[發(fā)明專利]塔式太陽能熱電系統(tǒng)鏡場的聚焦策略優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410649209.0
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN104408527B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙豫紅;陳將
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/06;F24S23/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 張法高

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及塔式太陽能熱電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是涉及一種塔式太陽能熱電系統(tǒng)鏡場的聚焦策略優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

塔式太陽能熱電系統(tǒng)利用很多個獨立跟蹤太陽的定日鏡，將太陽光聚焦到一個固定在接收塔頂部的吸熱器上，加熱流經(jīng)吸熱器內(nèi)部的傳熱介質(zhì)，再使用高溫介質(zhì)的熱能帶動汽輪機、發(fā)電機來發(fā)電。它是所有大規(guī)模太陽能發(fā)電技術(shù)中成本最低的一種，有著廣泛的應(yīng)用前景。

塔式太陽能熱電系統(tǒng)中的聚光、集熱子系統(tǒng)，包括定日鏡場和安裝在接收塔上的吸熱器等，一直是研究的關(guān)注點。在定日鏡場的聚光仿真中，需要關(guān)注吸熱器獲得的能量多少以及能流密度分布情況，通常是假設(shè)所有定日鏡聚焦于吸熱器物理中心點以簡化計算。然而如果在系統(tǒng)實際運行時采用此聚焦策略則會造成吸熱器表面受熱不均勻和局部溫度過高，導(dǎo)致?lián)Q熱效率低甚至損壞吸熱器，進而影響整個系統(tǒng)的可靠性。因此必須采用合理的聚焦策略，來優(yōu)化吸熱器受熱面的能流密度分布。所謂合理的聚焦策略，應(yīng)該在保證吸熱器接收到的能量盡可能多的前提下，使吸熱器受熱面上的能量分布更均勻，避免較大的溫度梯度的出現(xiàn)，以此保護吸熱器，利于換熱，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的鏡場聚焦策略的研究中，有的技術(shù)通過設(shè)計鏡場聚焦方式，來達到更高的聚光倍數(shù)，但并沒有考慮到因此會出現(xiàn)的吸熱器過熱現(xiàn)象，從而存在安全隱患；有的技術(shù)以吸熱器上能流密度均勻，避免吸熱器局部溫度過高為目標(biāo)，進行鏡場聚焦策略調(diào)度，但在聚光過程中并未考慮定日鏡之間的陰影損失和吸熱器接收的總能量大小等因素，與實際情況有差距；也有的技術(shù)旨在降低吸熱器峰值能流密度，將原有的一個聚焦點拓展到兩個聚焦點，實現(xiàn)鏡場聚焦策略的改變，但是對于吸熱器上的能流密度分布均勻程度的改善效果不明顯。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種塔式太陽能熱電系統(tǒng)鏡場的聚焦策略優(yōu)化方法，保證了吸熱器接收到高能量，并使得吸熱器上能量分布均勻，達到保護吸熱器、利于換熱、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

(1)將定日鏡場分塊，吸熱器上確定多個聚焦點。

將鏡場劃分為若干個分塊，各鏡場分塊中包含相同數(shù)量的定日鏡。在平面式吸熱器受熱面確定一個矩形的聚焦點限定框，來限定聚焦點分布范圍，從而避免聚焦點選取在吸熱器邊緣位置而造成鏡場的溢出損失過大、吸熱器接收到的能量偏小的不良后果。將此聚焦點限定框按兩組邊長進行等長劃分為若干個小矩形，各聚焦點選為各小矩形的中心。

(2)計算每個鏡場分塊聚焦到每個聚焦點上所對應(yīng)產(chǎn)生的能流密度矩陣。

將平面式吸熱器受熱面進行網(wǎng)格化。在一個給定的時刻點，根據(jù)幾何投影和光線追跡相結(jié)合的方法，并基于GPU，在MATLAB中計算出某一個鏡場分塊聚焦到某一個聚焦點上時吸熱器各網(wǎng)格中心的能流密度值，從而得到對應(yīng)的能流密度矩陣。重復(fù)這一過程，直到每個鏡場分塊聚焦到每個聚焦點時對應(yīng)產(chǎn)生的能流密度矩陣都獲得。

(3)以吸熱器各網(wǎng)格的能流密度的標(biāo)準(zhǔn)差最小為目標(biāo)，吸熱器上的功率不小于預(yù)設(shè)值為約束條件，構(gòu)造優(yōu)化問題。

為了實現(xiàn)鏡場的聚焦策略優(yōu)化，需要確定所有鏡場分塊各自的聚焦點，且同一鏡場分塊內(nèi)的定日鏡聚焦到同一聚焦點，在吸熱器上的功率不小于某一預(yù)設(shè)值的約束條件下，使得吸熱器各網(wǎng)格的能流密度的標(biāo)準(zhǔn)差最小，達到吸熱器上能流密度分布均勻的目的。約束條件的設(shè)置，旨在保證吸熱器接收到的能量盡可能大。

(4)利用帶有精英保留策略的多變異位自適應(yīng)遺傳算法來求解優(yōu)化問題，得到最優(yōu)的鏡場聚焦策略。

自適應(yīng)遺傳算法中，交叉概率和變異概率能夠隨適應(yīng)度自動改變，可以根據(jù)公式計算相對某個解的最佳交叉概率和變異概率。精英保留策略的實施方式是，把群體在進化過程中迄今出現(xiàn)的最好的幾個個體，即精英個體，不進行配對交叉而直接復(fù)制到下一代中，并將新一代群體中適應(yīng)度值最小的幾個個體淘汰掉。多變異位是將染色體中多個基因位進行變異。

每個個體用一個二進制編碼的二維矩陣進行表示，代表各鏡場分塊聚焦到各聚焦點的情況，即一種可能的聚焦策略。矩陣每一列包含且僅包含一個“1”元素，其余為“0”元素；“0”、“1”元素分別表示某個鏡場分塊未聚焦到或者聚焦到某個聚焦點。

算法中的選擇運算利用輪盤賭規(guī)則來實現(xiàn)。交叉和變異運算分別通過特定的方式來進行，且在變異運算中，需引入體現(xiàn)多變異位思想的第二變異概率p_m2，它決定了當(dāng)個體需要進行變異時，對應(yīng)的染色體矩陣中有多少列需要變異。

優(yōu)化問題中的約束條件的處理方式為：在遺傳算法中，將不滿足約束條件的個體的適應(yīng)度設(shè)為0，則個體在進化中不會被選擇。