塔式電站中定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度分析

丁偉杰（南京師范大學(xué)，江蘇南京，210042）

塔式電站中定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度分析

丁偉杰
（南京師范大學(xué)，江蘇南京，210042）

在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中，定日鏡場(chǎng)的對(duì)日追蹤是電站正確運(yùn)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(chǎng)定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度分布特性。

塔式太陽(yáng)能； 太陽(yáng)軌跡 ；雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)； 角度分析

0 引言

自從進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，能源的過(guò)度開(kāi)采及低水平的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的能源危機(jī)，促使清潔高效的太陽(yáng)能成為了世界各國(guó)的關(guān)注和研究對(duì)象。

目前主要的太陽(yáng)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(jì)效應(yīng)好而成為主要的太陽(yáng)能發(fā)電方式。其中，塔式熱發(fā)電系統(tǒng)中定日鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)以及定日鏡對(duì)于太陽(yáng)的跟蹤能力決定了投射到吸熱塔上的吸熱器中的太陽(yáng)能的多少。對(duì)于鏡場(chǎng)中定日鏡的反射建模和控制角度的分析，在定日鏡場(chǎng)安全高效運(yùn)行中起到了重要作用。

目前，對(duì)于定日鏡場(chǎng)的余弦效率的研究，已經(jīng)獲得了一些成果。但是，對(duì)于全鏡場(chǎng)定日鏡角度控制方面，缺乏具體細(xì)致的建模和分析。本文以塔式太陽(yáng)能發(fā)電站為研究對(duì)象，通過(guò)分析鏡場(chǎng)的運(yùn)行特性，定日鏡對(duì)太陽(yáng)的追蹤問(wèn)題，結(jié)合太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)特性以及其輻射的分布情況，建立了矩形鏡場(chǎng)下的鏡場(chǎng)反射模型。結(jié)合歐拉旋轉(zhuǎn)公式。，對(duì)全鏡場(chǎng)的定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行分析，從而掌握定日鏡的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)特性，以確保電站穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。

1 鏡場(chǎng)布置及開(kāi)關(guān)場(chǎng)時(shí)間

本文以青海德令哈地區(qū)為參考對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)矩形鏡場(chǎng)。該鏡場(chǎng)共有2500面定日鏡，每面鏡子面積為5.55平方米[1]。考慮到長(zhǎng)方形鏡面的風(fēng)抗小，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，定日鏡的長(zhǎng)寬比為1.6:1.25[2]時(shí)為理想比例，所以采用長(zhǎng)為2.7米，寬為2.1米的長(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)的入射光線(xiàn)準(zhǔn)確地反射到吸熱器上，這要求定日鏡能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行的實(shí)時(shí)對(duì)日追蹤。本文采用的對(duì)日追蹤方式是雙軸追蹤[3]，即采用對(duì)方位軸和高度軸的控制進(jìn)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(jìn)行建模[4]，對(duì)定日鏡雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度控制進(jìn)行仿真，得到定日鏡雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度分布情況。

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

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

設(shè)定日鏡的法線(xiàn)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(dòng)角度特性分析

對(duì)于雙軸視日跟蹤方法中，對(duì)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(xiàn)方向N0為(001)T，根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)定理[5]，將法線(xiàn)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.

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

通過(guò)對(duì)春分日全鏡場(chǎng)的定日鏡雙軸控制進(jìn)行仿真可得到其任意時(shí)刻全鏡場(chǎng)的高度軸和方位軸相對(duì)于定日鏡初始位姿的角度變化大小，取春分日12點(diǎn)進(jìn)行仿真，如圖2所示。

進(jìn)一步得可以得知春分日全鏡場(chǎng)定日鏡追日過(guò)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(dòng)角度應(yīng)該滿(mǎn)足定日鏡的機(jī)械特性，角度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸的磨損和能量的損失。對(duì)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(chǎng)的布置結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)定日鏡反射模型進(jìn)行了建模，通過(guò)分析定日鏡雙軸控制角度轉(zhuǎn)動(dòng)情況，得到定日鏡場(chǎng)各方位定日鏡的機(jī)械特性，對(duì)于保證鏡場(chǎng)的安全高效運(yùn)行有著重要作用，并對(duì)于定日鏡的初始位姿的設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)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(chǎng)的建模與仿真[D].南京師范大學(xué)，2014.

[2]杜春旭，王普，馬重芳，吳玉庭，申少青.一種高精度太陽(yáng)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(biāo)系的歐拉旋轉(zhuǎn)變化[J]海洋測(cè)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