塔式电站中定日镜转动角度分析

丁伟杰（南京师范大学，江苏南京，210042）

塔式电站中定日镜转动角度分析

丁伟杰
（南京师范大学，江苏南京，210042）

在塔式太阳能热发电技术中，定日镜场的对日追踪是电站正确运行的基础。本文建立了定日镜的反射模型，结合欧拉旋转公式，获得了全镜场定日镜转动角度分布特性。

塔式太阳能； 太阳轨迹 ；双轴转动； 角度分析

0 引言

自从进入工业时代，能源的过度开采及低水平的开发利用带来的能源危机，促使清洁高效的太阳能成为了世界各国的关注和研究对象。

目前主要的太阳能发电技术主要包括光伏和光热发电。光热发电因其能耗低，大规模发电经济效应好而成为主要的太阳能发电方式。其中，塔式热发电系统中定日镜场的设计以及定日镜对于太阳的跟踪能力决定了投射到吸热塔上的吸热器中的太阳能的多少。对于镜场中定日镜的反射建模和控制角度的分析，在定日镜场安全高效运行中起到了重要作用。

目前，对于定日镜场的余弦效率的研究，已经获得了一些成果。但是，对于全镜场定日镜角度控制方面，缺乏具体细致的建模和分析。本文以塔式太阳能发电站为研究对象，通过分析镜场的运行特性，定日镜对太阳的追踪问题，结合太阳运动特性以及其辐射的分布情况，建立了矩形镜场下的镜场反射模型。结合欧拉旋转公式。，对全镜场的定日镜转动角度进行分析，从而掌握定日镜的机械转动特性，以确保电站稳定持续运行。

1 镜场布置及开关场时间

本文以青海德令哈地区为参考对象，设计了一个矩形镜场。该镜场共有2500面定日镜，每面镜子面积为5.55平方米[1]。考虑到长方形镜面的风抗小，且根据经验，定日镜的长宽比为1.6:1.25[2]时为理想比例，所以采用长为2.7米，宽为2.1米的长方形定日镜。相邻的定日镜之间的距离都是定日镜的特征长度为20厘米。定日镜的支架高度为2.25米。

具体布置方法如下：

其中xL为相邻定日镜之间的左右距离，yL为前后距离。

2 定日镜反射模型

定日镜用于将太阳的入射光线准确地反射到吸热器上，这要求定日镜能够准确地进行的实时对日追踪。本文采用的对日追踪方式是双轴追踪[3]，即采用对方位轴和高度轴的控制进行跟踪。其中方位轴垂直于水平面，高度轴与水平面平行且与方位轴垂直。本节利用定日镜上光的反射定律进行建模[4]，对定日镜双轴转动的角度控制进行仿真，得到定日镜双轴转动的角度分布情况。

由于定日镜场反射太阳辐射能量，而一年四季中夏季和冬季太阳辐射分别为最强和最弱，春分日和秋分日处于平均水平，所以春分日镜场反射能量可以看作一年中镜场反射能量的平均值。从而，本文选择春分日进行仿真，从而了解镜场全年的定日镜双轴控制的角度转动特性。

定日镜将接收到的太阳辐射反射到吸热塔的吸热器中，如图1，设入射光线为，高度角和方位角设为α1→和β1，反射光¯→线为，高度角和方位角¯¯→设为α2和β2。则入射光线I ，反射光线R以及定日镜的法线N 满足反射定律,如下：

设定日镜的法线为，的高度角和方位角分别为α和β，如图1。

可以求得：

图1 定日镜反射示意图

3 定日镜双轴转动角度特性分析

对于双轴视日跟踪方法中，对高度轴和方位轴的控制可以视为现将定日镜绕高度轴旋转角度y,再绕方位轴旋转¯¯角¯→度z。假设定日镜的初始位姿为平行于地面，即其法线方向N0为(001)T，根据欧拉旋转定理[5]，将法线先绕高度轴旋转角度y，再绕方位轴旋转角度z，可以等效为将法向量依次左乘旋转矩阵R,R,得到新的法向量¯N¯→为(abc)T.如下式.

yz222

可知，双轴转动的高度轴转动角度和定日镜的高度角相等，方位轴转动角度比定日镜的方位角少180°。

通过对春分日全镜场的定日镜双轴控制进行仿真可得到其任意时刻全镜场的高度轴和方位轴相对于定日镜初始位姿的角度变化大小，取春分日12点进行仿真，如图2所示。

进一步得可以得知春分日全镜场定日镜追日过程中需要改变的方向轴和高度轴角度的最大值，为270°和85°。双轴转动角度应该满足定日镜的机械特性，角度过大会导致转轴的磨损和能量的损失。对于定日镜转轴的角度研究有助于设定每面定日镜的初始位姿以及改变镜场的布置结构。

4 结论

本文对塔式太阳能热发定日镜反射模型进行了建模，通过分析定日镜双轴控制角度转动情况，得到定日镜场各方位定日镜的机械特性，对于保证镜场的安全高效运行有着重要作用，并对于定日镜的初始位姿的设计有着指导意义。

图2 双轴控制角度变化图

[1]何丽娟.塔式电站中定日镜场的建模与仿真[D].南京师范大学，2014.

[2]杜春旭，王普，马重芳，吴玉庭，申少青.一种高精度太阳位置算法[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]煮雷鸣，吴晓平，李建伟，吴星.直角坐标系的欧拉旋转变化[J]海洋测绘，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