一種多點聚焦塔式太陽能熱發(fā)電站的聚焦點優(yōu)化設計方法與流程

本發(fā)明涉及一種多點聚焦塔式太陽能熱發(fā)電站的聚焦點優(yōu)化設計方法，屬于太陽能光熱發(fā)電
技術領域：
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背景技術：
：塔式太陽能熱發(fā)電技術是通過多面反射鏡構成的鏡場將太陽能聚焦到高塔上，再利用集熱器將光能轉化為熱能，直接或間接將水加熱生成水蒸氣，進而利用水蒸氣驅動汽輪機做功發(fā)電，如申請?zhí)枮?01310373199.8的中國專利所示。現有的塔式太陽能熱發(fā)電站一般采用開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及開閉環(huán)結合3種跟蹤控制方式使其定日鏡隨著太陽位置的變動調整角度，實時將太陽光全部反射到集熱器。理想條件下，不同的鏡子對焦不同，所有的反射能量疊加后保證沿軸向即吸熱管長度方向上受熱均勻一致，不會發(fā)生過熱現象。但由于這樣設計鏡場復雜度高，一般僅設置一個或幾個聚焦點。通常塔式發(fā)電系統(tǒng)理論聚光比達到1000以上，當定日鏡的目標點均在集熱器上同一位置(即單點聚焦)，易導致集熱器吸熱管局部位置出現較大的熱流密度，進而引起吸熱管過熱，損壞集熱器結構，影響電站的正常運行。具體的，對于集熱器吸熱管單根管道而言，其外徑相對于集熱器直徑很小，因此太陽輻射熱流在單根吸熱管受熱面周向分布基本均勻，而吸熱管軸向(即高度方向)輻射熱流分布通常在定日鏡場單點聚焦時變化較大，易在鏡場聚焦點位置處出現過大的輻射熱流，導致熱故障。對此，可以采用多點聚焦的鏡場控制策略，即對定日鏡場進行分區(qū)控制，太陽輻射投射到集熱器受熱面的不同聚焦點，使受熱面的熱負荷分布更加均勻。故聚焦點位置確定的優(yōu)化設計逐漸提上日程。技術實現要素：本發(fā)明的目的在于克服現有技術中存在的上述不足，而提供一種多點聚焦塔式太陽能熱發(fā)電站的聚焦點優(yōu)化設計方法，使得集熱器吸熱管受熱面輻射熱流分布更加均勻。本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案是：一種多點聚焦塔式太陽能熱發(fā)電站的聚焦點優(yōu)化設計方法，其特征在于：采用具有多個極大值的高斯分布描述塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡場多點聚焦時集熱器吸熱管表面高度方向上具有多個熱流集中點的輻射熱流分布，具體包括以下步驟：(1)確定集熱器結構參數：設集熱器吸熱管高度為h；(2)確定多點聚焦時，輻射熱流和聚焦點位置的高斯分布關系式；(3)確定多點聚焦時，其他聚焦點pi的位置piz和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式；i為聚焦點的序號；piz為第i個聚焦點的位置；(4)根據步驟(2)和步驟(3)得到輻射熱流和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式；(5)根據步驟(4)得到輻射熱流極大值和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式，在集熱器吸熱管接收的總輻射熱流恒定的情況下，以第一個聚焦點p1的位置p1z為優(yōu)化變量進行優(yōu)化，得到輻射熱流極大值qmax的最優(yōu)值，所述的最優(yōu)值使輻射熱流極大值qmax最小，此時其對應的第一個聚焦點p1的位置p1z為最優(yōu)位置；(6)根據步驟(5)得到的第一個聚焦點p1的位置p1z為最優(yōu)位置，結合步驟(3)，得到其他聚焦點pi的位置piz；所述輻射熱流為塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡場多點聚焦時，集熱器吸熱管表面高度方向上具有的多個熱流集中點的輻射熱流；所述的聚焦點分布于集熱器上。優(yōu)選的，本發(fā)明所述步驟(2)中高斯分布輻射熱流的位置參數μi為聚焦點的位置所在的高度參數，以計算式(1)得到；高斯分布的尺度參數σ通過高斯分布的3σ原則由計算式(2)得到：μi＝piz(i＝1,2,3,…,n)(1)3σ＝p1z(2)；式中：p1z為第一個聚焦點的位置；i為聚焦點的序號；piz為第i個聚焦點的位置。對于多點聚焦熱流密度分布，本發(fā)明采用符合實際情況的具有多個極大值的高斯分布函數來表示集熱器吸熱管表面具有多個熱流集中點，熱流集中點個數和熱流極大值個數相等。同時，熱流集中點處對應的熱流為極大值熱流，則高斯分布輻射熱流的位置參數μi為熱流集中點所在的高度參數，即μi＝piz(i＝1,2,3,…,n)。高斯分布的3σ原則為高斯分布的固有特性，即高斯曲線下，橫軸區(qū)間(μ-3σ≤x≤μ+3σ)內的面積為99.7％。這樣可以保證集熱器吸熱管在不同聚焦點位置引起不同的輻射熱流高斯分布時，受熱面接受的鏡場聚焦總輻射熱流相同。優(yōu)選的，本發(fā)明所述步驟(2)中輻射熱流和聚焦點位置的高斯分布關系式為計算式(3)：式中：q為集熱器吸熱管表面高度方向上的輻射熱流；qmax為輻射熱流極大值；e為自然常數；σ為高斯分布的尺度參數；n為聚焦點的個數；△z為高斯分布波峰和波谷的橫軸間距；z為集熱器吸熱管表面高度方向上的位置變量，其區(qū)間范圍為[0-h]。對于多點聚焦熱流密度分布，本發(fā)明采用符合實際情況的具有多個極大值的高斯分布函數來表示集熱器吸熱管表面具有多個熱流集中點，可得輻射熱流和聚焦點位置的高斯分布關系式——計算式(3)。優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(3)中，其他聚焦點pi的位置piz和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式為計算式(4)和(5)：(n-1)·△z＝h/2-p1z(4)piz＝p1z+2·(i-1)·△z(5)。綜合考慮高斯分布函數對稱特性和管道結構參數，得到計算式(4)和(5)。優(yōu)選的，本發(fā)明第一個聚焦點p1的位置p1z的區(qū)間范圍為[0-h/2]。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。根據高斯分布函數的對稱特性，第一個聚焦點p1的位置p1z在區(qū)間范圍[0-h/2]內取值，這樣可使得多點聚焦時，聚焦點位置在集熱器吸熱管整個高度h上均勻分散分布。本發(fā)明步驟(4)中，輻射熱流和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式為計算式(6)：本發(fā)明所述的集熱器型式為外置四周式。本發(fā)明所述的聚焦點分布于集熱器中心軸線上。本發(fā)明所述的集熱器為多個圓弧面構成的圓柱型，或者多個平面構成的棱柱型。本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點和效果：本發(fā)明針對塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡場多點聚焦控制策略，將集熱器吸熱管表面高度方向上輻射熱流不均勻度最小作為優(yōu)化目標，得到最優(yōu)化的聚焦點位置，使得集熱器吸熱管表面高度方向上的輻射熱流極大值最小，輻射熱流不均勻度最小，能夠很好地避免集熱器表面局部過熱，進而延長發(fā)電站的使用壽命。同時設計方法簡單、快速。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例集熱器吸熱管表面軸向輻射熱流和聚焦點位置的高斯分布示意圖。圖2為本發(fā)明實施例不同聚焦方式下輻射熱流極大值和第一個聚焦點位置的關系示意圖。圖3為本發(fā)明實施例兩點聚焦時，最優(yōu)聚焦點位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。圖4為本發(fā)明實施例五點聚焦時，最優(yōu)聚焦點位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。具體實施方式下面結合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。本發(fā)明以集熱器吸熱管表面高度方向上輻射熱流不均勻度最小作為優(yōu)化目標，采用具有多個極大值的高斯函數來描述塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡場多點聚焦時吸熱管表面高度方向上具有的多個熱流集中點的輻射熱流分布，得到輻射熱流極大值和聚焦點位置的關系式，以聚焦點位置為優(yōu)化變量進行優(yōu)化，使得定日鏡場多點聚焦時，集熱器吸熱管表面高度方向輻射熱流極大值最小，進而輻射熱流不均勻度最小。通常，集熱器吸熱管表面接收到的定日鏡反射陽光的能流密度看作按高斯函數或余弦函數分布。本發(fā)明選擇采用高斯函數當塔式太陽能熱發(fā)電站采用多點聚焦策略時，采用具有多個極大值的高斯分布函數來表示集熱器吸熱管表面具有多個熱流集中點。對于一個固定的定日鏡場，接受到的總輻射熱流一定，則集熱器吸熱管具有相同的平均熱流。在平均熱流一定的情況下，可以用熱流極大值表征熱流分布的不均勻度。集熱器型式為外置四周式，且其對應周向布置的定日鏡場。聚焦點分布于集熱器中心軸線上。集熱器可以是多個圓弧面構成的圓柱型，也可以是多個平面構成的棱柱型。本發(fā)明中：q為集熱器吸熱管表面高度方向上的輻射熱流；qmax為輻射熱流極大值(也稱最大熱流、極大熱流)；e為自然常數；σ為高斯分布的尺度參數；n為聚焦點的個數；△z為高斯分布波峰和波谷的橫軸間距；h為集熱器吸熱管高度；i為聚焦點的序號；p1z為第一個聚焦點的位置；piz為第i個聚焦點的位置；z為集熱器吸熱管表面高度方向上的位置變量，且其區(qū)間范圍為[0-h]。第一個聚焦點p1的位置p1z的區(qū)間范圍為[0-h/2]。本發(fā)明所述輻射熱流為塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡場多點聚焦時，集熱器吸熱管表面高度方向上具有的多個熱流集中點的輻射熱流。本發(fā)明所述的聚焦點分布于集熱器上，這個概念對于本領域技術人員來說是屬于公知技術，不再累述。本實施例具體包括以下步驟：(1)確定集熱器結構參數：集熱器吸熱管高度h；實際電站設計中，集熱器結構參數為已知值。本發(fā)明實施例參考目前已有塔式太陽能電站集熱器結構參數，集熱器吸熱管高度取h＝10m。(2)確定多點聚焦時，輻射熱流和聚焦點位置的高斯分布關系式；如圖1所示，對于多點聚焦熱流密度分布，本發(fā)明實施例采用符合實際情況的具有多個極大值的高斯分布函數來表示集熱器吸熱管表面具有多個熱流集中點，熱流集中點個數和熱流極大值個數相等。同時，熱流集中點處對應的熱流為極大值熱流，則高斯分布輻射熱流的位置參數μi為熱流集中點位置所在的高度參數，即計算式(1)：μi＝piz(i＝1,2,3,…,n)，因此根據圖1，對于多點聚焦熱流密度分布，本發(fā)明采用符合實際情況的具有多個極大值的高斯分布函數來表示集熱器吸熱管表面具有多個熱流集中點，可得輻射熱流和聚焦點位置的高斯分布關系式：計算式(3)：(3)確定多點聚焦時，其他聚焦點pi的位置piz和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式；如圖1所示，綜合考慮高斯分布函數對稱特性和管道結構參數，得到如下其他聚焦點pi的位置piz和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式：計算式(4)和(5)：(n-1)·△z＝h/2-p1z(4)piz＝p1z+2·(i-1)·△z(5)。(4)根據步驟(2)和(3)得到輻射熱流和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式：計算式(6)：(5)根據步驟(4)得到的輻射熱流極大值和第一個聚焦點p1的位置p1z的關系式，在集熱器吸熱管接收的總輻射熱流恒定的情況下，以第一個聚焦點p1的位置p1z為優(yōu)化變量進行優(yōu)化，得到輻射熱流極大值qmax的最優(yōu)值，該最優(yōu)值使輻射熱流極大值qmax最小，此時其對應的第一個聚焦點p1的位置p1z為最優(yōu)位置；同一時刻，對于一個固定的定日鏡場，聚焦點位置不同導致不同的輻射熱流高斯分布，但定日鏡場反射聚焦到集熱器吸熱管表面的總輻射熱流是相同的，在以第一個聚焦點p1的位置p1z為優(yōu)化變量進行優(yōu)化過程中，必須保證受熱面接收的鏡場聚焦輻射總熱流相同。則在圖1中，第一個聚焦點p1的位置p1z和高斯分布的輻射熱流尺度參數σ的關系必須滿足高斯分布的3σ原則，如計算式(2)所示：3σ＝p1z(2)。高斯分布的3σ原則為高斯分布的固有特性，即高斯曲線下，橫軸區(qū)間(μ-3σ≤x≤μ+3σ)內的面積為99.7％。這樣可以保證集熱器吸熱管在不同聚焦點位置導致不同的輻射熱流高斯分布時，受熱面接受的鏡場聚焦輻射總熱流相同。如圖2所示，單點聚焦時，輻射熱流極大值qmax隨著第1個聚焦點位置p1z增大，輻射熱流極大值qmax持續(xù)減小，在p1z＝h/2處取得最小值，此時的聚焦點位置即為單點聚焦方式下，聚焦點的最優(yōu)位置；多點聚焦方式下，輻射熱流極大值qmax與第1個聚焦點的位置p1z密切相關，且變化趨勢一致，均隨著第1個聚焦點位置p1z增大，輻射熱流極大值qmax先減小后增大?？紤]到對于固定的定日鏡場，吸熱管接收的總輻射熱流不變，則集熱器吸熱管具有相同的平均熱流。在平均熱負荷一定的情況下，可以用輻射熱流極大值表征熱流分布的不均勻性。因此對應最小的輻射熱流極大值qmax所取的第1個聚焦點位置p1z即為第1個聚焦點的最優(yōu)位置。輻射熱流極大值qmax越小，意味著吸熱管表面的能流分布不均勻性越小，熱偏差越小，吸熱管越不易出現過熱故障。(6)根據步驟(5)得到的第一個聚焦點p1的位置p1z為最優(yōu)位置，結合步驟(3)，得到其他聚焦點pi的位置piz；圖3為集熱器吸熱管高度取h＝10m，平均熱負荷qavg取100kw/m2時，兩點聚焦方式下最優(yōu)聚焦點位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。將最優(yōu)聚焦點位置和極大熱流從圖3提取出來，列出如表1。表1兩點聚焦方式下的最優(yōu)聚焦點位置和極大熱流聚焦方式極大熱流kw/m2最優(yōu)聚焦點位置/m兩點聚焦qmax＝189.5p1z＝3.63；p2z＝6.37圖4為集熱器吸熱管高度取h＝10m，平均熱負荷qavg取100kw/m2時，五點聚焦方式下最優(yōu)聚焦點位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。將最優(yōu)聚焦點位置和極大熱流從圖4提取出來，列出如表2。表2五點聚焦方式下的最優(yōu)聚焦點位置和極大熱流本說明書中所描述的以上內容僅僅是對本發(fā)明結構所作的舉例說明；而且，本發(fā)明各部分所取的名稱也可以不同，凡依本發(fā)明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護范圍內。當前第1頁12