塔式太阳能热发电镜场模型的研究及仿真

在镜场效率的基础上,提出一种蒙特卡洛光线追迹法,能够在分析定日镜间阴影遮挡的同时,进一步分析太阳入射光线经镜场反射后到达吸热器的情况,从而计算出吸热器的平均能流密度。仿真结果表明,通过本文所提出的算法仿真得到的吸热器平均能流密度与实际变化规律一致。     

塔式太阳能热发电系统镜场调度方法的研究

提出一种塔式太阳能热发电系统中定日镜调度的方法。根据太阳、定日镜和接收面的光学成像关系,考虑太阳位置、镜面反射率和能见度等因素给出了镜场光能转换效率的计算方法,同时结合定日镜场状态及热力系统所需光功率建立了镜场调度模型。该文将定日镜的调度转化为一个0-1背包问题,设计了一种混合遗传算法来对其求解。采用该调度方法可得到各时刻转换效率最高时所需调用的定日镜数量及其分布,并可调整定日镜瞄准接收靶上分布的目标点,使吸热器上能流分布均匀,降低峰值能流密度,避免过热故障。仿真算例结果表明了该方法的有效性。     

塔式太阳能电站分离式吸热器热流分布与定日镜场设计研究

优化定日镜场,提高其年聚光效率是降低塔式太阳能电站投资成本的主要途径。以直接蒸汽(DSG)塔式太阳能电站的分离式吸热器为研究对象,为解决现有定日镜场设计过程复杂、耗时较长的不足,利用锥体光学法和径向间距优化法来设计定日镜场。为满足分离式吸热器蒸发段和过热段所需要的热量,采用分配、迭代计算方法得到了分离式吸热器蒸发段和过热段所对应的定日镜场。由于分离式吸热器与定日镜场之间的光热耦合方式比较复杂,因此采用计算精度较高的射线追踪法对分离式吸热器表面的热流分布进行模拟。研究结果表明:通过模拟得到的分离式吸热器所对应定日镜场的布置形式,可使该定日镜场的年聚光效率达到0.652 2,其中分离式吸热器的蒸发段和过热段分别对应了442个和182个定日镜;设计点时刻(春分12:00),分离式吸热器蒸发段和过热段接收的热量分别为35.48 MW和14.19 MW,所获得的热流分布结果可为分离式吸热器的管束布置方式和热学性能计算奠定基础。     

基于HFLCAL计算模型的定日镜成像仿真分析

采用HFLCAL计算模型,对单个定日镜在不同条件下的成像光斑进行了仿真模拟。结果显示,利用成像仿真来模拟定日镜的光斑,简单易行,并利用此方法初步模拟了镜场正常工作时,吸热器表面的热流密度分布情况。该研究在一定程度上弥补了目前通过现场实测确定定日镜成像光斑的不足之处。     

塔式太阳能热发电站圆月夜聚光实验研究

在塔式太阳能热发电系统中,吸热器采光面上的聚光能流密度分布的测量对优化整个系统的光热性能有着重要意义。本文提出一种基于月光聚光信息的塔式电站定日镜场聚光能流密度分布的间接测量方法。主要介绍2018年9月24日晚在延庆塔式电站开展的两种对月聚光实验：一种是通过塔上布置的照度计标定电荷耦合元件（Charge-coupled Device, CCD）相机拍摄的光斑图像,得到定日镜场聚光光斑的照度分布;另一种是使聚光光斑扫描过照度计,得到不同时刻的照度计数值,通过高斯拟合得到聚光光斑的照度分布。将聚光光斑的照度分布与月光测光站测得的月光法向直射照度对比,得到塔上聚光光斑的相对能流密度分布。实验结果表明,通过月光聚光实验,可以得到塔式电站的聚光光斑的相对能流密度分布（即聚光比分布）,为后续依据太阳和月亮之间的亮度分布关系,转换为日光聚光能流密度分布提供实验数据支持。     

塔式太阳能吸热器过热评价模型及镜场调度方法研究

针对吸热器在运行工作时可能出现的局部过热、能流密度分布严重不均、过热烧毁等问题,对吸热器危险状况进行等级划分,并引入模糊数学法建立吸热器的过热评价模型,给出判断吸热器是否过热的影响因子。根据吸热器过热评价结果,设计合理的目标点调整原则和方法,并通过仿真效果图进行验证,仿真结果表明:过热评价模型正确、可靠,目标点调整方法可有效减弱吸热器局部过热点的能流密度峰值。     

小尺寸稀疏镜场能流密度分布模拟研究

基于接收面的光斑等效法,通过MATLAB软件模拟,提出了一种优化接收器表面能流密度分布计算时间的方法,分析单台定日镜和定日镜场的光斑能流密度分布规律。通过研究光斑边缘的能流密度与光斑中心能流密度的比值来分析小尺寸定日镜形成光斑的均匀性。结果表明：提出的计算方法不需要直接算出接收面网格点所有能流密度,对比蒙特卡洛法可缩短68.47%的计算时间;上午随着太阳从东升起,光斑能量主要集中在接收面的中偏右区域;下午随着太阳向西落下,光斑能量主要集中在接收面中偏左区域;采用小尺寸定日镜得到比大型定日镜更加均匀的光斑,在夏至日正午12点时,能流密度均匀性比值可以达到0.238。     

塔式电站定日镜场布置范围的理论分析

采用MALAB编程,计算了余弦效率、大气透过效率以及吸热器开口平面上的截断效率,并将这三项效率的乘积定义为地面利用效率用于限制定日镜场的布置范围,进而分析了一些参数对定日镜场布置范围的影响。分析结果表明,地面利用效率可有效限定定日镜场的布置范围。与接收塔光学高度和吸热器开口的倾斜角度相比,吸热器的开口尺寸和定日镜的整体误差大小在很大程度上限定了定日镜场的布置范围。要增大电站容量,必须增大吸热器开口尺寸。而提高定日镜的整体性能不但可提高定日镜场的光学效率,也可有效扩大定日镜场的布置范围,增大电站容量。     

塔式太阳能电站定日镜场的聚焦策略研究

针对目前塔式太阳能电站定日镜场存在的聚焦目标单一的缺点,改进并提出了多聚焦目标的聚焦优化策略。基于定日镜聚光成像的二维高斯分布模型,通过多目标优化,应用分组优化的序列二次规划算法,得到了定日镜场聚焦策略的帕累托最优解集,提高了聚焦策略的完备性,有效地兼顾了定日镜场聚焦策略中集热效率问题和局部过热问题。文章还讨论了定日镜分组对聚焦策略的影响。     

吸热器二次反射锥对太阳能斯特林热机吸热性能的影响研究

分析太阳能斯特林热机腔式吸热器的结构特点,建立以二次反射锥结构参数为变量的腔式吸热器性能参数模型。以38 kW碟式太阳能斯特林热机为研究对象,采用光线追迹法模拟分析不同二次反射锥结构对腔式吸热器表面能流等性能参数的影响。结果表明:二次反射锥对吸热器表面能流密度分布和光能利用效率有着重要影响,其中外抛物面、双曲面、球面等反射锥能显著提高吸热器表面能流分布的均匀性,同时吸热器表面光能利用率分别提高25.6%、27.3%和28.6%,但存在光线溢出吸热器表面的现象;平顶圆锥和现有38 kW热机所采用的内抛物面二次反射锥虽不能改善吸热器表面能流分布均匀性,但光能利用率能分别提高30.5%和33.0%且无光线溢出。     

塔式光热电站集热场设计综述及经济性研究

  目的  为系统性梳理塔式光热电站集热场设计的内容,评估集热场设计对电站经济性的影响,对集热场设计进行综述介绍,提出了塔式光热电站集热场设计的基本思路,分析了影响集热场效率的因素并进行经济性研究。  方法  将集热场设计分为吸热塔位置和高度设计、定日镜布置设计及集热场道路设计这三部分内容分别介绍,采用对集热场效率的构成子效率进行分解的方法,并以影响集热场经济性的主要两个设计因素为重点开展研究。  结果  提炼了集热场设计需考虑的多种因素,总结列出提升集热场子效率的各因素设计结论,提出在目前工程条件下集热场规模越大光热电站经济性越好,得到定日镜布局疏密对经济性的影响结论。  结论  所提出的结论指导意义强,为塔式光热电站设计提供借鉴。     

塔式太阳能吸热器表面热流密度预测及优化

以塔式太阳能聚光集热系统为研究对象,耦合蒙特卡洛光线追踪法和卷积法,通过综合考虑定日镜阴影和遮挡因子以及反射光束对热流密度的影响,建立一种精度高、计算量小的吸热器表面热流密度分布预测数学模型,获得考虑光线遮挡、余弦损失、溢出损失及大气衰减等因素时单定日镜及全镜场下的光迹追踪路线及热流密度分布规律。并根据镜场光学效率与镜面所处的位置关系提出一种镜场布局优化方式。优化后12:00时镜场的光学效率从43.5%提高到45.6%,日平均光学效率提高约2%,太阳热流密度分布更加均匀。     

太阳聚光下单球体温度变化特性研究

球流吸热器为使用球体作为吸热和传热工质的吸热器,为验证其在原理上的可行性并研究球体吸热过程的影响因素,该文在太阳模拟器上进行球体吸热实验,建立球体得热模型并对模型进行了实验验证。该文用模型研究了能流密度、空气流速和表面发射比对球体温度变化特性的影响,研究表明球体作为吸热工质时具有较高的热效率,因此球流吸热器在原理上可行。增加投入在球体表面的能流密度可显著提高球体在吸热过程中的热效率,降低空气流速和降低球面的发射比可有效提高球体在吸热过程中的热效率。这些结果对最终的球流吸热器设计和运行具有指导作用。     

变热负荷下蒸发面流量分配的试验与模拟研究

塔式太阳能热发电系统中,由于定日镜场的聚焦作用使得腔式吸热器受热面局部区域热负荷高度集中且随时间和空间不断变化导致吸热器系统工质流量分配特性恶化。该文以吸热器蒸发受热面水动力特性的试验平台为研究对象,结合吸热器内辐射-对流的能量传递过程,建立受热管内工质流动换热计算模型,在此基础上建立非均匀热负荷分布条件下腔式吸热器水动力计算的非线性数学模型,得出不同工况下蒸发受热面内工质的流量分配规律。     

塔式太阳能热发电站吸热器指向点动态调度和优化设计

针对塔式太阳能热发电站中的核心设备吸热器,提出一种基于遗传算法的指向点设计与优化控制策略,该策略通过将塔式太阳能热发电站指向点动态调度问题转换为遗传算法寻优问题,建模求解得到的结果在保证吸热器正常使用寿命的前提下,优化了吸热器面板上的能量分布的均匀性,在保证吸热器材料能流密度要求的情况下,有效提高了截断效率。提出以截断效率和吸热器效率整体作为优化目标的吸热器参数设计方法,将该方法成功应用到某50 MW塔式熔盐电站的吸热器参数设计中,得出该熔盐吸热器最优尺寸为:吸热器受光面积580 m~2,吸热器高16.78 m,直径11 m。所得最优尺寸参数在相同的吸热器受光面积下,综合效率可提升1.78%;在相同的直径条件下,综合效率可提升2.15%。     

塔式光热电站定日镜跟踪精度校正技术研究

为提高光热电站定日镜校正合格率,从定日镜跟踪精度校正的必要性出发,结合塔式光热电站定日镜控制系统及光斑校正系统对校正的理论依据、校正策略等进行了研究,分析了风速、云层及太阳直接辐射（DNI）、镜面清洁系数、校正系统及临时局域网的稳定性等因素对校正结果的影响,并提出了具体的应对策略。研究表明,当风速小于5 m/s、DNI值大于800 W/m²、镜面清洁系数超过0.7时定日镜跟踪精度的校正合格率能够达到60%以上。     

二次反射聚光分频光伏系统的三维光学模型

建立了考虑太阳张角的抛物槽式二次反射聚光分频光伏系统的三维光学模型,模拟计算了分频器和光伏电池表面入射的能流密度分布情况,结果表明:受分频器对入射光遮拦和抛物槽中心安装光电池的影响分频器表面能流密度分布中心低两边均匀,而光伏电池表面能流密度分布中间高两边低.分析了不同跟踪系统误差对能流密度及集光效率的影响.     

电伴热系统在光热电站熔盐吸热器的应用

哈密熔盐塔式50 MW光热发电项目的熔盐吸热器系统由东方锅炉自主设计和供货,其中,电伴热系统在吸热器系统的设备和管线中得到广泛应用。结合哈密光热项目,文中介绍了电伴热系统的选型原则及在光热电站吸热器系统上的应用,并对电伴热系统在吸热器管屏、集箱、出口缓冲罐和熔盐管道上的布置及注意事项等进行了总结。     

汇聚太阳能流体流速对吸热器温度场和应力场影响

为研究高汇聚太阳能流体流速对管式吸热器的温度场、热应变及热应力场的影响,本文采用蒙特卡洛与有限单元相结合的光热力顺序解耦计算法分析了不同流速下管式吸热器的温度场、热应变及热应力场的分布。计算结果表明管式吸热器的温度场、热应变及等效热应力均随着流体流速的增加而降低。与轴向热应力和径向热应力相比,切向热应力对管式吸热器的等效热应力的贡献比例更大,均匀化温度沿管式吸热器的圆周方向分布是热应力抑制的有效手段之一。     

基于复合控制的塔式太阳能跟踪控制装置设计

针对塔式太阳能热发电站中定日镜跟踪装置的跟踪精度不高、构建成本较大等问题,提出采用将遗传算法的选择机制与吸热塔能量变化的反馈机制相结合的方式对光热电站的太阳能跟踪控制系统进行改进.在光热电站的少数几台定日镜上配备光电检测元件,并以其控制角度为基准控制其他定日镜的角度调整.采用DSP(digital signal processing)为控制核心,完成了跟踪控制器的通讯框架及控制系统的硬件电路设计.实验表明,该方案在保证光热电站整体控制精度的基础上,减少了光电检测元件安装数量和电站构建成本,并保证了视日轨迹跟踪控制时的自动调整能力.