塔式太阳能热发电系统的多级反射式聚光镜场的研究.pdf

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1、博士学位论文塔式太阳能热发电系统的多级反射式聚光镜场的研究STUDYONTHEMULTI-REFLECTIONHELIOSTATFIELDINSOLARPOWERTOWERSYSTEMS胡叶广哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：TK513.1学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文塔式太阳能热发电系统的多级反射式聚光镜场的研究博士研究生：胡叶广导师：姚英学教授申请学位：工学博士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK5

2、13.1U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONTHEMULTI-REFLECTIONHELIOSTATFIELDINSOLARPOWERTOWERSYSTEMSCandidate：HuYeguangSupervisor：Prof.YaoYingxueAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：School

3、ofMechatronicsEngineeringDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着全球能源消费总量的快速增长，能源供应以及生态环境的压力不断增大，太阳能作为一种重要的清洁、可再生能源而受到人类越来越多的重视。塔式太阳能热发电技术利用聚光镜场采集汇聚太阳光和光热转换实现热力发电，能够提供连续、稳定的电能输出，具有规模化的成本优势，是未来新能源利用中最为重要的发展方向之一。作为聚光集热子系统的定日镜镜场是塔式热

4、电站中的关键组成部分，其成本占据电站总成本的40%左右，其性能直接影响了热发电系统的发电成本。目前聚光镜场仍存在着聚光损失高、经济性不佳的问题，阻碍了塔式热电站效能的提高以及发电成本的降低。本论文针对上述问题，研究面向塔式热发电系统的高性能、低成本的聚光镜场的设计方法。论文阐述了单级反射式镜场聚光原理和太阳能聚光利用的理论基础，提出了聚光镜场光学效率以及电站平准化成本的计算方法，定义了定日镜镜场设计的性能评价指标。以典型的PS10镜场作为案例，分析了单级反射式定日镜的光学性能，得出了“余弦损失是镜场最主要的光学损失”的结论。提出了一种能消除余弦损

5、失的多级反射聚光方案，完成了实现该方案的定日镜单元的设计和几种不同的子镜面型的设计建模，应用光学软件TracePro模拟研究了不同面型反射镜构成的多级反射定日镜的聚光特性和遮光率及定日镜与吸热塔的径向距离对截断效率的影响规律，优选了子镜镜面的面型函数和参数。提出了一种群控式的定日镜总体结构方案，该方案可显著减少驱动机构数量、降低太阳跟踪装置驱动系统的制造难度、有利于实现定日镜结构的模块化设计制造，进而降低定日镜场的建造成本。基于光线随机抽样思想和蒙特卡洛光线追踪原理，建立了定日镜年均光学性能的数值分析模型，并通过与软件TracePro数值计算结果

6、的对比，验证了该模型的正确性。应用该模型，重点分析了定日镜在PS10镜场区域中的年均效率分布特性以及平均效率值，研究了定日镜的各种结构参数以及误差因素对聚光性能的影响规律，结果表明：多级反射式定日镜在镜场中心区域具有更高的效率，为后续镜场结构的布置优化设计提供了理论基础。研究了镜场中定日镜阵列的布置优化问题，提出了定日镜逐个添加的“生长式”镜场布置优化算法。该算法能够实现面向等效效率分布或效率成本比分布的镜场布置优化，数值分析结果表明：通过两种布置优化，多级反射式定日镜的镜场效率分别达到71.46%和73.6%，均高于单级反射式镜场，并且两个镜场

7、的占地面积也都远小于单级反射式镜场，说明多级反射式定日镜具有更优的-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文镜场性能。在考虑遮光率的情况下对镜场进行再次布置优化，结果显示：等效效率分布和效率成本比分布优化的平准化成本分别为0.2548€/kWh和0.2475€/kWh，比PS10电站分别降低3.0%和5.8%，表明多级反射式电站模型具有更优的经济性能。开展了多级反射式定日镜的跟踪聚光实验研究，建立了总体实验方案，设计制造了多级反射式定日镜实验样机，完成了样机的跟踪精度测试，结果表明：样机的跟踪误差保持在0.1°以内，可满足塔式电站的跟踪精度要求；接着利

8、用CCD成像系统对样机聚焦光斑的能流密度分布进行测试，并通过与理论仿真结果对比分析，验证了定日镜样机的聚光效果。关键词：太阳能；塔式热发