一種定日鏡面型微弧角度的計算方法與流程
2023-05-03 16:06:11
本發明屬於太陽能熱發電技術領域，具體涉及一種定日鏡面型微弧角度的計算方法。
背景技術：
定日鏡通常是由多塊子鏡拼接而成。太陽入射到定日鏡上光線並不是平行光而呈32′的光錐，為降低定日鏡反射光的大小，需要將反射面加工成一定的弧度，而商業化電站的定日鏡與吸熱器間距離範圍在100～2000米之間，使得焦距差異極大，需要將定日鏡的子鏡加工成多種尺寸的焦距才能滿足光斑性能要求。
目前塔式光熱項目的子鏡的反射面設計主要有微弧面反射鏡與平面反射鏡兩種形式。微弧玻璃反射鏡的優勢是相同條件下的光斑大小比平面反射鏡光斑大小要低，但其加工難度大、成本高、國產化尚未成熟，因而會增加工程項目的採購難度及成本。平面玻璃反射鏡生產工藝成熟簡單、成本低、國產品牌眾多，但是大容量電站定日鏡採用純平面型子鏡會導致光斑較大，溢出損失大，鏡場效率低下，並且增加了鏡場的調度難度。
技術實現要素：
為了克服現有技術的缺點，本發明提供了一種定日鏡面型微弧角度的計算方法，適用於大容量塔式電站定日鏡的面型設計及安裝指導，在定日鏡的鏡架結構設計上，通過採用平面鏡的角度拼接構成整體面型的微弧角度用以實現定日鏡光斑形狀與吸熱器受光面尺寸和熱力特性間的匹配，採用本發明方法既可減少鏡場的截斷損失和保證吸熱器安全運行，使平面玻璃反射鏡在中大型定日鏡場的應用中既能夠達到鏡場整體聚光效率的要求又能有效降低反射鏡的技術難度。
本發明所採用的技術方案是：一種定日鏡面型微弧角度的計算方法，包括如下步驟：
步驟一、建立m×n個子鏡坐標系，其中m表示在x方向上的子鏡面數，n表示在y方向上的子鏡面數；
步驟二、確定子鏡排序規則：
x正方向排序x負方向排序
y正方向排序y負方向排序
步驟三、依次求出每一環定日鏡的一組最優傾斜角xk：
(1)針對一臺定日鏡，計算出每面子鏡中心點反射的光線與吸熱器面的交點pi，i＝1、2、……，m×n；
(2)將所有的交點pi記入points，表示為：
(3)p(:,ii)兩兩相減，求其模量：
(4)令中的每一項均等於0～imrad，計算f(ii,jj)；
(5)f(ii,jj)為最小值時所對應的一組xk即為最優傾斜角。
與現有技術相比，本發明的積極效果是：利用定日鏡支撐結構與反射鏡之間採用可調螺栓連接，根據拼接規律，計算出每一面反射子鏡相對支架平面的傾斜角度，轉換為連接螺栓的位移量，通過調節相應的螺栓長度得到整體微弧度聚光面型。鑑於離吸熱器距離不同的定日鏡「焦距」不同，因此構造的微弧角度也應該不同，本發明提出一種較為便利的計算方法，可以準確、高效的計算出全鏡場不同位置的定日鏡的微弧角度，並且綜合了工程施工便利的考慮，根據角度分布規律，將全鏡場分為若干環區，每個環區採用同一套微弧角度，這樣不僅能保證鏡場的光學性能，也不會給工程施工造成不利影響。採用本發明方法使反射光斑尺寸縮小，能流密度分布更加集中，減少了溢出損失，提高了鏡場效率，最終可達到降低鏡場成本的終極目的。
附圖說明
本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：
圖1為偶數鏡面型微弧度構造方式；
圖2為奇數鏡面型微弧度構造方式；
圖3為70平米定日鏡傾斜角度構造示意圖；
圖4定日鏡在x方向上最優傾斜角度；
圖5定日鏡在y方向上最優傾斜角度；
圖6為平面定日鏡反射到吸熱器上的太陽光斑形狀；
圖7為構造了微弧角度的定日鏡反射太陽光斑形狀。
具體實施方式
定日鏡微弧角度構造方案m×n(表示x方向上m面子鏡，y方向上n面子鏡)
定日鏡的規格為l×w(長×寬)
子鏡尺寸：
在x方向上有個傾斜角度θ，表示為
y方向上有個傾斜角度
共需建立m×n個子鏡坐標系。每個子鏡的坐標系定義為cssubj，subj＝1、2……m×n。
子鏡排序規則：
x正方向排序x負方向排序
y正方向排序y負方向排序
第一象限的子鏡為：
第二象限的子鏡為：
第三象限的子鏡為：
第四象限的子鏡為：
根據定日鏡面型構造研究結果，同一環上定日鏡傾斜角度相同，因此只需計算不同環的定日鏡傾斜即可。
假設定日鏡坐標為k＝1～r，其中r為環數。
因此，對每一環定日鏡均有一組傾斜角度，設為一個傾斜角度向量
針對一臺定日鏡，只需通過上述方法計算出每面子鏡中心點(即子鏡坐標系的原點)反射的光線與吸熱器面的交點p，這樣就存在m×n個p。令中的每一項都賦值0～imrad，i表示最大傾斜角度，該角度由鏡場規模確定，通常為mrad量級，由此可得到若干組point，其中存在一組最收斂的point，該組point對應的xk即為該臺定日鏡最優傾斜角。具體方法如下：
通過反射定理求得反射向量，和吸熱器面相交，得到每個子鏡中心點反射的太陽光線在吸熱器的位置。將所有的交點記入points，points包含m×n個坐標，表示為：
p(:,ii)兩兩相減，求其模量。
令中的每一項均等於0～imrad，計算f(ii,jj)，f(ii,jj)最小值所對應的一組xk即為最優傾斜角。
每一環定日鏡均有一組最優傾斜角，依次求出每一環最優的xk，k＝1～r。
基於工程應用的考慮，如果每一環都按各自最優傾斜角進行調整，安裝工程量大，可操作性低。因此在光斑尺寸合理範圍內，考慮分環區，同一個環區採用一組傾斜角度，既可減小安裝工作量，又可控制光斑尺寸，達到提高鏡場效率的目的。
根據定日鏡子鏡數量的奇偶有兩種微弧角度構造方式，圖1為偶數鏡面型微弧度構造方式，中心子鏡構造角度為0，即平行於定日鏡旋轉中心，其他子鏡以該平面為中心依次對稱布置。圖2為奇數鏡面型微弧度構造方式，所有子鏡以定日鏡旋轉中心為中心，依次對稱布置。圖中僅為示意，實際傾斜角度不限於圖1、圖2中的2個或3個角度。
以下以100mw容量等級太陽能塔式熱發電站為例實施本發明方法，定日鏡採用74平米規格，以一次傾斜角度構造為例說明，如圖3所示。
定日鏡的規格為9.9m×7.5m(長×寬)；擬傾斜子鏡模塊尺寸：4.95m×3.75m；在x方向和y方向各傾斜一個角度，用本發明的計算方法，計算這兩個角度。在x方向上的傾斜角度表示為θ，y方向上的傾斜角度表示為η。如圖4、圖5所示，本發明方法計算得到最優的傾斜角度分別是：θ＝0.0020rad，η＝0.0019rad。
根據上述最優傾斜角度計算結果，利用光線追跡法進行光斑模擬，得到微弧面型的定日鏡反射光斑，見圖7，與圖6純平面型的定日鏡反射光斑相對比，有明顯聚光效果，光斑質量得到提高，構造後的光斑明顯較之前光斑能流分布更為集中，充分體現了本發明的優勢。