塔式光热电镜场布置方案的研究_吕佳阳.pdf

2020 年9 月内蒙古大学学报(自然科学版)Sep2020第51卷第5期Journal of Inner Mongolia University(Natural Science Edition)Vol51No5文章编号:10001638(2020)05-0531-08DOI:1013484/jnmgdxxbzk20200512塔式光热电镜场布置方案的研究*吕佳阳，张嘉英(内蒙工业大学电力学院，呼和浩特 010000)摘要:主要是通过 MATLAB 进行仿真研究，来为塔式光热电站镜场的布置提供一个参考方案。塔式光热电镜场的布置主要受到以下几种因素的影响:余弦损失、大气衰减损失、中心点距离效率、遮挡损失、地理纬度等。将余弦效率、大气衰减损失、中心点距离效率的乘积定义为镜场光学利用效率，用做镜场布置的参考。研究主要考虑纬度对镜场布置的影响，通过绘制纬度为 15、30和 40的塔式光热电站镜场，从而对不同纬度下镜场布置做出分析。理论分析的结果表明:纬度越低，镜场达到相同功率输出时所需要的定日镜数量越少;反之纬度越高，镜场达到相同功率输出所需要的定日镜数量越多。关键词:塔式光热电;定日镜;太阳高度角;赤纬角;余弦效率;镜场布置中图分类号:TM743文献标志码:A太阳能光热发电是一种新型、无污染的太阳能利用技术。太阳能热发电技术一般分为槽式、线性菲涅尔式、塔式和碟式这四种，划分原则是按照聚光形式的不同。其中，塔式太阳能热发电具有较高的聚光比，输出效率是以上四种光热电系统中最强的，而且热电转化率高，所以塔式光热电是最具有开发潜力的太阳能热发电系统，同时也是光热电技术中最具有经济价值和大规模开发利用潜力的1。塔式太阳能光热发电系统主要由四个部分组成，分别为镜场、集热塔、储热系统、发电系统等。镜场是塔式太阳能热发电系统的核心，由定日镜按照一定规律排列组成。定日镜可以通过机械系统将太阳光准确地打在集热塔顶端的集热器上。集热器加热一次侧循环工质，通过循环管道的热交换加热二次侧循环工质产生饱和蒸汽，然后利用蒸汽推动汽轮机的转动产生电能。在能量利用方面具有效率高、清洁度好、不产生污染等优点2。塔式光热系统在储能上拥有很大的优势。首先，塔式光热系统可以将加热过的工质用储热系统以热能的形式进行储存。相比之下，光伏发电直接产生电能则需要用到蓄电池，会增加建造成本。其次，塔式光热电系统中的集热器能收集到的辐射功率最高能达到 100MW 左右，温度为 1100，年度发电率可以达到 17%20%。故而从经济方面考虑塔式光热系统具有非常大的前景，更合适大规模推广。本文主要对塔式光热电的镜场建立进行理论性分析3。首先，建立了圆形镜场，并且引入模拟镜场的概念，通过仿真得出全年镜场综合效率分布，绘制出镜场效率阀值为 70%和 75%的定日镜布局。然后，分析了三种不同纬度对镜场综合效率的影响，通过对比不同纬度下效率阀值大于 75%的有效定日镜数、定日镜综合效率来分析总结不同纬度下的镜场布置的方案。本文的研究内容可以为*收稿日期:2020-04-19基金项目:内蒙古自然科学基金(2018MS06022)资助项目作者简介:吕佳阳(1993)，男，内蒙古乌兰察布人，2017 级硕士研究生。E-mail:635184462 qqcom通信作者:张嘉英(1976)，女，内蒙古呼和浩特人，副教授，硕士。主要从事火电厂先进控制，新能源发电技术，其他工业过程建模及控制研究。E-mail:2437460435 qqcom镜场实际布置提供参考。1镜场综合效率计算的数学模型 4镜场的综合效率是集热器可以接收到的最大有效效率，是镜场分布的重要指标。我们在镜场的布置的时候充分考虑到定日镜与周围定日镜之间的阴影遮挡问题，通过加大了相互的间距来解决这一问题，所以我们在计算镜场的综合效率的时候不再考虑定日镜之间的阴影遮挡。定日镜的综合效率可以表示为余弦效率、大气透射率与中心点距离效率的乘积来表示，具体表示如下:=cndt(1)其中:为综合效率;c为余弦效率;n为大气相对衰减率;d为中心点距离效率;t为截断效率，当确定好了定日镜与集热塔之间的相对位置，我们就可以求出任意时刻的镜场综合效率，通过筛选综合效率较高位置来确定定日镜的布局，使整体镜场的运行处在一个较高的效率水平。11太阳位置计算模型在塔式光热电站的建设中最重要的技术就是如何使定日镜将太阳光准确地汇集到集热塔顶端的集热器上，为了达到这一目的，太阳位置精确计算是前提。众所周知，太阳的位置时刻都在发生着变化，所以入射光线的角度也在时刻发生着变化。同时入射光线的强弱与天气、地理纬度、时间有关。因此，想要提升对太阳辐射能的利用率，确定太阳任意时刻的精确位置是非常必要的5。太阳位置算法是一种快速又具有一定精度的简化算法，可以直接加载到普通的微型计算机系统中，使得太阳能热发电的跟踪控置系统具有经济实用性。通常使用地平坐标系对地日相对位置进行建模，主要用到高度角和方位角两个参量。图 1太阳高度角方位角示意图Fig1Solar elevation Azimuth Diagram如图 1 所示，用太阳高度角 hs 来描述太阳对定日镜的仰视角。根据理想太阳运动的物理模型可以得知，太阳高度角可以用定日镜的法向量与太阳方向向量交角的余角点来表示，则太阳高度角为:sin(hs)=coscos+sinsin(2)式中:hs 为太阳高度角()，为太阳时角()，为地理纬度()，为赤尾角()。太阳方位角 As 即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地经线的夹角。若规定太阳位于正北方向时方位角为 0，正东、正南、正西分别为 90、180、360。方位角的计算公式为:As=arccosB 0，180，0;360 arccosB 180，360，0;(3)其中B=sin sin(hs)sincos(hs)cos(4)太阳赤纬角 是地球赤道平面与太阳和地球中心连线之间的夹角，实际上就是太阳和地球中心连线与南北极极轴夹角的余角。赤纬角的计算公式为:=2345 sin2(284+n)365()(5)式中:其中 n 为计日序数，单位 rad。235内蒙古大学学报(自然科学版)2020 年太阳时角 是从天体子午圈的观测点出发，沿着天赤道一直到太阳所在时圈的这一段的角距离。时角是用来度量时间的，所以一般称为视太阳时(视时)。同时规定正午时刻的时角为 0，上午为负值，下午为正值。地球自转一天是 24 小时，转过角度为 360 度，每小时对应的时角应该为 15。=15 (Ts 12)(6)Ts=t+D(7)D=(longitude 120)/15(8)其中:为时角();Ts为真太阳时(h)，以 24 小时计算;t 为北京时间(h);D 为时差(h);lon-gitude 为当地经度()。12余弦效率6 余弦效率是太阳入射角的余弦值，太阳光线的入射角越小，则反射到定日镜上面的有效面积就越大，余弦效率也就越高。反之，太阳的入射角越大，那么反射到定日镜的有效面积越小，余弦效率越低。余弦效率直接影响到整个光热电发电系统的发电效率，所以对于镜场的效率分布占有很重要的作用。定义余弦效率 c=cos，根据定日镜的反射模型可知:c=cos12arccosxcos(hs)sin(As)x2+y2+(H h)槡2+ycos(hs)sin(As)x2+y2+(H h)槡2+dsin(hs)x2+y2+(H h)槡2(9)其中:为太阳入射角()，hs 和 As 分别为太阳的高度角和方位角()，x 和 y 分别为定日镜的中心点横纵坐标(m)，H 为集热塔中心点的高度(m)，h 为定日镜的高度(m)。13大气衰减损失大气衰减损失是因为通过对太阳辐射通过大气层厚度不同导致到达地表的太阳辐射能不同。当太阳直射地表时阳光辐射透过大气层的厚度小，当阳光斜射时辐射透过大气层厚度较大，能量衰减比较厉害。大气透射率可以表示为:n=e(391/V)lt 103(10)其中:V 为大气能见度，lt为太阳中心点透过大气层的厚度，会随着时间的不同相应变化。对 lt的求解进行建模，建立相应坐标系。对于任意高度角对应的大气透射率记做 hs，那么不同高度角导致的太阳光线穿透不同厚度的大气层的相对衰减率可以表示为:n=hsmax(11)其中:hs为太阳高度角是hs时对应的大气透射率，max为太阳高度角是90(正午高度角)时所对应的大气透射率。14中心点效率损失在实际太阳光线反射到集热塔的过程中，从定日镜到集热塔的这一段距离因为比较短，所以受到大气对光的衰减作用的影响经常被忽略，定日镜中心点到集热器的中心点的距离效率公式可以写成:d=099326 01046h+0017h2 0002845h3(12)其中:d为反射镜到集热塔之间的距离效率，h 为集热塔中心点到定日镜的相对高度(m)。15截断效率7 定日镜会因为反射后的太阳张角与集热塔的相对位置导致光斑能量的截断，即光斑面积大于集热器窗口可以接受能量的面积，所以产生了截断效率。335第 5 期吕佳阳 等塔式光热电镜场布置方案的研究如图 2 所示，太阳光束到达集热器的窗口位置，会形成一个符合高斯分布的光斑。根据塔式系统聚光效率应最大化的要求，定日镜反射到集热塔的光斑能量中心点应该与集热塔的窗口中心点重合，这样从定日镜反射出的能量损失才会最小，基本与到达集热器的能量相同。集热塔窗口对定日镜反射光的截断效率是椭圆 A 携带的能量落在窗口 B 区域内的大小和椭圆 A从定日镜出发时携带能量大小的比值。得到公式(6)的光斑方程:图 2截断效率示意图Fig2Truncation efficiency diagramcos2(ht)x22r+cos2(ht)y22rcos2(rt)cos2(hr ht)=1(13)其中:ht为塔视高度角()，hr为反射镜仰角()，r为反射镜方位角()，t为反射镜相对吸热塔的方位角()，r为反射镜面半径(m)，t为吸热塔窗口半径(m)。截断效率是利用集热器对投影边界范围内积分得到，故而有以下公式(7):t=122lotxyexpx2+y222tot()dxdy(14)其中:lot为整体误差，t为截断效率，点(x，y)的范围为光斑椭圆 A及吸热塔窗 B 口内部。2镜场的建立与镜场综合效率的分析21圆形镜场(全年无遮挡镜场)1)确定定日镜环数:以点 M 为圆心，做出若干同心圆，第 i+1 个圆的半径与第 i 个圆的半径差值采取固定值，设该固定值为 r。由于塔高远大于定日镜中心点高度，因此我们按照图 3 的方式计算出无遮挡距离的大小。由图 3 可知，此等式成立图 3定日镜径向间距示意图Fig3adial spacing diagram of HeliostatyMmax+rH=rl(15)由此可得:r=yMmaxlH l(16)其中:r 为第 i+1 个圆的半径与第 i 个圆半径的差值(m)，l 为定日镜宽度(m)，yMmax为定日镜区间分布的最大值(m)。根据以上分析得到定日镜环数为:C=(H l)(yMmax yMmin)2lyMmax(17)其中:C为定日镜环数(个)，H为塔高(m)，yMmax为定日镜区间分布的最大值(m)，yMmin为定日镜区间分布的最小值(m)，l 为定日镜宽度(m)。435内蒙古大学学报(自然科学版)2020 年由图 4 可知，每一环定日镜的个数为:ni=2rii=2arccos 1 9l22r2i2()(18)其中:ni为定日镜i环定日镜的个数(个)，r为定日镜径向间距(m)，i为第i环相邻定日镜横向间距(m)，l 为定日镜宽度(m)。根据圆形无遮挡镜场的建立原则，为了不考虑周边定日镜的相互影响，我们使用三倍的定日镜镜长度进行计算绘制出如图 5 所示圆形镜场图。图 4定日镜横向间距示意图Fig4Lateral spacing diagram of Heliostat图 5全年无遮挡圆形镜场图Fig5Map of annual uncovered circular mirror field22镜场综合效率分布我们对时间为 2019 年，地理位置为东经 11623，北纬 3954，塔高为 100m，采用公式(1)模拟出镜场综合效率。引入模拟镜场的概念，将镜场区域定为 4 百万 m2的矩形区域，定日镜相互之间为间隔 40m 均匀分布。为了提高计算的效率，减小冗杂计算，我们用两分两至日时候的镜场效率均值作为全年镜场效率的目标数。绘制如图 6 所示全年镜场综合效率模拟图。图 6全年镜场综合效率模拟图Fig6Simulation chart of overall efficiency of lens field in whole year根据图 6 的模拟结果，以及太阳运动规律的对称性，可以得出如下结论:(1)位于中纬度地区的北半球镜场可以将定日镜放置在集热塔的北端，以提高效率。(2)位于中纬度地区的南半球镜场可以将定日镜放置在集热塔的南端，以提高效率。23定日镜镜场分布根据 MATLAB 仿真得到全年镜场效率图，通过分析全年镜场效率并且与全年无遮挡镜场布局图535第 5 期吕佳阳 等塔式光热电镜场布置方案的研究相结合我们可以得到定日镜的分布，考虑到定日镜的效率问题，选取效率70%和75%两种的定日镜作为镜场的一部分，通过仿真得到图 7 所示塔式光热电圆形镜场布局图。通过 MATLAB 仿真计算我们对纬度为 3954，在不同效率阀值下产生的两种镜场相关数据对比得到:通过对比两种镜场中有效定日镜的平均效率可以看出75%的定日镜镜场要优于 70%的定日镜镜场。70%的有效定日镜数目为747，75%的有效定日镜数目为 282，70%的有效定日镜约为 75%有效定日镜的 26489 倍，而有效定日镜效率和约为25962 倍(见表 1)。说明在同等数量的定日镜下，75%镜场布置效率要高于 70%镜场布置效率。所以在实际镜场布置中需要考虑镜场预计要装配的定日镜个数，搭配相应的阀值进行模拟。效率阀值的设定是为了解决以下情况:如果镜场输出效率定了以后，如果纬度较高，单个定日镜的效率较低，就需要选取效率阀值较低的定日镜，定日镜的数目会增加，使得镜场可以达到相应的镜场输出;如果纬度低，达到需要的镜场输出可以选取效率阀值较高的定日镜，定日镜的数目相对较少，节约成本。综上所述，引入效率阀值的概念，同时也为了后续各项研究设定一个参考量。(a)(b)图 7圆形镜场布局图Fig7Circular Mirror field layout表 1纬度 3954镜场不同阀值效率对比Table 1Comparison of mirror field efficiency at 3954 latitude镜场定日镜数效率阀值/%有效定日镜数/个有效定日镜效率和有效定日镜平均效率圆形105370747554792107427752822136906075783影响定日镜镜场布置范围的参数分析31计算条件集热塔高度为 100m，镜场为圆形无遮挡镜场模型，分析北纬 15、30和 45三种纬度下效率阀值大于 75%的镜场布局。32不同纬度下的镜场布置不同维度下镜场有效定日镜数目及平均效率见表 2，镜场布置仿真结果如图 8 所示。通过对比三种纬度的镜场可以得出当效率阀值为 75%时，纬度为 15的镜场效率有效定日镜数目明显要多于纬度为 30与 45的有效定日镜数目。635内蒙古大学学报(自然科学版)2020 年综合以上我们可以得出:(1)纬度越低，效率阀值大于 75%的有效定日镜数越多，镜场的优质效率越集中;(2)纬度越高，效率阀值大于 75%的有效定日镜数越少，镜场的优质效率越分散;(3)纬度越高，定日镜平均效率越低，镜场达到相同能量输出需要布置更多的定日镜。(a)北纬 15(b)北纬 30(c)北纬 45图 8不同维度下的镜场布置Fig8The arrangement of mirror field in different latitude表 2不同纬度下镜场有效定日镜数目及平均效率对比Table 2Comparison of the number and average efficiency of heliostats in different latitudes纬度/塔高/m有效定日镜数/个定日镜平均效率/%151006127737301005247650451008175364结论本文对不同纬度下塔式光热电站镜场的布置方案做出了理论分析，为以后镜场的优化布置奠定了基础。主要结论如下:通过余弦效率、大气透射率、中心点效率以及截断效率的乘积作为镜场综合效率可以作为镜场布置的参考。在纬度确定的条件下，提高镜场整体性能可以通过增加定日镜的数目来实现。纬度越高，达到同等镜场输出效率要用到更多的定日镜。735第 5 期吕佳阳 等塔式光热电镜场布置方案的研究参考文献:1 汤延令太阳能热发电技术现状及发展 J 福建电力与电工，2008，28(4):12-16 2 杨敏林，杨晓西，林汝谋，等太阳能热发电技术与系统 J 热能动力工程，2018，8(11):3221-228 3 孙迎光自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术 J 能源工程，2002，3:7-10 4 何丽娟，祝雪妹塔式太阳能热发电系统中定日镜运动规律分析及其仿真J 南京师范大学学报(工程技术版)，2013，12(4):1-5 5 房淼森塔式太阳能发电系统镜场分布及其控制策略研究 D 南京:江苏科技大学，2016 6 徐二树，余强，杨志平，等塔式太阳能热发电腔式吸热器动态仿真模型 J 中国电机工程学报，2010，30(32):115-121 7 张宏丽，王志峰塔式电站定日镜场布置范围的理论分析 J 太阳能学报，2011，1(4):12-18(责任编委孙锴)Theoretical Study on the Arrangement Scheme of TowerPhotothermal Electron Microscope FieldL Jiayang，ZHANG Jiaying(College of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010000，China)Abstract:Mainly carries on the simulation research through Matlab，to provide a reference scheme forthe arrangement of the mirror field of the tower-type photothermal power stationThe arrangement of the towerphotothermal electron microscope field is mainly affected by the following factors:cosine loss，atmospheric at-tenuation loss，center distance efficiency，shielding loss，geographical latitude and so onThe product of co-sine efficiency，atmospheric attenuation loss and distance efficiency of center point is defined as the opticalutilization efficiency of mirror fieldIn this study，the influence of latitude on the layout of the mirror field isconsidered，and the layout of the mirror field of the tower photothermal power station with latitude of 15，30and 40 is analyzedThe theoretical analysis shows that the lower the latitude，the less the number of heliostatsneeded to achieve the same power outputConversely，the higher the latitude，the more the heliostats neededto achieve the same power outputKey words:solar power tower;heliostat;solar altitude angle;declination angle;cosine efficiency;he-liostat field layout835内蒙古大学学报(自然科学版)2020 年