塔式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)聚焦策略?xún)?yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及塔式太陽(yáng)能熱電站領(lǐng)域，特別是涉及一種塔式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)的聚 焦策略?xún)?yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 塔式太陽(yáng)能熱電站利用很多個(gè)獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡，將太陽(yáng)光聚焦到一個(gè)固定 在接收塔頂部的吸熱器上，加熱流經(jīng)吸熱器內(nèi)部的傳熱介質(zhì)，再使用高溫介質(zhì)的熱能帶動(dòng) 汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。它是所有大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中成本最低的一種，有著廣泛的應(yīng) 用前景。
[0003] 塔式太陽(yáng)能熱電站中的聚光、集熱子系統(tǒng)，包括定日鏡場(chǎng)和安裝在接收塔上的吸 熱器等，一直是研究的關(guān)注點(diǎn)。在定日鏡場(chǎng)的聚光仿真中，需要關(guān)注吸熱器獲得的能量是否 滿(mǎn)足發(fā)電需求，同時(shí)盡量減少由于定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的能量。通常是假設(shè)所有定日鏡聚焦 于吸熱器物理中心點(diǎn)以簡(jiǎn)化計(jì)算。然而如果在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用此聚焦策略則會(huì)造成吸 熱器表面受熱不均勻和局部溫度過(guò)高，同時(shí)發(fā)電功率也會(huì)隨著天氣波動(dòng)，輸出不穩(wěn)定的電 能，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。因此必須采用合理的聚焦策略，設(shè)置多個(gè)聚焦點(diǎn)來(lái)優(yōu)化吸熱器受熱面 的接受能量滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行需求。
[0004] 現(xiàn)有的鏡場(chǎng)聚焦策略的研究中，有的技術(shù)僅僅設(shè)計(jì)鏡場(chǎng)聚焦方式以獲得最多的能 量，但沒(méi)有考慮后續(xù)發(fā)電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行；有的技術(shù)以吸熱器獲得的能流密度最均勻?yàn)槟?標(biāo)來(lái)進(jìn)行鏡場(chǎng)聚焦調(diào)度，但并未考慮能流密度與溢出率的關(guān)系，過(guò)多地關(guān)注能流密度是否 均勻會(huì)降低整個(gè)聚焦集熱系統(tǒng)的效率，與實(shí)際不符。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種塔式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)的聚焦策略?xún)?yōu)化方法，保證了吸熱器接 收到的能量滿(mǎn)足后續(xù)發(fā)點(diǎn)系統(tǒng)的需求，并使得定日鏡操作成本降低，達(dá)到減少能耗、提高系 統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] (1)記錄上一定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻的聚焦?fàn)顟B(tài)，并給定當(dāng)前時(shí)刻為穩(wěn)定電站輸出所需 的能量值。
[0008] 選定定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率f，則上一定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻tbrf_為現(xiàn)在時(shí)刻t _減去Ι/f， 記錄下時(shí)刻每一定日鏡聚焦的聚焦點(diǎn)編號(hào)，記錄方式為一個(gè)長(zhǎng)度為η _ Mtel的數(shù)組， 11_為聚焦點(diǎn)個(gè)數(shù)，n 為定日鏡個(gè)數(shù)，若第i個(gè)定日鏡聚焦到了第j個(gè)聚焦點(diǎn)處，則數(shù)組中 第nain · (i-l)+j個(gè)元素的值為1，否則為0。
[0009] 當(dāng)前時(shí)刻為穩(wěn)定電站輸出所需的能量值Qin由塔式太陽(yáng)能電站后續(xù)子系統(tǒng)的控制 系統(tǒng)提供。
[0010] ⑵計(jì)算任一定日鏡聚焦點(diǎn)變動(dòng)時(shí)控制電機(jī)需要消耗的能量，該能量的計(jì)算由定 日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角和高度角確定。
[0011] 任一定日鏡聚焦點(diǎn)的變化有以下四種情況：1)定日鏡〇由聚焦在聚焦點(diǎn)A處轉(zhuǎn)移 到聚焦在聚焦點(diǎn)B處；2)定日鏡0由聚焦在聚焦點(diǎn)A處轉(zhuǎn)移到備用狀態(tài)；3)定日鏡0由備 用狀態(tài)轉(zhuǎn)移到聚焦在聚焦點(diǎn)A處；4)定日鏡0前一時(shí)刻和現(xiàn)在時(shí)刻均處于備用狀態(tài)或聚焦 在同一聚焦點(diǎn)處。根據(jù)這四種聚焦點(diǎn)轉(zhuǎn)變情況，在方位角-高度角控制方式下，制定了如下 不同的計(jì)算方法：針對(duì)第一種情況，在吸熱器平面上由A點(diǎn)作一條水平直線(xiàn)與B點(diǎn)所在的豎 直線(xiàn)相交于C點(diǎn)，則定日鏡0所需要旋轉(zhuǎn)的方位角a azi = ZA0C/2,高度角a ele=ZB0C/2 ; 針對(duì)第二和第三種情況，選取固定的方位角和高度角aazl= a α，其中α為距離吸 熱器最近的定日鏡聚焦點(diǎn)由吸熱器任一對(duì)角線(xiàn)處的一個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)頂點(diǎn)處時(shí)的方 位角與高度角中的較大者；針對(duì)第四種情況，定日鏡不需旋轉(zhuǎn)，則取Ct azl= a 0。
[0012] 任一定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)消耗的能量計(jì)算公式為：
[0013] Quse= 1. 829476 a azi+l. 206763 a ele (I)
[0014] (3)以滿(mǎn)足能量需求和減少定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)操作成本為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造優(yōu)化問(wèn)題。
[0015] 為了實(shí)現(xiàn)鏡場(chǎng)的聚焦策略?xún)?yōu)化，需要確定所有定日鏡現(xiàn)在時(shí)刻各自的聚焦點(diǎn)，同 時(shí)達(dá)到吸熱器上接收到的能量等于后續(xù)子系統(tǒng)發(fā)電所要求的能量和減少由于定日鏡為改 變聚焦點(diǎn)而產(chǎn)生的電機(jī)能量消耗的目的。對(duì)應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題為：
[0016]
[0017]
[0018] 其中，rw為定日鏡數(shù)目，η _為聚焦點(diǎn)數(shù)目，X (i，j)為第i面定日鏡聚焦到第j個(gè) 聚焦點(diǎn)的狀態(tài)，存在聚焦關(guān)系則為1，否則為〇, Q(i，j)為第i面定日鏡聚焦到第j個(gè)聚焦 點(diǎn)時(shí)吸熱器收集到的能量，Qe為保證塔式太陽(yáng)能電站平穩(wěn)發(fā)電時(shí)吸熱器需要提供的能量，Q u 為定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)消耗的總能量。
[0019] (4)利用粒子群算法來(lái)求解優(yōu)化問(wèn)題，得到當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)的聚焦策略
[0020] 步驟一：參數(shù)設(shè)置。輸入定日鏡坐標(biāo)參數(shù)、吸熱器尺寸參數(shù)和坐標(biāo)參數(shù)、聚焦點(diǎn)坐 標(biāo)參數(shù)、定日鏡聚焦到每個(gè)聚焦點(diǎn)的能量，設(shè)置離子全算法中的相關(guān)參數(shù)及最大迭代次數(shù)。
[0021] 步驟二：初始化種群。群體中每個(gè)個(gè)體都是該優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)聚焦方案。在各決 策變量可行域變化范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)初始種群。
[0022] 步驟三：評(píng)價(jià)種群。將種群中各粒子的當(dāng)前位置和適應(yīng)值存儲(chǔ)為各粒子的最優(yōu)位 置，將所有粒子中的最優(yōu)位置適應(yīng)值最優(yōu)個(gè)體的位置和適應(yīng)值儲(chǔ)存于全局最優(yōu)位置。
[0023] 步驟四：更新當(dāng)前種群的每個(gè)粒子的速度和位置。
[0024] 步驟五：更新各粒子最好位置和全局最優(yōu)位置：將每個(gè)粒子當(dāng)前適應(yīng)值與其經(jīng)歷 過(guò)的最好位置的適應(yīng)值做比較，如果較好，則用當(dāng)前適應(yīng)值和位置更新粒子最優(yōu)位置。比較 當(dāng)前所有粒子的最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置的適應(yīng)值，若所有粒子最優(yōu)位置中適應(yīng)值最優(yōu)的 粒子較全局最優(yōu)位置更優(yōu)，則更新全局最優(yōu)位置。
[0025] 步驟六：判斷是否達(dá)到迭代停止條件，如滿(mǎn)足，則記錄該次迭代的適應(yīng)度值及每個(gè) 個(gè)體；若不滿(mǎn)足，轉(zhuǎn)向步驟四，算法繼續(xù)迭代，直至滿(mǎn)足條件。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：按照本發(fā)明提出的塔式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)的聚焦策略?xún)?yōu)化 方法，得到的最優(yōu)鏡場(chǎng)聚焦策略，能夠在保證平穩(wěn)的能量輸出的情況下，同時(shí)減少定日鏡角 度轉(zhuǎn)動(dòng)造成的能量損耗，為整個(gè)電站的穩(wěn)定節(jié)能提供了新的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是塔式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)的聚焦策略?xún)?yōu)化方法流程圖；
[0028] 圖2是實(shí)施例中的吸熱器上聚焦點(diǎn)分布的示意圖；
[0029] 圖3是實(shí)施例中的鏡場(chǎng)分布圖；
[0030] 圖4是實(shí)施例中前一時(shí)刻記錄下的定日鏡聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖；
[0031] 圖5是實(shí)施例中未采用本發(fā)明優(yōu)化方法的最優(yōu)聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖；
[0032] 圖6是實(shí)施例中采用本發(fā)明優(yōu)化方法后的最優(yōu)聚焦?fàn)顟B(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 如圖1所示，一種塔式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)的聚焦策略?xún)?yōu)化方法，實(shí)施步驟如下：
[0034] (1)記錄上一定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻的聚焦?fàn)顟B(tài)，并給定當(dāng)前時(shí)刻為穩(wěn)定電站輸出所需 的能量值。
[0035] 選定定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率f，則上一定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻tbrf_為現(xiàn)在時(shí)刻t _減去1/f， 記錄下時(shí)刻每一定日鏡聚焦的聚焦點(diǎn)編號(hào)，記錄方式為一個(gè)長(zhǎng)度為η _ Mtel的數(shù)組， 11_為聚焦點(diǎn)個(gè)數(shù)，n 為定日鏡個(gè)數(shù)，若第i個(gè)定日鏡聚焦到了第j個(gè)聚焦點(diǎn)處，則數(shù)組中 第nain · (i-l)+j個(gè)元素的值為1，否則為0。
[0036] 當(dāng)前時(shí)刻為穩(wěn)定電站輸出所需的能量值Qin由塔式太陽(yáng)能電站后續(xù)子系統(tǒng)的控制 系統(tǒng)提供。
[0037] (2)計(jì)算任一定日鏡聚焦點(diǎn)變動(dòng)時(shí)控制電機(jī)需要消耗的能量，該能量的計(jì)算由定 日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角和高度角確定。
[0038] 任一定日鏡聚焦點(diǎn)的變化有以下四種情況：1)定日鏡0由聚焦在聚焦點(diǎn)A處轉(zhuǎn)移 到聚焦在聚焦點(diǎn)B處；2)定日鏡0由聚焦在聚焦點(diǎn)A處轉(zhuǎn)移到備用狀態(tài)；3)定日鏡0由備 用狀態(tài)轉(zhuǎn)移到聚焦在聚焦點(diǎn)A處；4)定日鏡0前一時(shí)刻和現(xiàn)在時(shí)刻均處于備用狀態(tài)或聚焦 在同一聚焦點(diǎn)處。根據(jù)這四種聚焦點(diǎn)轉(zhuǎn)變情況，在方位角-高度角控制方式下，制定了如下 不同的計(jì)算方法：針對(duì)第一種情況，在吸熱器平面上由A點(diǎn)作一條水平直線(xiàn)與B點(diǎn)所在的豎 直線(xiàn)相交于C點(diǎn)，則定日鏡0所需要旋轉(zhuǎn)的方位角a azi = ZA0C/2,高度角a ele=ZB0C/2 ; 針對(duì)第二和第三種情況，選取固定的方位角和高度角aazl= a α，其中α為距離吸 熱器最近的定日鏡聚焦點(diǎn)由吸熱器任一對(duì)角線(xiàn)處的一個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)頂點(diǎn)處時(shí)的方 位角與高度角中的較大者；針對(duì)第四種情況，定日鏡不需旋轉(zhuǎn)，則取Ct azl= a 0。
[0039] 任一定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)消耗的能量計(jì)算公式為：
[0040] Quse= 1. 829476 a azi+l. 206763 a el