塔式太阳能定日镜安置位的研究_何杰.pdf

书书书技术与市场创新与实践2020年第27卷第10期塔式太阳能定日镜安置位的研究何杰，杜行，奚正稳，徐文奇，华文瀚(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 成都 611731)摘要:以某实际工程项目为例，计算并模拟了整个镜场中的定日镜当处于安置位时，在全年里每个时刻，反射光斑被动投射至光斑校正目标靶的定日镜的数量以及在镜场中的分布情况。分析了安置位的设计对定日镜光斑校正以及定日镜调试的影响，并给出了调试时期对定日镜安置位设计的建议。研究成果对实际工程中定日镜的调试、安置位的设计和吸热塔的安全有着重要的指导意义。关键词:塔式光热电站;安置位;调试;校正The stow position of heliostats at CSP tower plantHE Jie，DU Hang，XI Zhengwen，XU Wenqi，HUA Wenhan(Dong Fang Boiler Group CO，LTD，Chengdu 611731，China)Abstract:This paper calculates and simulates the number and layout of heliostats whose reflected beam is passively projected tothe beam correction target when they keep the STOW position at each time in a year at a tower concentrating solar power plantMeanwhile，this paper analyzes the influence of the design of the heliostat STOW position during the commissioning and calibrationfor the power plant，and gives suggestions for the design of the heliostat STOW position It has an important guiding significance forthe commissioning of heliostats and the design of the heliostat stow position and receiver tower safety in a CSP Tower PlantKey words:CSP Tower Plant;STOW position;commissioning;calibrationdoi:10 3969/j issn 1006 8554 2020 10 0010引言在塔式太阳能光热电站中，定日镜的跟踪精度将受到定日镜安装精度、立柱倾斜、坐标等数据采集精度、地基沉降等诸多因素的影响，为解决这一问题，电站普遍采用光斑校正系统来对定日镜的跟踪进行校正。其原理是利用相机通过图像识别的方法，捕捉位于镜场中心吸热器下方的目标靶上的定日镜的反射光斑，并比较光斑的实际位置与理论位置，计算光斑的位置偏差，反馈至定日镜进行修正，进而提高定日镜的跟踪精度。尤其是在定日镜首次跟踪运行时，由于受到机械安装精度、坐标、机械参数测量精度等的影响，定日镜跟踪精度较低，必须通过光斑校正系统提高定日镜的跟踪精度。在定日镜安装时，要求定日镜镜面为水平，以降低定日镜的风载荷，进而减小风对定日镜的损坏，该水平位置即为定日镜的安置位。但随着太阳位置的变化，镜场中的部分定日镜的反射光斑在某时段内会被动地投射至目标靶;使得光斑校正系统相机无法从获取的目标靶图像中识别出所要校正的光斑，从而无法对该区域的定日镜进行校正，将严重影响定日镜的调试与电站的投运。本文针对此现象，以实际项目为背景，计算并模拟了镜场，在全年每个时刻，反射光斑被动投射至光斑校正目标靶的定日镜的数量以及在镜场中的分布情况。根据结果分析了该现象对电站设备以及定日镜校正过程的影响，并提出相关建议，对实际工程中定日镜的调试以及安置位的设计有重要指导意义。1计算理论和方法本文针对全镜场的所有定日镜，在 1 年中的每一天，分别研究了不同时刻反射光斑投射至光斑校正目标靶区域的定日镜数量及分布的情况。以吸热塔底部圆心为坐标原点，正东为 x 轴正，正北为 y轴正，高度方向为 z 轴正，如图 1 所示。本文假设定日镜是一个理想平面，取目标靶面上的任意一点作为目标点，根据某时刻太阳入射光线向量以及某一面定日镜中心和其反射于目标点的光斑中心连线所构成的理论反射光线向量，可利用向量理论求出理论法向量，即可获得相应定日镜镜面的位置。z轴目标靶区(x0，y0，z0)反射光线镜面法线入射光线y轴（正北）(x1，y1，z1)定日镜x轴（正东）图 1地面坐标系若在某时刻，计算出某定日镜的镜面平行于水平面，即定日镜中心法线高度角为 90，则此刻该定日镜的反射光斑将反射至目标靶区域。1创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol27，No10，2020根据光斑直径的大小，在目标靶区域内，间隔选取不同高度、不同的水平位置作为新的目标点，并在不同的时刻重复上述过程，即可获得在全年各个时刻光斑反射至目标靶上的定日镜。计算过程如下。1.1计算求得太阳入射向量i0计算某一时刻的太阳入射向量首先需要求得太阳在该时刻的高度角和方位角。太阳高度角 hs的计算公式为:sin hs=sin sin +cos cos cos(1)太阳方位角 as的计算公式为:as=sin1 cos sin cos h()s如果 cos tan tan()，则 as=180 as反之，cos tan tan()，则 as=360+as(2)其中，表示当地纬度，表示赤纬角，为太阳时角。太阳入射单位向量i0从地面指向太阳，表示为:i0=(cosascoshs，sinascoshs，sinhs)(3)1.2计算求得目标点位置由于定日镜的反射光斑直径的影响，在计算目标点区域时，需要考虑光斑中心未在靶上，但光斑边沿在靶上的情况。因此，求得目标点位置的方法如下。1)根据定日镜的位置及光斑散射误差模型求得反射光斑的直径。2)结合目标靶面区域与定日镜直径求得目标点的区域。3)在目标点区域内，间隔选取不同水平方向与高度方向的点作为目标点。具体计算过程如下。1.2.1理论反射光斑直径的计算不同位置的定日镜反射至同一目标点的光斑存在大小差异，是因为太阳光线在反射过程中发生了偏差，这些偏差主要包括:定日镜面型偏差、定日镜跟踪偏差、太阳形状偏差以及散射偏差等。已知定日镜中心坐标 O1=(x1，y1，z1)，目标点中心坐标 Oa=(xa，ya，za)，如图2 所示。则反射光斑半径 rb可由定日镜焦距以及反射偏差求得。定日镜焦距 Lh的计算公式为:Lh=(xa x1)2+(ya y1)2+(za z1)槡2(4)定日镜反射光斑总偏差 的计算公式为:=2s+2bq+2+2槡tr(5)其中，s表示太阳形状偏差，bq表示定日镜面型偏差，tr表示定日镜跟踪偏差，三者均可根据定日镜参数确定;表示散射偏差。散射偏差 的计算公式为:=dh4Lh(1 cosm槡)(6)其中，dh表示定日镜直径，cosm表示镜面余弦，可由定日镜与目标点的相对位置关系计算得出。根据三角形正弦定理可知，理论反射光斑半径 rb的计算公式为:rbsin=Lhsin(180 )(7)其中，表示反射光斑中心与目标点连线与目标点 Z 方向的夹角，如图 2 所示。ALh滓鬃BrbCDb图 2定日镜反射光斑大小计算方法理论反射光斑直径 Db的计算公式为:Db2rb(8)1.2.2目标点区域的计算由于光斑反射至目标靶边缘地区也会对靶面图像产生影响。因此，在考虑光斑对定日镜校正的影响时，不仅需要考虑目标靶区域的光斑，还应该考虑目标靶区域附近的光斑，如图3 所示。首先计算出某面定日镜的反射光线与目标靶在水平方向上的切点，再在目标靶中心点与切点的连线方向上增加该定日镜的光斑半径 rb，即构成了目标点区域(见图 3)。目标靶靶面切点2rb切点1目标点区域图 3影响定日镜校正的反射光斑的目标点区域镜场中某面定日镜的反射光线与目标靶相切，在地平面上的投影如图 4 所示。设定日镜中心坐标 O1=(x1，y1，z1)，吸热塔底部中心坐标(x，y)，设在目标靶标高处的目标靶半径为，则切点坐标(xT，yT，zT)可表示为:(yT y)2+(xT x)2=2yT yxT xyT y1xT x1=1zT=H(9)其中，H 表示切点高度。2技术与市场创新与实践2020年第27卷第10期定日镜（x1，y1，z1）切点2x轴(正东)y轴(正北)切点1图 4反射光线与目标靶相切的投影1.2.3目标点坐标的计算为简化计算过程，在圆心至切点的线段上依次取点，取点间距设为最小光斑的直径 Db，min。则目标点的坐标位置(x0，y0，z0)可表示为:x0=L (xT x)+xy0=L (yT y)+yz0=H(10)其中，L 表示取点与平面圆圆心之间的距离，按 Db，min的自然倍数递增。1.3定日镜理论反射光线单位向量r0理论反射光线向量是定日镜中心和其反射光斑中心，即目标点(x0，y0，z0)的连线，指向目标点中心。在此过程中，可利用光的反射光线与入射光线在同一平面来缩小光斑可能上靶的定日镜搜寻范围。已知反射光斑中心 O0=(x0，y0，z0)，则反射光线单位向量r0可表示为:r0=O1O0O1O0(11)根据向量计算法则，定日镜中心法向量N0可表示为:N0=r0+i0(12)求得定日镜中心法向量后，若定日镜中心法线高度角为90，则表示此刻该定日镜的反射光斑将出现在目标区域。2仿真模拟及结果分析根据上节理论，本文采用 MATLAB 仿真模拟软件对全年反射光斑被动投射至目标靶及其边缘地区的定日镜数量和分布进行仿真模拟。本文以某塔式光热电站为例，其地理位置为东经 94 95，北纬 43 63，目标靶的高度范围为 129 179 m，目标靶的半径为 9 600 mm，吸热塔和定日镜镜场的平面位置如图 5 所示。计算仿真结果如下。全场定日镜处于安置位时，全年中反射光斑被动投射至目标区域的定日镜数量分布如图 6 所示。由图 6 可以看出，全年内第 28 天和第 316 天，光斑反射至目标区域的定日镜数量最多，为1 475 台;全年内第121 天和第223 天，光斑反射至目标区域的定日镜数量最少，为 935 台。图 7 图 12 分别展示了夏至日全天光斑反射至目标靶靶区的定日镜的区域分布和数量分布，以及定日镜在 9 时、11时、17 时、19 时的区域分布情况。由图 7 图 12 可看出，夏至日11 时前和16 时后存在较多光斑被动反射至目标区域，受夏至日太阳高度角早晚时段较低、中间时段较高的影响，反射至目标区域光斑的定日镜的数量呈现出早晚时段较多、中间时段较少的特点。图13 图18 分别展示了冬至日全天光斑反射至目标靶靶区的定日镜的区域分布及数量分布，以及定日镜在 11 时、13时、15 时、17 时的分布情况。图 5某塔式光热电站镜场平面图图 6全年光斑反射至靶区的定日镜数量分布-1 000-50005001 000东向1 2001 0008006004002000-200-400-600北向光学回平定日镜的布置-夏至图 7夏至日光斑反射至靶区的定日镜区域分布3创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol27，No10，2020图 8夏至日光斑反射至靶区的定日镜数量分布图 9夏至日 9:00 光斑反射至靶区的 22 面定日镜分布图 10夏至日 11:00 光斑反射至靶区的 3 面定日镜分布图 11夏至日 17:00 光斑反射至靶区的 12 面定日镜分布图 12夏至日 19:00 光斑反射至靶区的 27 面定日镜分布由图 13 图 18 可以看出，冬至日 10:00 17:00 存在较多光斑反射至目标靶区，受到冬至日太阳高度角全天较低的影响，反射至目标区域光斑的定日镜的数量呈现出早晚时段较少、全天分布较均匀的特点。由模拟结果可看到，不同时刻光斑反射至目标靶区域的定日镜数量及分布受太阳的高度角与方位角影响较大，且数量差异明显。仿真结果显示，在第 34 天出现了多达 82 面定日镜的反射光斑同时被动投射至目标区域的现象。同时反射光斑被动投射至目标区域的定日镜主要集中在南侧。-1 000-50005001 000东向1 2001 0008006004002000-200-400-600北向光学回平定日镜的布置-冬至图 13冬至日光斑反射至靶区的定日镜区域分布图 14冬至日光斑反射至靶区的定日镜数量分布4技术与市场创新与实践2020年第27卷第10期图 15冬至日 11:00 光斑反射至靶区的 45 面定日镜分布图 16冬至日 13:00 光斑反射至靶区的 37 面定日镜分布图 17冬至日 15:00 光斑反射至靶区的 45 面定日镜分布这些光斑反射至目标区域将带来以下危害。1)严重影响定日镜的校正过程。光斑反射至校正靶区域，将使得该靶区所对应的光斑校正系统无法识别图像中的光斑，即无法进行校正，进而严重影响定日镜的调试和电站的投运，这种情况大多数发生在镜场南侧区域。2)对靶面的危害。一般地，校正目标靶的制作常采用漫反射漆喷涂，而漆面受到长期强光照射后，会生产发黑等变色，影响靶面成像质量，进而影响校正的精度。3)对吸热塔的危害。吸热塔常采用水泥修建，水泥的耐温较低，一般在 80以下，长期强光照射，将影响吸热塔寿命。图 18冬至日 17:00 光斑反射至靶区的 36 面定日镜分布通过本文的仿真模拟结果，在定日镜调试与电站运行过程中，建议通过以下方式消除反射至目标区域的光斑带来的影响。1)根据全天内各时段光斑被动上靶的定日镜数量分布，选择无反射光斑在目标区域内的时段进行校正工作。2)根据全天内各时段光斑被动上靶的定日镜分布，调整该区域定日镜的安置位角度，例如在非强风天气下，将定日镜向东侧或向南侧偏转合适角度，以避免光斑照射至目标靶区。3)在镜场调试时，对于可能反射至目标靶区的定日镜应优先调试，以保证在进行南侧相关区域的定日镜校正之前，可能会产生干扰的定日镜应能够受控运动至其他安置位角度。3结语在塔式太阳能光热电站中，定日镜在安置位时，随着太阳位置的变化，镜场中的部分定日镜的反射光斑在某一时刻会被动地反射至目标靶，影响了定日镜的校正图像的采集和目标靶、吸热塔的安全。通过本文的研究，可以确定各个时刻反射至目标靶区域的定日镜的数量和位置。镜场调试人员和运行人员可根据本文研究采取适当的方法，以保证定日镜校正调试的顺利进行，例如划时段进行调试、在调试或运行时将相关定日镜设置为合理的安置位，以避免反射光斑对吸热塔、设备和人员安全等带来的影响或危害。本文研究结果为塔式太阳能电站镜场调试和运行提供了一定的理论指导。参考文献:1Eduardo F Camacho 太阳能发电系统控制技术M 项安，译 北京:机械工业出版社，20145