麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，該方法以鏡場的綜合光學效率與鏡場的土地覆蓋率的乘積作為優(yōu)化目標，采用單純形算法對鏡場中第一排定日鏡到吸熱器的距離、各定日鏡之間的列間距和行間距進行優(yōu)化，使得定日鏡的數(shù)量與排布在某個特定的情況下，優(yōu)化目標取值最大。本發(fā)明的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法解決了定日鏡數(shù)量與鏡場綜合光學效率之間的矛盾，且采用單純形算法具有更好的魯棒性和穩(wěn)定性。通過本發(fā)明的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法進行布局的麥田型小鏡場的綜合光學效率都達到了80%以上，相對于現(xiàn)有的一般鏡場提高了10%。
【專利說明】麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】[0002]塔式系統(tǒng)又稱集中式系統(tǒng)，主要包括若干定日鏡、吸收塔和安裝于吸收塔上的吸熱器。塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的工作原理是通過一定數(shù)量的定日鏡將太陽光匯聚到塔頂?shù)奈鼰崞鳟a(chǎn)生高溫，再加熱流經(jīng)吸熱器內(nèi)的介質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化成熱能，并產(chǎn)生高溫蒸汽，推動汽輪機進行發(fā)電，是一種大面積大規(guī)模的聚光發(fā)電方式。每臺定日鏡都各自配有跟蹤機構(gòu)準確地將太陽光反射集中到一個高塔頂部的吸熱器上。
[0003]在整個發(fā)電系統(tǒng)中，鏡場的排布類型和規(guī)模會直接影響鏡場的光學效率和發(fā)電量，同時也會影響鏡場的建造成本，因此如何合理優(yōu)化鏡場布局是鏡場設(shè)計的關(guān)鍵，而如何快速計算鏡場的光學效率是設(shè)計優(yōu)化的前提。鏡場年均綜合光學效率的指標主要包括余弦效率、陰影遮擋效率、大氣透射效率和溢出效率。綜合光學效率為余弦效率、陰影遮擋效率、溢出效率、大氣透射效率的乘積，即:
[0004]nfield = ncosx ns&Bx nintx nAt.?
[0005]其中，nfield為綜合光學效率，為余弦效率，ns&B陰影遮擋效率，nint為溢出效率nAt.M為大氣透射效率。
[0006]太陽光照射到定日鏡表面時，和定日鏡表面產(chǎn)生一定的角度，將入射光線的入射向量和定日鏡的法向量的夾角的余弦值定義為余弦效率。如圖1所示，太陽2的光線照射到定日鏡I表面時，和定日鏡I表面產(chǎn)生一定的夾角9即為入射光線的入射向量和定日鏡的法向量的夾角，即余弦角，其中坐標原點為吸收塔在地面的中心，-X表示正東，Y表示正南。余弦效率的計算只需要確定定日鏡的坐標、太陽位置和吸熱器位置即可求取。
[0007]在從定日鏡反射至吸熱器的過程中，太陽光因在大氣中的衰減所導致的能量損失稱為大氣透射(或大氣衰減)損失，而經(jīng)傳播后的反射光線強度與反射初的光線強度的比值即為鏡面的大氣透射效率。該效率通常與太陽的位置，當?shù)睾０胃叨纫约按髿鈼l件(如灰塵、濕氣、二氧化碳的含量等)等因素有關(guān)。
[0008]余弦效率和大氣透射效率與定日鏡間相對位置無關(guān)，容易求?。欢幱罢趽跣屎鸵绯鲂市枰紤]到鏡面與鏡面之間、鏡面與吸熱器之間的位置和角度關(guān)系，求取過程較為復雜。
[0009]如圖2所示，當入射光線照射到定日鏡11時，被定日鏡12遮擋則造成了陰影M，產(chǎn)生陰影損失，被陰影的光線數(shù)量與照到該定日鏡的總光線數(shù)量之比為陰影效率；同理，當反射光線被定日鏡3遮擋時則造成了遮擋N，產(chǎn)生遮擋損失，被遮擋的光線數(shù)量與照到該定日鏡的總光線數(shù)量之比為遮擋損失。一面定日鏡可能同時發(fā)生被陰影和被遮擋的情況。
[0010]當反射光線由于受到吸熱器尺寸的限制而沒有照進吸熱器內(nèi)，稱這些光線為溢出的光線，將溢出的光線與總的光線數(shù)之比為溢出效率。[0011]對于鏡場優(yōu)化設(shè)計的方案，有最傳統(tǒng)的將接受能量和投資成本作為優(yōu)化目標的，但對于投資成本中包括的占地面積成本、導線成本、接收塔成本等具體參數(shù)和建造材料、地域位置等其他相關(guān)因素，不易統(tǒng)一估算。但是定日鏡數(shù)量與鏡場綜合光學效率存在矛盾關(guān)系，若土地面積固定，當定日鏡數(shù)量較多、排布較密集的時候，會產(chǎn)生較多的陰影遮擋損失，鏡場整體的綜合光學效率會隨之降低；而當定日鏡數(shù)量較少、排布稀疏的時候，鏡場的綜合光學效率會相對增加。
[0012]麥田型鏡場是多面定日鏡交叉排布，是目前常用的鏡場的排布類型之一。確定了第一排定日鏡到吸熱器的距離、各定日鏡之間的列間距和行間距即可確定麥田型鏡場中各定日鏡的排布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法。
[0014]一種麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟:
[0015](I)確定第一排定日鏡到吸熱器的距離、各定日鏡之間的列間距和行間距為優(yōu)化變量，并分別確定各優(yōu)化變量的搜索上下界；
[0016](2)以綜合光學效率與土地覆蓋率的乘積作為優(yōu)化目標，根據(jù)太陽圓盤模型、鏡場參數(shù)和各優(yōu)化變量的搜索上下界，采用單純形算法進行變量優(yōu)化，得到各個優(yōu)化變量的最優(yōu)值，所述的最優(yōu)值使優(yōu)化目標取最大值；
[0017](3)根據(jù)步驟(2)得到的各優(yōu)化變量的最優(yōu)值，進行麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場布局。
[0018]本發(fā)明的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法通過將鏡場的綜合光學效率與鏡場的土地覆蓋率(即定日鏡的總面積與給定土地面積之比)的乘積作為優(yōu)化目標，采用單純形算法對鏡場中第一排定日鏡到吸熱器的距離、各定日鏡之間的列間距和行間距進行優(yōu)化，使得定日鏡的數(shù)量與排布在某個特定的情況下，優(yōu)化目標取值最大。本發(fā)明的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法將鏡場的綜合光學效率與鏡場的土地覆蓋率的乘積作為優(yōu)化目標，有效解決了定日鏡數(shù)量與鏡場綜合光學效率之間的矛盾，從而進行鏡場的優(yōu)化布局。單純形搜索是不基于梯度搜索的優(yōu)化算法，能較快收斂到最優(yōu)設(shè)定值而具有較良好的效率和可用性，且單純形算法又是基于排序的算法，具有更好的魯棒性和穩(wěn)定性。
[0019]所述步驟(I)中各定日鏡之間的列間距和行間距的搜索下界為使定日鏡在三維空間內(nèi)隨意轉(zhuǎn)動不發(fā)生機械碰撞的安全距離。
[0020]所述步驟(I)中各定日鏡之間的列間距和行間距的搜索上界保證定日鏡之間不發(fā)生遮擋。
[0021]定日鏡在工作過程中需要轉(zhuǎn)動，對自由度要求較高，通過限定優(yōu)化變量的搜索上下界能夠有效地減小變量在優(yōu)化過程中的搜索范圍，提高運算效率。
[0022]所述步驟(2)中的太陽圓盤模型采用蒙特卡洛撒點法模擬其能流密度建立得到。
[0023]作為優(yōu)選，所述步驟(2)中的太陽圓盤模型為非平行入射光模型。
[0024]太陽是整個熱電系統(tǒng)的能量來源，在精確的太陽模型中，光線是發(fā)散的，太陽表面各點向任意方向都有光線射出，因此在地球上觀察太陽的像為圓形，被稱為太陽圓盤(Solar Disk)，該像上能量分布并不均勻。若利用蒙特卡洛撒點法來模擬太陽圓盤能量的大小，則越靠近圓心的位置，點數(shù)越密集，相應的能量高，靠近圓盤邊緣則點數(shù)就越稀少，相應的能量低。根據(jù)太陽能流密度分布與太陽圓錐角的關(guān)系，結(jié)合具體時間具體地點的太陽位置，生成非平行入射光的單位向量。太陽光為非平行光，現(xiàn)有技術(shù)中建立的太陽模型多為平行入射光模型，本發(fā)明通過蒙特卡洛撒點法模擬其能流密度建立的太陽圓盤模型為非平行入射光的模型，更加接近實際的太陽光。根據(jù)太陽能流密度分布與太陽圓錐角的關(guān)系，結(jié)合具體時間具體地點的太陽位置，生成非平行入射光的單位向量，根據(jù)入射向量和定日鏡的中心坐標可計算出定日鏡中心和頂點沿著入射光線在地面上的投影坐標，并可根據(jù)入射光向量與每面定日鏡的反射向量計算出相應的單位法向量。
[0025]所述步驟(2)中采用蒙特卡洛光線追跡法計算鏡場的綜合光學效率。
[0026]蒙特卡洛光線追跡法能有效追蹤判斷每根光線與每面定日鏡的位置關(guān)系，同時也能獲得吸熱器表面的能流密度分布情況，因此該方法能有效計算陰影遮擋效率和溢出效率。
[0027]采用蒙特卡洛光線追跡法計算鏡場的陰影遮擋效率和溢出效率的主要思想如下:
[0028]撒點:利用蒙特卡洛法在確定范圍的定日鏡場內(nèi)隨機投撒大量的點，由任一點和入射向量組成一根光線。
[0029]陰影判斷階段:由隨機投撒在地面上的點和定日鏡的四個頂點沿著入射光線在地面上的投影坐標依次確定入射光線與每一面定日鏡的相交情況，若光點投影不在任何一面定日鏡內(nèi)，則考慮下一個點，該點所對應的光線為無效入射光線；否則判定該根入射光線最終照射到的定日鏡，并求取該根入射光線與該定日鏡的交點；
[0030]遮擋判定階段:先計算該根入射光線所對應的反射光線，判斷反射光線是否被其它定日鏡所遮擋，若不被遮擋，則求取反射光線最終與吸熱器的交點；
[0031]溢出判定階段:判斷該反射光線和吸熱器的交點是否在吸熱器內(nèi)，若不在吸熱器內(nèi)則為溢出。
[0032]全部光線處理完畢后，即可計算鏡場的陰影遮擋效率和溢出效率。
[0033]作為優(yōu)選，所述步驟(2)基于CUDA計算平臺進行變量優(yōu)化。
[0034]CUDA計算平臺利用GPU的雙層并行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其高性能并行運算，讓多個線程同時計算和判斷，有效地提高了運算速率，為鏡場布局的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，且實現(xiàn)簡單，成本較低。
[0035]本發(fā)明的塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法將鏡場的綜合光學效率與鏡場的土地覆蓋率(定日鏡的總面積與給定土地面積之比)的乘積作為優(yōu)化目標，使得定日鏡的數(shù)量與排布在某個特定的情況下，優(yōu)化目標達到最大值，有效解決了定日鏡數(shù)量與鏡場綜合光學效率之間的矛盾，從而完成鏡場的優(yōu)化設(shè)計。采用單純形算法進行優(yōu)化計算，有效提高了計算效率和可用性，且單純形算法是基于排序的算法，具有更好的魯棒性和穩(wěn)定性。通過本發(fā)明的優(yōu)化設(shè)計方法優(yōu)化得到的小鏡場的年均綜合光學效率都達到了 80%以上，與一般的塔式太陽能熱電系統(tǒng)鏡場的綜合光學效率(70%)相比，提高了 10%。
【專利附圖】

【附圖說明】[0036]圖1為塔式太陽能鏡場的大地坐標系示意圖(-X軸指向正東，Y軸水平指向正南，Z軸指向天頂)；
[0037]圖2為陰影和遮擋示意圖；
[0038]圖3為本發(fā)明的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖；
[0039]圖4為麥田型鏡場定日鏡之間無遮擋俯視圖；
[0040]圖5為麥田型鏡場定日鏡之間無遮擋側(cè)視圖；
[0041]圖6為太陽光錐角示意圖；
[0042]圖7為太陽圓盤能流密度示意圖；
[0043]圖8為非平行入射向量組成示意圖；
[0044]圖9為定日鏡雙軸固定示意圖；
[0045]圖10為定日鏡坐標系示意圖；
[0046]圖11為單純形算法示意圖；
[0047]圖12為單純形初始化序貫攝動示意圖；
[0048]圖13為麥田型鏡場優(yōu)化示意圖。
【具體實施方式】
[0049]下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0050]本實施例中麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)位于北半球。本實施例中鏡場參數(shù)如表1所示:塔高30m，定日鏡的尺寸為ImX lm，土地面積為15mX 15m，鏡場所處緯度為北緯30°。
[0051]表1鏡場參數(shù)
[0052]
【權(quán)利要求】
1.一種麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)確定第一排定日鏡到吸熱器的距離、各定日鏡之間的列間距和行間距為優(yōu)化變量，并分別確定各優(yōu)化變量的搜索上下界； (2)以綜合光學效率與土地覆蓋率的乘積作為優(yōu)化目標，根據(jù)鏡場參數(shù)、太陽圓盤模型和各優(yōu)化變量的搜索上下界，采用單純形算法進行變量優(yōu)化，得到各個優(yōu)化變量的最優(yōu)值，所述的最優(yōu)值使優(yōu)化目標取最大值； (3)根據(jù)步驟(2)得到的各優(yōu)化變量的最優(yōu)值，進行麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場布局。
2.如權(quán)利要求1所述的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(I)中各定日鏡之間的列間距和行間距的搜索下界為使定日鏡在三維空間內(nèi)隨意轉(zhuǎn)動不發(fā)生機械碰撞的安全距離。
3.如權(quán)利要求2所述的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(I)中各定日鏡之間的列間距和行間距的搜索上界保證定日鏡之間不發(fā)生遮擋。
4.如權(quán)利要求3所述的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(2 )中的鏡場參數(shù)包括定日鏡的尺寸和土地面積。
5.如權(quán)利要求4所述的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(2)的太陽圓盤模型采用蒙特卡洛撒點法模擬其能流密度建立得到。
6.如權(quán)利要求5所述的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(2)中的太陽圓盤模型為非平行入射光模型。
7.如權(quán)利要求6所述的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(2)中采用蒙特卡洛光線追跡法計算鏡場的綜合光學效率。
8.如權(quán)利要求7所述的麥田型塔式太陽能熱電系統(tǒng)的鏡場優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(2)中基于CUDA計算平臺進行變量優(yōu)化。
【文檔編號】G06F19/00GK103500277SQ201310456386
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】趙豫紅, 周藝藝 申請人:浙江大學