塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電定日鏡系統(tǒng)建模與效率優(yōu)化研究

王 雪，王 磊，陳 麗

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125100；2.工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué))，浙江 杭州 310000)

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電定日鏡系統(tǒng)建模與效率優(yōu)化研究

王 雪1，王 磊1，陳 麗2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125100；2.工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué))，浙江 杭州 310000)

建立定日鏡跟蹤模型，分析理想定日鏡模型在實(shí)際中存在的鏡面中心偏移和基座傾斜的2個(gè)誤差因素，并將所研究的基于誤差補(bǔ)償和非誤差補(bǔ)償?shù)亩ㄈ甄R系統(tǒng)應(yīng)用到大規(guī)模熱發(fā)電站仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可較大程度消除誤差，提高逐日精度。該研究可大幅提高大規(guī)模光熱電站定日鏡陣場(chǎng)的安裝效率和熱發(fā)電效率，降低熱發(fā)電成本，對(duì)促進(jìn)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的發(fā)展具有積極的意義。

定日鏡；跟蹤模型；誤差校正；太陽(yáng)能熱發(fā)電

0 引言

隨著全球性能源危機(jī)的蔓延和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，各國(guó)都在積極尋求和發(fā)展新型可再生能源以替代傳統(tǒng)能源。太陽(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其豐富、清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)受到高度重視并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[1]。我國(guó)有著廣闊的可利用太陽(yáng)能的國(guó)土面積，太陽(yáng)能資源豐富，因此充分開發(fā)和高效利用太陽(yáng)能資源是解決當(dāng)前能源危機(jī)、環(huán)境問題的有效途徑[2]。

目前太陽(yáng)能發(fā)電主要有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電2種形式，其中光伏發(fā)電即光-電轉(zhuǎn)換，其基本原理是利用太陽(yáng)能電池的光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)轄射能直接轉(zhuǎn)換為電能[3]。光伏發(fā)電在國(guó)內(nèi)外開展研究較早，因此技術(shù)相對(duì)較為成熟，研究成果較多。相較而言，光熱發(fā)電則屬于較新的太陽(yáng)能發(fā)電研究領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)更是處于初步的探索研究階段[4]。光熱發(fā)電主要是利用定日鏡陣列高倍聚焦太陽(yáng)能反射至吸熱器上，然后通過換熱裝置將光能轉(zhuǎn)換成高溫高壓的熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電不必使用昂貴且效率較低的硅晶體光伏電池，成本更低，轉(zhuǎn)換效率更高[5]，因此這種形式的太陽(yáng)能利用具有光伏發(fā)電無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

定日鏡作為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的聚光部件，其在逐日過程中的聚光精度是影響整個(gè)系統(tǒng)工作效率的重要因素之一。因此在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，研究定日鏡的建模系統(tǒng)，使其在一天中不同時(shí)間都能對(duì)太陽(yáng)目標(biāo)進(jìn)行有效跟蹤，就顯得十分關(guān)鍵且具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文根據(jù)光學(xué)反射原理和天文知識(shí)建立定日鏡系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡模型，在此基礎(chǔ)上以杭州為對(duì)象進(jìn)行定日鏡運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，得到所仿真定日鏡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與定日鏡角度定義及光學(xué)反射原理相符合[6]，仿真結(jié)果表明，在保證計(jì)算精確同時(shí)目標(biāo)位置測(cè)量準(zhǔn)確的情況下，本文提出的這種計(jì)算定日鏡運(yùn)動(dòng)軌跡的方法可以實(shí)現(xiàn)精確聚光，滿足一般塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)定日鏡陣列聚光的要求。

1 太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中定日鏡系統(tǒng)建模原理

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)一般由4個(gè)關(guān)鍵部分組成：定日鏡陣列、吸熱器、發(fā)電機(jī)組、蓄熱系統(tǒng)。其工作原理模型如圖1所示，即熱發(fā)電系統(tǒng)首先利用定日鏡陣列接收高倍聚焦的太陽(yáng)輻射，然后通過定日鏡系統(tǒng)利用光學(xué)原理將太陽(yáng)能發(fā)射至塔頂固定位置的接收器上，最后通過換熱系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成高溫高壓的熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能[7]。其中關(guān)鍵技術(shù)之一就是定日鏡聚光系統(tǒng)，它是通過定日鏡將太陽(yáng)光反射到吸熱器的目標(biāo)點(diǎn)上，相對(duì)于定日鏡的安裝位置可調(diào)，塔頂吸熱器是固定的，因此，為實(shí)現(xiàn)定日鏡系統(tǒng)高效可靠的接收反射太陽(yáng)輻射，這就需要對(duì)定日鏡建模，讓其隨著每天太陽(yáng)方位的運(yùn)動(dòng)變化而變動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的精確跟蹤[8-9]。

圖1 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Tower-type solar thermal power generationsystem

1.1 太陽(yáng)位置建模

由于一天中太陽(yáng)位置在不斷變化，為了精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制，首先需要確定太陽(yáng)位置，對(duì)每天每一時(shí)刻太陽(yáng)的方位建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型[10]。太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，并且每天的運(yùn)動(dòng)軌跡都有所差異。日常生活中的鐘表時(shí)間采用的平太陽(yáng)時(shí)，即按照太陽(yáng)沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率計(jì)算所得的時(shí)間,并非是真實(shí)準(zhǔn)確的太陽(yáng)時(shí)。在工程計(jì)算中，通常需要采用真太陽(yáng)時(shí)，否則無(wú)法保證系統(tǒng)的精度要求。真太陽(yáng)時(shí)和平太陽(yáng)時(shí)存在時(shí)差，時(shí)差表示為

(1)

E=9.87sin(2B)-7.53cosB-1.5sinB

(2)

(3)

式中:E為時(shí)差；T為真太陽(yáng)時(shí)；T0為平太陽(yáng)時(shí)；n表示一年中的第n天。

國(guó)際上通常選用通過格林尼治天文臺(tái)埃里中星儀所在的經(jīng)線，作為全球時(shí)間和經(jīng)度計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)參考經(jīng)線，稱為本初子午線或0°經(jīng)線。同時(shí)，把格林尼治天文臺(tái)所在0°經(jīng)線處的平太陽(yáng)時(shí)作為世界時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)普遍采用的北京時(shí)間，即為東經(jīng)120°上的平太陽(yáng)時(shí)。某一經(jīng)度地區(qū)的平太陽(yáng)時(shí)用北京時(shí)間的表示方法為

(4)

式中：T120為北京時(shí)間，min；Llco為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，min。通過式(1)—(4)可以得到Llco經(jīng)度的真太陽(yáng)時(shí)(東經(jīng)取負(fù)號(hào))：

(5)

此時(shí)，可得到太陽(yáng)自轉(zhuǎn)的角速度ω，也稱為時(shí)角，計(jì)算公式如下：

(6)

由庫(kù)伯(Cooper)方程，可以得到太陽(yáng)赤緯角δ：

(7)

1.2 太陽(yáng)方位變化曲線

通常使用太陽(yáng)高度角a和方位角γ來(lái)說明太陽(yáng)的位置。太陽(yáng)高度角a為自觀察者所在地的地平面至觀察者與太陽(yáng)連線之間的夾角，太陽(yáng)方位角γ為太陽(yáng)光線在地面投影與正北方向夾角，且由北向東向南為正。在計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角時(shí)，通常采用地平坐標(biāo)系，已知地球上某觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度為φ(可由GPS測(cè)算得到)，太陽(yáng)高度角和方位角為

(8)

(9)

本文以1月份杭州(120.2E，30.3N)為研究對(duì)象獲取太陽(yáng)角度，可得n=26,φ=30.3°，取T0=06:00—18:00，得到一天中太陽(yáng)高度角及方位角變化曲線,如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)高度角和方位角變換曲線圖Fig.2 Variation curve of solar elevation angle and solar azimuth

2 定日鏡系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律建模與分析

塔式太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中，定日鏡的功能在于通過跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，然后聚焦太陽(yáng)光反射到集熱器上,從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞；是能量傳遞的關(guān)鍵部件,定日鏡的效率取決于對(duì)太陽(yáng)的跟蹤精度[11-12]。

因此根據(jù)平面鏡的光學(xué)反射原理，已知入射向量、反射向量就可以計(jì)算出法向量。理想情況下，認(rèn)為定日鏡基座垂直于水平面安裝，鏡面繞著中心點(diǎn)做俯仰、旋轉(zhuǎn)，兩軸垂直，定日鏡反射聚光的過程如圖3所示。s、n、t分別為入射向量、鏡面法向量、反射向量(又稱為目標(biāo)向量)，O為鏡面中心。

圖3 定日鏡工作示意圖Fig.3 Operation schematic diagram of heliostat

由于反射過程中向量t保持不變，所以用t來(lái)設(shè)定一個(gè)初始位置，如圖3所示，以t所在的平面為初始平面Ι，平面Ι與水平面垂直，在平面Ι上找到與t垂直且同起點(diǎn)的單位向量p0。跟蹤太陽(yáng)時(shí)，平面Ι會(huì)繞著t向量旋轉(zhuǎn)使其與入射向量、法向量共面，設(shè)平面Ι運(yùn)動(dòng)到平面Ⅱ的過程中，向量p0到p轉(zhuǎn)動(dòng)角度為φ，s與n夾角為θ，推導(dǎo)旋轉(zhuǎn)過程中各角度的關(guān)系如下：

(10)

(11)

(12)

代入t、s、p0向量即得到鏡面角度狀態(tài)，按照常識(shí)，太陽(yáng)位置呈東升西落有規(guī)律的變化，定日鏡也應(yīng)該有周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律，鏡面旋轉(zhuǎn)過程和角度φ與θ隨時(shí)間變化情況如圖4所示。

圖4 鏡面旋轉(zhuǎn)過程角度φ與θ隨時(shí)間變化示意圖Fig.4 Variation of mirror angle φ and θ with time during rotation

定日鏡旋轉(zhuǎn)過程的動(dòng)態(tài)變化數(shù)學(xué)模型為

s=(cosacosγ,cosasinγ,sina)

(13)

t=(cosa1cosγ1,cosa1sinγ1,-sina1)

(14)

式中a1、γ1分別為目標(biāo)向量t分解的高度角與方位角，取a1=53.13°， r1=30°。在Matlab環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以得到鏡面角度φ和θ變化曲線,如圖5所示。

圖5 定日鏡角度動(dòng)態(tài)變化仿真曲線圖Fig.5 Simulation curve of dynamic changes of heliostat angle

分析仿真結(jié)果和數(shù)學(xué)模型對(duì)比結(jié)果可知，圖4中定日鏡角度動(dòng)態(tài)變化曲線與變化規(guī)律預(yù)期結(jié)果吻合，說明定日鏡模型是有效的。

3 傳統(tǒng)定日鏡運(yùn)動(dòng)軌跡模型誤差分析及校正

由于太陽(yáng)能輻射到地球表面的能量密度較低，因此保證定日鏡的運(yùn)轉(zhuǎn)方式與太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)同步，是決定著塔式發(fā)電系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)高效利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵；然而在實(shí)際安裝過程中很難保證定日鏡系統(tǒng)位置處在絕對(duì)理想狀態(tài)，定日鏡系統(tǒng)的立柱傾斜、重力變形、定日鏡面中心與旋轉(zhuǎn)中心偏離以及初始位置偏離等各種誤差導(dǎo)致太陽(yáng)位置變?yōu)橄鄬?duì)的非線性變化，使跟蹤精度降低，其中鏡面旋轉(zhuǎn)中心改變、基座安裝傾斜這2個(gè)固有誤差對(duì)定日鏡跟蹤的影響最大[13-14]。

3.1 鏡面中心偏移帶來(lái)的誤差及其校正

由于定日鏡鏡與旋轉(zhuǎn)軸之間有一段距離，實(shí)際的反射法向量與理論下的法向量存在偏差，對(duì)應(yīng)的光線反射點(diǎn)的理論位置與實(shí)際位置也有偏移，鏡面中心點(diǎn)選取所產(chǎn)生的誤差如圖6所示。圖中：τ表示真實(shí)的鏡面法向量與理想法向量之間的夾角，ε表示從目標(biāo)點(diǎn)到實(shí)際反射點(diǎn)形成的偏移角度。設(shè)旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)到鏡面垂直距離為Th，節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)距離為L(zhǎng)。誤差推導(dǎo)過程如下：

(17)

(18)

(19)

圖6 鏡面中心點(diǎn)偏移示意圖Fig.6 Schematic of mirror center offset

由于τ→0，cosτ=1，所以有

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

通過上述公式可計(jì)算出誤差值τ、ε，就可以在每一次執(zhí)行定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)功能的時(shí)候，根據(jù)具體實(shí)際參數(shù)值進(jìn)行誤差補(bǔ)償操作，確保鏡面的反光點(diǎn)準(zhǔn)確地定位在聚光塔頂?shù)闹付ǖ木酃馕恢谩?/p>

3.2 基座傾斜帶來(lái)的誤差及校正

考慮安裝基座傾斜時(shí)，鏡面在垂直支撐架的狀態(tài)下并沒有完全平行于水平面，而是引入了偏轉(zhuǎn)角度。此時(shí)，以基座與地面交點(diǎn)為原點(diǎn)，以向北、向東、向上建立(x,y,z)坐標(biāo)系，取水平面向上定義為高度角正向，由北向東向南定為方位角正向，理想狀態(tài)下支撐架方向向量為p=(0,0,1)，基座傾斜可認(rèn)為其繞著x軸旋轉(zhuǎn)角度ρ1至p1，再經(jīng)z軸旋轉(zhuǎn)角度ρ2至p2，各向量關(guān)系如下:

(25)

(26)

所以有

(27)

4 基于誤差校正的優(yōu)化定日鏡模型在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 采用誤差校正后的定日鏡系統(tǒng)精度分析

采用上文所述誤差修正方法對(duì)定日鏡系統(tǒng)普遍存在的兩個(gè)誤差源，在定日鏡安裝時(shí)進(jìn)行一次校正，得到視日軌跡跟蹤控制中采用的角偏移量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)不同的安裝路面都能實(shí)現(xiàn)精確聚光?；谡`差校正和補(bǔ)償前后的定日鏡系統(tǒng)逐日跟蹤效率如圖7所示，分析可知，采用本文所述的校正方法能夠較大程度修正定日鏡誤差，得到更加精準(zhǔn)的跟蹤模型，可以確保定日鏡陣場(chǎng)可以最大程度吸收反射太陽(yáng)輻射，提高太陽(yáng)能熱發(fā)電效率。誤差補(bǔ)償后的優(yōu)化定日鏡模型的精度仿真圖也如圖7所示。

圖7 基于誤差校正的定日鏡系統(tǒng)仿真Fig.7 Heliostat system simulation based on error correction

4.2 基于優(yōu)化定日鏡系統(tǒng)的太陽(yáng)能跟蹤控制方案

定日鏡系統(tǒng)通過自身聚焦太陽(yáng)輻射反射到吸熱塔上的固定區(qū)域的熱塔上。吸熱塔每一區(qū)域是固定的，其能量變化情況受該區(qū)域定日鏡反射能量的影響。設(shè)光熱太陽(yáng)能發(fā)電站中m個(gè)定日鏡在逐日工作過程中的轉(zhuǎn)角值分別為θ1,θ2...θM，根據(jù)定日鏡光斑作用原理，每臺(tái)定日鏡都對(duì)應(yīng)吸熱塔上的發(fā)光區(qū)域，通過某區(qū)域的效能比變化情況可推斷其對(duì)應(yīng)定日鏡是否向最佳聚焦位置調(diào)整。然后采用本文所述修正誤差的優(yōu)化策略進(jìn)行改進(jìn)，具體方案為：通過整個(gè)吸熱塔效能比系數(shù)變化情況對(duì)所有定日鏡的迭代角度進(jìn)行擬合分析，從而計(jì)算出各區(qū)域定日鏡當(dāng)前位置和最佳聚焦角度的誤差；然后考慮鏡面中心偏移帶來(lái)的誤差和基座傾斜帶來(lái)的誤差，對(duì)控制系統(tǒng)一次性進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保定日鏡陣場(chǎng)中鏡面始終保持在最佳聚焦角度工作，提高太陽(yáng)能的利用率。其優(yōu)化方案流程如圖8所示。

圖8 定日鏡系統(tǒng)誤差補(bǔ)償控制流程圖Fig.8 Control flow chart of error compensation for heliostat system

4.3 應(yīng)用實(shí)例及效果分析

為檢測(cè)采用本文所述誤差校正和補(bǔ)償原理進(jìn)行改進(jìn)的塔式定日鏡系統(tǒng)及其控制方式在大規(guī)模鏡場(chǎng)的應(yīng)用精度和大功率塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的效率，參考浙大中控集團(tuán)的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站實(shí)際運(yùn)行情況，搭建以杭州為目的地的大型太陽(yáng)能光熱發(fā)電仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為3個(gè)區(qū)域，第1個(gè)區(qū)域設(shè)有1座吸熱裝置和100臺(tái)規(guī)格相同的定日鏡，第2個(gè)區(qū)域設(shè)置2座吸熱裝置和200臺(tái)定日鏡，第3個(gè)區(qū)域設(shè)置3臺(tái)吸熱裝置和100臺(tái)定日鏡。實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)光電基準(zhǔn)型定日鏡的數(shù)目和設(shè)立區(qū)域根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行選擇。

試驗(yàn)1： 將3個(gè)實(shí)驗(yàn)有效區(qū)域中全部定日鏡，按照普通基準(zhǔn)型定日鏡安放位置隨機(jī)選??；并且在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行區(qū)間不采用任何誤差校正和誤差補(bǔ)償；分別以3個(gè)不同的定日鏡區(qū)域?yàn)閷?duì)象，對(duì)杭州太陽(yáng)輻射最佳的6—8月份日均發(fā)電功率以及其3個(gè)月內(nèi)每天各個(gè)時(shí)間段的平均發(fā)電功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 采用非誤差補(bǔ)償定日鏡的熱發(fā)電站日均發(fā)電功率Table 1 Average daily generated power of thermal power stations with non-error compensation based heliostat

表2 采用非誤差補(bǔ)償定日鏡的熱發(fā)電站一天各時(shí)段 平均發(fā)電功率Table 2 Average generated power in each time period within one day of thermal power plants with non-error compensation based heliostat

試驗(yàn)2： 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇和實(shí)驗(yàn)1完全一樣，將區(qū)域內(nèi)全部定日鏡先按照普通基準(zhǔn)型定日鏡安放位置隨機(jī)選取，然后統(tǒng)一采取本文所述改進(jìn)方法對(duì)定鏡系統(tǒng)進(jìn)行誤差校正和控制動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。統(tǒng)計(jì)基于改進(jìn)定日鏡陣列的視日軌跡跟蹤過程的平均日發(fā)電功率數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采用誤差補(bǔ)償定日鏡的熱發(fā)電站日均發(fā)電功率Table 3 Average daily generated power of thermal power stations with error compensation based heliostat

橫向?qū)Ρ群头治霰?和表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出采用基于誤差補(bǔ)償?shù)亩ㄈ甄R逐日跟蹤系統(tǒng)與普通定日鏡系統(tǒng)相比，3個(gè)區(qū)域發(fā)電效率依次提升約23%、26%和32%，即隨著鏡場(chǎng)的定日鏡臺(tái)數(shù)增加，發(fā)電效率更高。這主要因?yàn)椴捎谜`差修正和補(bǔ)償控制的系統(tǒng)，及時(shí)消除了鏡面運(yùn)行過程中的積累誤差，保證每臺(tái)定日鏡都高效運(yùn)轉(zhuǎn)；而非誤差補(bǔ)償?shù)亩ㄈ甄R系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中易造成誤差的累計(jì)和擴(kuò)大，隨著定日鏡臺(tái)數(shù)增加，誤差反而持續(xù)增大，使之前的誤差以倍增效率呈現(xiàn)，進(jìn)一步影響到系統(tǒng)的效率。這也充分說明大型熱發(fā)電站鏡場(chǎng)采用基于誤差補(bǔ)償控制運(yùn)行大必要性和本文改進(jìn)的定日鏡系統(tǒng)的提高發(fā)電效率的有效性。最后，給出基于表中數(shù)據(jù)得到的，采用定日鏡誤差補(bǔ)償前后熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率曲線，如圖9、10所示。采用改進(jìn)的定日鏡系統(tǒng)通過提高每天各個(gè)時(shí)間段視日軌跡跟蹤精度，及時(shí)消除運(yùn)行累計(jì)誤差，最終提高了光熱電站的發(fā)電效率。

圖9 基于一天不同時(shí)間間隔采用定日鏡 誤差補(bǔ)償前后的光熱電站日均發(fā)電效率對(duì)比圖Fig.9 Comparison chart of daily average power generation efficiency of solar thermal power plant before and after using error compensation with heliostat at different time intervals within a day

圖10 基于不同定日鏡數(shù)量采用定日鏡誤差補(bǔ)償前后的 光熱電站發(fā)電效率對(duì)比圖Fig.10 Comparison chart of power generation efficiency of solar thermal power plant before and after using error compensation with heliostat based on a different number of heliostats

5 結(jié)論

本文通過研究塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的定日鏡系統(tǒng)，建立太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)位置模型及理想狀態(tài)下定日鏡跟蹤系統(tǒng)數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型。在Matlab環(huán)境下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示定日鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律與定日鏡角度定義及光學(xué)反射原理相符合，表明這種計(jì)算定日鏡運(yùn)動(dòng)軌跡方法的正確性和可行性。其次，重點(diǎn)分析了鏡面中心偏轉(zhuǎn)和基座傾斜引起的固有誤差，為帶誤差系統(tǒng)提供校正方法，使定日鏡在實(shí)際應(yīng)用中能夠達(dá)到精確聚光要求。最后，將所研究的基于誤差補(bǔ)償定日鏡系統(tǒng)應(yīng)用到大規(guī)模熱發(fā)電站仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)果表明：改進(jìn)的定日鏡跟蹤系統(tǒng)較大程度上消除了誤差，提高了逐日精度和運(yùn)行效率。該研究大幅提高了大規(guī)模光熱電站定日鏡陣場(chǎng)的安裝效率，降低了熱發(fā)電成本，提高了熱發(fā)發(fā)電效率，對(duì)促進(jìn)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的發(fā)展具有積極的意義，可以推廣應(yīng)用到大規(guī)模鏡場(chǎng)的太陽(yáng)能熱發(fā)電站。

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王 雪

(編輯 谷子)

Modeling and Efficiency Optimization of Heliostat System in Tower-Type Solar Thermal Power Generation

WANG Xue1, WANG Lei1, CHEN Li2

(1. Electrical Control Engineering Institute, Liaoning Technical University, Huludao 125100, Liaoning Province, China;2. State Key Laboratory of Industrial Control Technology(Zhejiang University), Hangzhou 310000, Zhejiang Province, China)

This paper establishes the heliostat tracking model, and analyzes two error factors of mirror center offset and tilt of the base of the ideal heliostat model that exists in the actual work. The heliostat system based on the studied error and non-error compensation is applied to the simulation experiment platform of large-scale thermal power plant. The results show that the system eliminates errors to a large extent and improves the daily accuracy. This study significantly improves the installation efficiency and thermal power generation efficiency of heliostat array field in large-scale solar thermal power plant and reduces the cost of thermal power generation, which has a positive meaning in promoting the development of solar thermal power generation.

heliostat; tracking model; error correction; solar thermal power generation

TK 51

A

2096-2185(2017)03-0008-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.002

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177067； 50607007)

2017-04-25

王 雪(1992—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)無(wú)功優(yōu)化；

王 磊(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘?yáng)能發(fā)電及其控制技術(shù)，975743670@qq.com；

陳 麗(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閳D像算法及其處理。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51177067; 50607007)