(1983－)，女，江苏镇江人，硕士研究生，机械电子专业。E-mail：xqx830921@163.com塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统，它利用跟踪太阳的定日镜阵列，将太阳辐射反射到塔顶的吸热器上，产生高温加热工质（过热蒸汽或高温气体），驱动汽轮机组或燃气轮机组发电。定日镜是其关键部件之一。由于时间、天

3、气等因素，地表接收的太阳能随时间有大幅度变化，系统各时刻发电量和储热装置所需热量不同，其所需光功率也因时而异，因而合理选用定日镜对于最大限度的利用太阳能量，提高系统效率十分重要。近年来，许多学者对塔式太阳能热发电的控制系统进行了理论和实践性的研究。文献[1]、[2]中介绍了在Eurelios（欧共体太阳能电站）、SolarTwo和西班牙PSA－CESA-1中用到的几种定日镜场控制方法，如PID控制，自适应动态补偿控制及动、静态目标控制等，这些闭环控制系统以控制吸热器温度为目的来调整定日镜状态。本文以获得系统最佳效率为目的，通过考虑太阳辐射及定日镜场效率[3][4]等因素，建立了镜场

4、调度的数学模型。基于调度问题的实时性要求，设计了一种混合遗传算法，计算出各时刻系统效率最佳时，需投入运行的定日镜数量和分布，并以空腔式吸热器为对象，根据接收面能流分布，适当调整相应定日镜目标点位置，使接收面能量分布均匀化以降低峰值能流密度，避免吸热器接收窗局部过热，从而实现镜场优化调度。1数学模型的建立1.1基本假设条件1）定日镜为一整块弧面镜，各定日镜分别将太阳成像于吸热器接收面上；2）不考虑定日镜跟踪误差和定日镜场阴影效应的影响。1.2镜场分布物理模型本文以系统建在北半球为例，在镜场中建立三维坐标系，X轴指向正北方向，Y轴指向正西方向，Z轴垂直指向天空（如图1中所示）。1.3镜

5、场能量转换的数学模型影响镜场中每一面定日镜转换效率的主要因素为镜面余弦效率ηc、反射率ηm及大气透射率τ等。镜场效率即为镜场中所有定日镜的综合效率。[4]1）余弦效率ηc如图1，An(xn，yn，0)为镜场中任一面定日镜n专业技术分享WORD格式可编辑的镜面中心点，OO’为接收塔，O为吸热器入口面中心。BnAn、AnO分别为点An处的太阳光入射方向线和投向吸热器的反射光线，AnCn为过An点的定日镜法线。图1定日镜反射示意图Fig.1Theschemaofreflectiononheliostat设接收塔高度为Ht，定日镜高度为Hj，令△H=Ht－Hj，则由图中几何关系，推导可得：

6、（1）由式（1）可得定日镜n上的余弦效率为：（2）2）反射率ηm定日镜反射率由其材料及制造加工工艺、表面清洁程度等因素决定，在短时段内一般为常数。3）大气透射率τ太阳辐射在大气中传输时，由于空气分子、水蒸气、灰尘等微粒对太阳光的散射和吸收等原因产生衰减，衰减前后辐射量的比值即大气透射率。根据文献[5]中介绍的公式，镜场中任一面定日镜对应的大气透射率可表示为：（3）假定某时刻太阳直射辐照度为I(W/m2)，定日镜面积为Sn(m2)，则该时刻经定日镜反射到吸热器上的能量（即光功率）为：（4）整个镜场转换能量即为所有可用定日镜投射能量的总和。1.4镜场优化调度的数学模型1）吸热器上的光斑

7、投影关系由于实际入射的太阳光具有张角[7]，反射后在吸热器上会形成太阳的像，即光斑。反射光线在吸热器上的投影角度关系如图2a所示。a.投影角度关系b.光斑面积投影关系图2吸热器上反射光线投影示意图Fig.2Theschemaofreflectedlightprojectiononreceiver图中，γ为吸热器倾角，接收面中心点O点的法线与x轴相交于P点。β为定日镜n上的反射光线AnO与接收面中心法线之间的夹角。AnQn⊥x轴，AnA’n⊥面I，QnMn⊥面I，ω为吸