塔式電站中定日鏡轉(zhuǎn)動角度分析

丁偉杰（南京師范大學，江蘇南京，210042）

塔式電站中定日鏡轉(zhuǎn)動角度分析

丁偉杰
（南京師范大學，江蘇南京，210042）

在塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中，定日鏡場的對日追蹤是電站正確運行的基礎(chǔ)。本文建立了定日鏡的反射模型，結(jié)合歐拉旋轉(zhuǎn)公式，獲得了全鏡場定日鏡轉(zhuǎn)動角度分布特性。

塔式太陽能； 太陽軌跡 ；雙軸轉(zhuǎn)動； 角度分析

0 引言

自從進入工業(yè)時代，能源的過度開采及低水平的開發(fā)利用帶來的能源危機，促使清潔高效的太陽能成為了世界各國的關(guān)注和研究對象。

目前主要的太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括光伏和光熱發(fā)電。光熱發(fā)電因其能耗低，大規(guī)模發(fā)電經(jīng)濟效應(yīng)好而成為主要的太陽能發(fā)電方式。其中，塔式熱發(fā)電系統(tǒng)中定日鏡場的設(shè)計以及定日鏡對于太陽的跟蹤能力決定了投射到吸熱塔上的吸熱器中的太陽能的多少。對于鏡場中定日鏡的反射建模和控制角度的分析，在定日鏡場安全高效運行中起到了重要作用。

目前，對于定日鏡場的余弦效率的研究，已經(jīng)獲得了一些成果。但是，對于全鏡場定日鏡角度控制方面，缺乏具體細致的建模和分析。本文以塔式太陽能發(fā)電站為研究對象，通過分析鏡場的運行特性，定日鏡對太陽的追蹤問題，結(jié)合太陽運動特性以及其輻射的分布情況，建立了矩形鏡場下的鏡場反射模型。結(jié)合歐拉旋轉(zhuǎn)公式。，對全鏡場的定日鏡轉(zhuǎn)動角度進行分析，從而掌握定日鏡的機械轉(zhuǎn)動特性，以確保電站穩(wěn)定持續(xù)運行。

1 鏡場布置及開關(guān)場時間

本文以青海德令哈地區(qū)為參考對象，設(shè)計了一個矩形鏡場。該鏡場共有2500面定日鏡，每面鏡子面積為5.55平方米[1]。考慮到長方形鏡面的風抗小，且根據(jù)經(jīng)驗，定日鏡的長寬比為1.6:1.25[2]時為理想比例，所以采用長為2.7米，寬為2.1米的長方形定日鏡。相鄰的定日鏡之間的距離都是定日鏡的特征長度為20厘米。定日鏡的支架高度為2.25米。

具體布置方法如下：

其中xL為相鄰定日鏡之間的左右距離，yL為前后距離。

2 定日鏡反射模型

定日鏡用于將太陽的入射光線準確地反射到吸熱器上，這要求定日鏡能夠準確地進行的實時對日追蹤。本文采用的對日追蹤方式是雙軸追蹤[3]，即采用對方位軸和高度軸的控制進行跟蹤。其中方位軸垂直于水平面，高度軸與水平面平行且與方位軸垂直。本節(jié)利用定日鏡上光的反射定律進行建模[4]，對定日鏡雙軸轉(zhuǎn)動的角度控制進行仿真，得到定日鏡雙軸轉(zhuǎn)動的角度分布情況。

由于定日鏡場反射太陽輻射能量，而一年四季中夏季和冬季太陽輻射分別為最強和最弱，春分日和秋分日處于平均水平，所以春分日鏡場反射能量可以看作一年中鏡場反射能量的平均值。從而，本文選擇春分日進行仿真，從而了解鏡場全年的定日鏡雙軸控制的角度轉(zhuǎn)動特性。

定日鏡將接收到的太陽輻射反射到吸熱塔的吸熱器中，如圖1，設(shè)入射光線為，高度角和方位角設(shè)為α1→和β1，反射光ˉ→線為，高度角和方位角ˉˉ→設(shè)為α2和β2。則入射光線I ，反射光線R以及定日鏡的法線N 滿足反射定律,如下：

設(shè)定日鏡的法線為，的高度角和方位角分別為α和β，如圖1。

可以求得：

圖1 定日鏡反射示意圖

3 定日鏡雙軸轉(zhuǎn)動角度特性分析

對于雙軸視日跟蹤方法中，對高度軸和方位軸的控制可以視為現(xiàn)將定日鏡繞高度軸旋轉(zhuǎn)角度y,再繞方位軸旋轉(zhuǎn)ˉˉ角ˉ→度z。假設(shè)定日鏡的初始位姿為平行于地面，即其法線方向N0為(001)T，根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)定理[5]，將法線先繞高度軸旋轉(zhuǎn)角度y，再繞方位軸旋轉(zhuǎn)角度z，可以等效為將法向量依次左乘旋轉(zhuǎn)矩陣R,R,得到新的法向量ˉNˉ→為(abc)T.如下式.

yz222

可知，雙軸轉(zhuǎn)動的高度軸轉(zhuǎn)動角度和定日鏡的高度角相等，方位軸轉(zhuǎn)動角度比定日鏡的方位角少180°。

通過對春分日全鏡場的定日鏡雙軸控制進行仿真可得到其任意時刻全鏡場的高度軸和方位軸相對于定日鏡初始位姿的角度變化大小，取春分日12點進行仿真，如圖2所示。

進一步得可以得知春分日全鏡場定日鏡追日過程中需要改變的方向軸和高度軸角度的最大值，為270°和85°。雙軸轉(zhuǎn)動角度應(yīng)該滿足定日鏡的機械特性，角度過大會導致轉(zhuǎn)軸的磨損和能量的損失。對于定日鏡轉(zhuǎn)軸的角度研究有助于設(shè)定每面定日鏡的初始位姿以及改變鏡場的布置結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文對塔式太陽能熱發(fā)定日鏡反射模型進行了建模，通過分析定日鏡雙軸控制角度轉(zhuǎn)動情況，得到定日鏡場各方位定日鏡的機械特性，對于保證鏡場的安全高效運行有著重要作用，并對于定日鏡的初始位姿的設(shè)計有著指導意義。

圖2 雙軸控制角度變化圖

[1]何麗娟.塔式電站中定日鏡場的建模與仿真[D].南京師范大學，2014.

[2]杜春旭，王普，馬重芳，吳玉庭，申少青.一種高精度太陽位置算法[J].能源工程，2010（2）:41-48.

[3]Hongli Zhang,Zhifeng Wang,Minghuan Guo,Wenfeng Liang.Cosine efficiency distribution of heliostats field of solar thermal power tower plants[C].Asia-pacific Power&Energy Engineering Conference,2009:1-4.

[4]L.Garcia,M.Burisch,M.Sanchez.Spillage estimation in a heliostats field for solar field optimization[C].Energy Procedia 69 ( 2015 ) 1269 – 1276.

[5]煮雷鳴，吳曉平，李建偉，吳星.直角坐標系的歐拉旋轉(zhuǎn)變化[J]海洋測繪，2010（5）:21-22.

Analysis of heliostat tower power plant in rotation

Ding Weijie
(Nanjing Normal University Jiangsu,Nanjing Jiangsu,210042)

In the tower solar thermal power generation technology, the heliostat field of tracking is the basis of the correct operation of power plant. This paper established a heliostat reflection model, Euler rotation formula, obtained the whole mirror rotation angle of the heliostat field distribution characteristics.

tower solar energy; solar trajectory; double axis rotation; angle analysis