1.一种太阳能塔式光热电站定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
步骤1:建立太阳能塔式光热电站模型的框架结构;所述的太阳能塔式光热电站模型的框架结构包括地面坐标系、镜面坐标系和吸热器坐标系;
步骤2:建立太阳能塔式光热电站定日镜场聚光与优化调度控制的建模流程;
步骤3:建立拼接式反射面的数学模型;
步骤4:建立镜面反射点和太阳光锥模型;
步骤5:建立主入射光线的方向和位置模型;
步骤6:利用坐标变换法建立反射光线的方向和位置模型;
步骤7:建立定日镜跟踪太阳运动模型,统计不同落点位置处光线的数量,计算能流密度分布;
步骤8:建立定日镜的跟踪误差模型,模拟存在跟踪误差时的能流密度分布情况;
步骤9:建立定日镜场的优化调度控制模型;
步骤10:使用遗传算法求解优化调度控制模型,获得优化调度控制策略。
2.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述的步骤1建立的各坐标系均为笛卡尔右手系;太阳能塔式光热电站的模型的框架结构中,地面坐标系(xg,yg,zg)的原点为吸热塔中心在地面的投影,xg轴的正方向为南,yg轴的正方向为东,zg轴的垂直地面指向天空;镜面坐标系(xh,yh,zh)的原点为镜面的几何中心,xh轴和yh轴所组成的平面与镜面开口平面平行,xh轴平行于水平面,zh轴与原点法线重合,方向向上;吸热器坐标系(xt,yt,zt)的原点为吸热器的几何中心,腔式吸热器为吸热器开口平面的几何中心,xt轴平行于yg轴且方向相同,yt轴平行于zg轴且方向相同,zt轴平行于xg轴且方向相同。
3.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤2建立太阳能塔式光热电站定日镜场聚光与优化调度控制的建模流程包括以下步骤:分析太阳光线的传播路径;建立能流密度仿真模型的流程图;利用蒙特卡洛光线追迹法和坐标变换相结合的方法,分别确定每种传播路径的光线入射方向、光线反射方向和光线落点位置;利用优化调度控制模型调整定日镜在吸热器表面的聚焦位置,计算吸热器表面能流密度分布。
4.如权利要求1所述的定日镜场优化调度方法,其特征在于:所述步骤3建立拼接式反射面的数学模型的方法包括以下步骤:建立理想反射面的模型,以及建立拼接式反射面的模型;
步骤3-1:建立的理想反射面的模型如下:理想反射面为一个球面的一部分,理想反射面的表达式为:
其中,r为球面的半径,xs,h,ys,h,zs,h是球面上任意点坐标;
步骤3-2:建立的拼接式反射面模型如下:拼接式反射面中,所有的单元镜均为平面镜构成,其单个平面镜的表达式为:
xsa-c,h×(xa-xa,h)+ysa-c,h×(ya-ya,h)+zsa-c,h×(za-za,h)=0(2)
其中,xsa-c,h,ysa-c,h,zsa-c,h为单元平面镜的法线方向向量在x,y,z轴上分量,xa,h,ya,h,za,h为单元平面镜的几何中心点坐标;xa,ya,za是平面上任意点坐标;
将理想镜面按照单元平面镜的大小做网格化处理,选取每个网格的中心点做曲面的切平面,单元平面镜即位于网格中心的切平面上,所有的单元平面镜依次组合拼接逼近曲面。
5.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤4建立镜面反射点和太阳光锥模型的方法包括以下步骤:选取太阳光锥在抛物面定日镜反射面的位置,太阳光线在太阳光锥中的分布;
步骤4-1:由于日地距离的原因,太阳光束为非平行的光锥形式,在定日镜反射面上等间距选取太阳光锥落在反射面上的位置;
步骤4-2:太阳光锥的锥角为9.3mrad,光线在光锥内随机分布,太阳光锥锥角表达式为:
其中rs为太阳的半径,ds-e为日地距离,χs为太阳光锥的锥角。
6.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤5建立主入射光线的方向和位置模型的方法包括以下步骤:建立地面坐标系,计算太阳位置;在地面坐标系下建立主入射光线的方向向量;
步骤5-1:建立地面坐标系(xg,yg,zg),地面坐标系(xg,yg,zg)的原点为吸热塔中心在地面的投影,xg正方向为南,yg正方向为东,zg垂直地面指向天空,太阳位置在地面坐标下的表达式为:
天顶角θz:
θz=arccos(cosδcosφcosω+sinδsinφ)(4)
方位角γs:
步骤5-2:在太阳光锥中,其中心光线在地面坐标下的方向向量表达式
其中,δ为赤纬角,ω是太阳时角,φ为观察者所处的地理纬度,αs是太阳高度角,是天顶角的余角。
7.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤6利用坐标变换法建立反射光线的方向和位置模型的方法包括建立镜面坐标系和建立主反射光线的方向和位置;
步骤6-1:建立镜面坐标系(xh,yh,zh)、地面坐标系到镜面坐标系的转换矩阵tg-h和镜面坐标系到地面坐标系的转换矩阵th-g,其镜面坐标系原点为镜面的几何中心,xh和yh所组成的平面与镜面开口平面平行,xh轴平行于水平面,zh与原点法线重合,方向向上;
所述地面坐标系和镜面坐标系的转换矩阵为tg-h,矩阵tg-h的表达式为:
镜面坐标系和地面坐标系的转换矩阵为th-g,矩阵th-g的表达式为:
其中,eh为理想的定日镜的俯仰角,ah为理想定日镜的方位角。
步骤6-2,建立主反射光线在地面坐标系的方向向量表达式
其中,
8.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤7建立定日镜跟踪太阳运动模型,统计不同落点位置处光线的数量,计算能流密度分布的方法包括以下步骤:
步骤7-1:建立定日镜跟踪太阳运动模型,该运动模型由理想定日镜的方位角和俯仰角来表达如下:
理想定日镜的方位角为a'h:
理想定日镜的俯仰角e'h:
步骤7-2:建立吸热器坐标系(xt,yt,zt)、吸热器高度变化矩阵theight和地面坐标系到吸热器坐标系的转换矩阵tg-t,吸热器坐标系原点为吸热器的几何中心,xt平行于yg,yt平行于zg,zt平行于xg,且它们的方向均相同;吸热器受热面在吸热器坐标系下的表达式为:
所述吸热器高度变化矩阵theight和地面坐标系到吸热器坐标系的转换矩阵tg-t,矩阵theight表达式为:
矩阵tg-t表达式为:
其中,xq,g,yq,g,zq,g为定日镜在地面坐标系的位置坐标,htower为吸热塔高度;
步骤7-3:统计不同落点位置处光线的数量,计算能流密度分布,能流密度分布的表达式为;
其中,θ即为光锥中心光线的入射角,rrec、hrec为吸热器的半径和高度,ntot为某个区域的光线数量,s为区域面积,q为单根光线的能量。
9.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤8所建立的定日镜的跟踪误差模型,模拟存在跟踪误差时的能流密度分布情况如下;
定日镜跟踪误差模型为:
定日镜俯仰角偏移量δeh:
定日镜方位角偏移量δah:
其中,ω为定日镜跟踪误差的方向,f为定日镜焦距,dcen-h为光斑中心水平方向偏移的距离,dcen-v为光斑中心垂直方向偏移的距离,λ为镜面坐标系原点跟吸热器聚焦点连线和竖直方向的夹角。
存在跟踪误差的定日镜的实际俯仰角的表达式为:
eh=e'h+δeh(18)
存在跟踪误差的定日镜的实际方位角的表达式为:
ah=a'h+δah(19)
其中,eh,ah分别为定日镜实际的俯仰角和方位角。
10.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤9中,建立定日镜场的优化调度模型的方法如下;
步骤9-1:设计定日镜聚焦点选取原则;聚焦点位置的选取考虑实际光斑的大小以及尽可能大的截断效率,定日镜聚焦点选取原则如下:
(1)在受热面上选定聚焦点的最大有效范围,避开吸热器边缘部分,以减小光斑的溢出;
(2)相邻两个聚焦点之间的距离不小于能够区分不同分区定日镜光斑中心的最小距离;
(3)在聚焦点有效范围内进行网格划分,并选取网格的中心点为聚焦点;
步骤9-2:基于同一时刻定日镜贡献度和入射余弦相似作为分组标准,将整个定日镜场分为若干个子区域,对定日镜的分组的基本原则如下:
(1)每组定日镜的数量不能差值不能超过3个;
(2)同一组定日镜在位置上应相邻;
步骤9-3:从吸热器的安全和接收的能量两个方面考虑定日镜场聚焦策略,故定日镜场的优化调度控制模型的优化目标的数学表达式为:
f=minδ(20)
δ为吸热器表面网格能流密度的标准差,表达式为:
n为所有网格的数量,ωi为第i个网格的能流密度,i为网格的序号,μ为所有网格能流密度的算术平均值;
保证吸热器安全的约束条件为:
f≤f0(22)
其中f为吸热器上的实际最大能流密度;f0为吸热器能够承受的最大能流密度;
保证聚焦能量充分使用的约束条件为:
ηint≤15%(23)
ηint为定日镜的溢出损失。
11.如权利要求1所述的定日镜场优化调度控制方法,其特征在于:所述步骤10使用遗传算法求解定日镜场优化调度控制策略,遗传算法适应度函数表示为:
fsy=c-δ(24)
其中,δ吸热器表面网格能流密度的标准差;c为一个正常数,fsy为遗传算法适应度函数;
自适应交叉概率为:
其中,fmax为种群中最大的适应度值,favg为种群的平均适应度值,fc为要进行交叉的两个个体中较大的适应度值,pc1、pc2为0~1之间的一个常数,且pc1<pc2,pc为自适应交叉概率;
自适应变异概率为:
其中,fmax为种群中最大的适应度值,favg为种群的平均适应度值,fm为要进行变异的个体的适应度值,pm1、pm2属于0~1之间的常数,且pm1<pm2,pm为自适应变异概率。