一种多塔镜场的边界优化方法与流程

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其是一种多塔镜场的边界优化方法。

背景技术：

利用城乡闲散空间建设更贴近用户侧的小型聚光系统，作为分布式可再生能源互联网的能源供应节点是一个值得努力的方向。由于这些空间的大小、形状和朝向不规则，其中可能还有各种障碍物，因此传统的塔式大镜场已经不适用。

定日镜场中会产生余弦、阴影和遮挡、镜面反射、大气衰减和溢出几种光学损失。其中，余弦损失所占的比重是最大的，占镜场光学总损失的50％-70％。

吸收塔高度对镜场的余弦效率有很大的影响。对于单塔镜场，余弦效率在一定塔高范围内是随着塔高的增加而增加的。但是，随着塔高的不断增大，余弦效率会趋于一个稳定值，同时塔本身的成本以及吸热器管路设备损失逐步增加，边际效益逐渐降低。在镜场的形状和边界尺寸均不受约束的区域，例如沙漠，可以直接根据效率来生成定日镜场的布局。这样的方法在布局上更具灵活性，可以获得效率更高的镜场。但是，利用城乡闲散空间建设的小型镜场的边界和内部显然有很多限制条件。通过优化镜场布局，虽然提高了余弦效率，但定日镜的方位角变化范围仍然过大，在比较长的运行时段内会具有过大的入射角，因此整个镜场的年平均余弦效率仍然很难超过85％。为了进一步缩小定日镜入射角，有人提出了多塔镜场方案，让定日镜在不同的时段把太阳光聚焦到不同的塔上，以提高余弦效率。其中，在环形镜场中虽然可以获得较大的单塔输出功率，但其吸热塔南侧的定日镜余弦效率的改善仍不够理想。考虑到利用城乡闲散空间建设的聚光系统一般功率较小，因此把吸热塔布置在全部定日镜的南侧就够了。amosdanielli等人提出了将多个这种小型塔式镜场相互连接并让阳光在不同时段汇聚于最有利塔上的方案(cmt)，让其年度平均余弦效率提高了大约10％，达到95％左右，但是这种方案的致命问题是塔群的造价过高。按照cmt提供的镜场参数，多塔镜场中一座17m高的塔能够覆盖40×40m的镜场；而在单塔镜场中100m高的塔能够覆盖的镜场大约为600×780m。在中国，一座17m高的塔造价在9-14万元左右，而100m高的塔造价在200-300万元之间。要想多塔镜场达到与单塔镜场相同的规模，大约需要292座塔，其造价显然远远高于单塔镜场。

为了提高这类镜场的经济可行性，一个可行的思路是首先扩大一座塔覆盖的镜场面积以降低平摊到单位面积定日镜上的塔成本，使该镜场内塔群的总造价与采用单塔方案时的塔的总造价大致相等。这样，在镜、塔成本基本相同的前提下，多塔方案余弦效率更高的优点才能带来显著的成本下降。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种多塔镜场的边界优化方法，使得多塔镜场能够在比单塔方案光学效率更高的条件下具有低得多的单位镜面塔成本，这种多塔镜场有利于在东西向狭长的场地内形成大功率的能源供应中心。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多塔镜场的边界优化方法，包括如下步骤：

(1)设定镜场的边界计算范围；

(2)计算不同边界范围镜场的年平均余弦效率；

(3)确定多塔单位面积塔成本不高于单塔镜场的等价面积；

(4)综合比较镜场的年平均余弦效率和多塔镜场的塔成本，以确定镜场的边界范围。

优选的，步骤(1)中，设定镜场的边界计算范围具体为：多塔镜场采用多个双塔模块镜场联接而成，双塔模块镜场采用矩形镜场，为每个双塔镜场模块在东西边界的延长线上配置两个塔，需要确定镜场的东西边界的计算范围，也就是双塔之间的距离的范围，第一排镜子到双塔连线以及最远一排镜子到双塔连线的计算范围。

优选的，步骤(2)中，计算不同边界范围镜场的年平均余弦效率具体包括如下步骤：

(21)先确定镜场全年日出到日落各个时间段内的各时点的数据；计算点为ti，时间段δt＝ti+1-ti，计算镜场全年每个计算点的数据，包括太阳高度角、方位角和入射角；并筛选镜场全年太阳高度角大于15°的计算点数据；

(22)计算镜场的各时点的余弦效率，公式如下：

cosw(x,y,ti)＝n(x,y,ti).t(location,ti)

式中：n为定日镜的法向量，t为指向接收器的反射向量，(x，y)是镜场中定日镜中心的坐标位置，location代表的镜场的地理位置；

(23)年平均余弦效率η采用如下公式计算:

式中：镜场的镜子数目为m，全年太阳高度角超过15°的计算点为n；对于不同纬度的镜场不同的边界范围分别用上述步骤进行计算，得到不同纬度、不同边界范围所对应的年平均余弦效率，用于判断不同纬度的镜场所采用的镜场边界范围。

优选的，步骤(3)中，确定多塔单位面积塔成本不高于单塔镜场的等价面积具体为：单塔镜场的塔成本用cs表示，多塔镜场的塔成本用cm表示，多塔的数量为n，双塔模块的数量为n-1，镜场总面积用s表示，一个双塔镜场模块的面积用sb表示；令单位镜面面积的多塔成本和单塔成本相同时，等价的双塔模块面积为sd，则sd为：

上式中，rounddown是向下取整函数；对双塔镜场模块的边界进行优化，直到找到sb≥sd的边界。

优选的，步骤(4)中，综合比较镜场的年平均余弦效率和多塔镜场的塔成本以确定镜场的边界范围具体为：确定多塔镜场的边界范围，综合比较镜场的年平均余弦效率和多塔镜场的塔成本，年平均余弦效率不低于单塔系统，同时单位镜面塔成本不高于单塔系统即为可选的镜场边界范围。

本发明的有益效果为：本发明的方法使得多塔镜场能够在比单塔方案光学效率更高的条件下具有低得多的单位镜面塔成本，这种多塔镜场有利于在东西向狭长的场地内形成大功率的能源供应中心。

附图说明

图1为本发明的多塔镜场边界范围示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

如图2所示，一种多塔镜场的边界优化方法，包括如下步骤：

(1)设定镜场的边界计算范围；

(2)计算不同边界范围镜场的年平均余弦效率；

(3)确定多塔单位面积塔成本不高于单塔镜场的等价面积；

(4)综合比较镜场的年平均余弦效率和多塔镜场的塔成本，以确定镜场的边界范围。

如图1所示，步骤s1，确定镜场的边界计算范围。

具体步骤如下：

一个双塔模块镜场的边界范围包括，镜场最远一排镜子到双塔连线的距离，即北边界1，第一排镜子到双塔连线的距离，南边界2以及镜场东西边界的距离3。为了观察这种多塔镜场在不同纬度范围内的应用效果，选取118°e，纬度分别为11°n、31°n和51°n的镜场。镜场的吸热塔的高度设定为32m，镜场南边界2的计算范围为5-50m，考虑到闲散空间的面积一般不大以及定日镜到吸热塔的大气衰减，北边界2和东西边界3的计算上限都设为1000m。

步骤s2，计算镜场的年平均余弦效率。

具体步骤如下：

以中午12点为界，中午12点以前，双塔镜场模块内的每个定日镜4分别聚焦到各自的上午塔5和下午塔6，选取计算时间点ti＝1h,计算镜场每个小时的入射角、太阳高度角、方位角、入射角等数据，并且筛选太阳高度角大于15°的数据。

用公式(1)计算每面镜子每个小时的余弦效率：

cosw(x,y,ti)＝n(x,y,ti).t(location,ti)(1)

式中：n为定日镜的法向量，t为指向接收器的反射向量，(x，y)是镜场中定日镜中心的坐标位置，location代表的镜场的地理位置(经度和纬度)。

计算镜场的年平均余弦效率η，计算公式为：

式中全年太阳高度角大于15°的小时数为n，镜子数目m＝9，为了计算简便，计算时选取了九面代表定日镜来反应整个镜场的情况，其中九面镜子选取见图1标黑的选取的镜子。

不同纬度镜场的不同边界范围所对应的年平均余弦效率如下表1、2、3所示，随着纬度的升高，多塔镜场的余弦效率也越来越高，中高纬的年平均余弦效率达到了90％以上，相比于单塔来说有了可观的提高范围。

表111°n双塔模块镜场不同边界条件下的年平均余弦效率

表231°n双塔模块镜场不同边界条件下的年平均余弦效率

表351°n双塔模块镜场不同边界条件下的年平均余弦效率

步骤s3，确定多塔单位面积塔成本不高于单塔镜场的等价面积。

具体步骤如下：

确定多塔单位面积的成本不高于单塔等价面积，假设所有镜场的镜场利用率均相等。单塔镜场的塔成本用cs表示，多塔镜场的塔成本用cm表示，多塔的数量为n，双塔模块的数量为n-1，镜场总面积用s表示，一个双塔镜场模块的面积用sb表示。令单位镜面面积的多塔成本和单塔成本相同时，等价的双塔模块面积为sd，则sd为：

上式中，rounddown是向下取整函数。在表1、2、3不同纬度的边界范围中找到双塔模块镜场大于sd镜场面积。

步骤s4，综合比较镜场的年平均余弦效率和多塔镜场的塔成本，以确定镜场的边界范围。

具体步骤如下：

根据ps10中心单塔镜场提供的镜场参数，一座占地面积为600×780m的中心塔式镜场，优化后的塔高为100m，按照塔高在中国的造价计算，塔高的造价不超过300万元人民币，镜场年平均余弦效率约为0.83。双塔模块镜场中采用塔高为32m，造价不超过30万元人民币。根据公式(3)，如果塔群如果和单塔造价相当，则需要10座塔，也就是9个双塔模块镜场，即在多塔镜场中一个基本模块的面积不应低于52000m²，即sd＝52000m²。

表1-3中加粗的数据为同时满足年平均余弦效率超过单塔以及sb≥sd两个条件的结果；即为各个纬度可选的镜场边界范围。

本发明的方法使得多塔镜场能够在比单塔方案光学效率更高的条件下具有低得多的单位镜面塔成本，这种多塔镜场有利于在东西向狭长的场地内形成大功率的能源供应中心。