本發(fā)明涉及一種多點(diǎn)聚焦塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的聚焦點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于太陽(yáng)能光熱發(fā)電
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是通過(guò)多面反射鏡構(gòu)成的鏡場(chǎng)將太陽(yáng)能聚焦到高塔上，再利用集熱器將光能轉(zhuǎn)化為熱能，直接或間接將水加熱生成水蒸氣，進(jìn)而利用水蒸氣驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電，如申請(qǐng)?zhí)枮?01310373199.8的中國(guó)專利所示?，F(xiàn)有的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站一般采用開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制以及開(kāi)閉環(huán)結(jié)合3種跟蹤控制方式使其定日鏡隨著太陽(yáng)位置的變動(dòng)調(diào)整角度，實(shí)時(shí)將太陽(yáng)光全部反射到集熱器。理想條件下，不同的鏡子對(duì)焦不同，所有的反射能量疊加后保證沿軸向即吸熱管長(zhǎng)度方向上受熱均勻一致，不會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。但由于這樣設(shè)計(jì)鏡場(chǎng)復(fù)雜度高，一般僅設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)聚焦點(diǎn)。通常塔式發(fā)電系統(tǒng)理論聚光比達(dá)到1000以上，當(dāng)定日鏡的目標(biāo)點(diǎn)均在集熱器上同一位置(即單點(diǎn)聚焦)，易導(dǎo)致集熱器吸熱管局部位置出現(xiàn)較大的熱流密度，進(jìn)而引起吸熱管過(guò)熱，損壞集熱器結(jié)構(gòu)，影響電站的正常運(yùn)行。具體的，對(duì)于集熱器吸熱管單根管道而言，其外徑相對(duì)于集熱器直徑很小，因此太陽(yáng)輻射熱流在單根吸熱管受熱面周向分布基本均勻，而吸熱管軸向(即高度方向)輻射熱流分布通常在定日鏡場(chǎng)單點(diǎn)聚焦時(shí)變化較大，易在鏡場(chǎng)聚焦點(diǎn)位置處出現(xiàn)過(guò)大的輻射熱流，導(dǎo)致熱故障。對(duì)此，可以采用多點(diǎn)聚焦的鏡場(chǎng)控制策略，即對(duì)定日鏡場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)控制，太陽(yáng)輻射投射到集熱器受熱面的不同聚焦點(diǎn)，使受熱面的熱負(fù)荷分布更加均勻。故聚焦點(diǎn)位置確定的優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸提上日程。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，而提供一種多點(diǎn)聚焦塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的聚焦點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使得集熱器吸熱管受熱面輻射熱流分布更加均勻。本發(fā)明解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種多點(diǎn)聚焦塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的聚焦點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：采用具有多個(gè)極大值的高斯分布描述塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站定日鏡場(chǎng)多點(diǎn)聚焦時(shí)集熱器吸熱管表面高度方向上具有多個(gè)熱流集中點(diǎn)的輻射熱流分布，具體包括以下步驟：(1)確定集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)：設(shè)集熱器吸熱管高度為h；(2)確定多點(diǎn)聚焦時(shí)，輻射熱流和聚焦點(diǎn)位置的高斯分布關(guān)系式；(3)確定多點(diǎn)聚焦時(shí)，其他聚焦點(diǎn)pi的位置piz和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式；i為聚焦點(diǎn)的序號(hào)；piz為第i個(gè)聚焦點(diǎn)的位置；(4)根據(jù)步驟(2)和步驟(3)得到輻射熱流和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式；(5)根據(jù)步驟(4)得到輻射熱流極大值和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式，在集熱器吸熱管接收的總輻射熱流恒定的情況下，以第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化，得到輻射熱流極大值qmax的最優(yōu)值，所述的最優(yōu)值使輻射熱流極大值qmax最小，此時(shí)其對(duì)應(yīng)的第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z為最優(yōu)位置；(6)根據(jù)步驟(5)得到的第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z為最優(yōu)位置，結(jié)合步驟(3)，得到其他聚焦點(diǎn)pi的位置piz；所述輻射熱流為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站定日鏡場(chǎng)多點(diǎn)聚焦時(shí)，集熱器吸熱管表面高度方向上具有的多個(gè)熱流集中點(diǎn)的輻射熱流；所述的聚焦點(diǎn)分布于集熱器上。優(yōu)選的，本發(fā)明所述步驟(2)中高斯分布輻射熱流的位置參數(shù)μi為聚焦點(diǎn)的位置所在的高度參數(shù)，以計(jì)算式(1)得到；高斯分布的尺度參數(shù)σ通過(guò)高斯分布的3σ原則由計(jì)算式(2)得到：μi＝piz(i＝1,2,3,…,n)(1)3σ＝p1z(2)；式中：p1z為第一個(gè)聚焦點(diǎn)的位置；i為聚焦點(diǎn)的序號(hào)；piz為第i個(gè)聚焦點(diǎn)的位置。對(duì)于多點(diǎn)聚焦熱流密度分布，本發(fā)明采用符合實(shí)際情況的具有多個(gè)極大值的高斯分布函數(shù)來(lái)表示集熱器吸熱管表面具有多個(gè)熱流集中點(diǎn)，熱流集中點(diǎn)個(gè)數(shù)和熱流極大值個(gè)數(shù)相等。同時(shí)，熱流集中點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的熱流為極大值熱流，則高斯分布輻射熱流的位置參數(shù)μi為熱流集中點(diǎn)所在的高度參數(shù)，即μi＝piz(i＝1,2,3,…,n)。高斯分布的3σ原則為高斯分布的固有特性，即高斯曲線下，橫軸區(qū)間(μ-3σ≤x≤μ+3σ)內(nèi)的面積為99.7％。這樣可以保證集熱器吸熱管在不同聚焦點(diǎn)位置引起不同的輻射熱流高斯分布時(shí)，受熱面接受的鏡場(chǎng)聚焦總輻射熱流相同。優(yōu)選的，本發(fā)明所述步驟(2)中輻射熱流和聚焦點(diǎn)位置的高斯分布關(guān)系式為計(jì)算式(3)：式中：q為集熱器吸熱管表面高度方向上的輻射熱流；qmax為輻射熱流極大值；e為自然常數(shù)；σ為高斯分布的尺度參數(shù)；n為聚焦點(diǎn)的個(gè)數(shù)；△z為高斯分布波峰和波谷的橫軸間距；z為集熱器吸熱管表面高度方向上的位置變量，其區(qū)間范圍為[0-h]。對(duì)于多點(diǎn)聚焦熱流密度分布，本發(fā)明采用符合實(shí)際情況的具有多個(gè)極大值的高斯分布函數(shù)來(lái)表示集熱器吸熱管表面具有多個(gè)熱流集中點(diǎn)，可得輻射熱流和聚焦點(diǎn)位置的高斯分布關(guān)系式——計(jì)算式(3)。優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(3)中，其他聚焦點(diǎn)pi的位置piz和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式為計(jì)算式(4)和(5)：(n-1)·△z＝h/2-p1z(4)piz＝p1z+2·(i-1)·△z(5)。綜合考慮高斯分布函數(shù)對(duì)稱特性和管道結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到計(jì)算式(4)和(5)。優(yōu)選的，本發(fā)明第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的區(qū)間范圍為[0-h/2]。通過(guò)限定優(yōu)化變量的搜索上下界能夠有效地減小變量在優(yōu)化過(guò)程中的搜索范圍，提高運(yùn)算效率。根據(jù)高斯分布函數(shù)的對(duì)稱特性，第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z在區(qū)間范圍[0-h/2]內(nèi)取值，這樣可使得多點(diǎn)聚焦時(shí)，聚焦點(diǎn)位置在集熱器吸熱管整個(gè)高度h上均勻分散分布。本發(fā)明步驟(4)中，輻射熱流和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式為計(jì)算式(6)：本發(fā)明所述的集熱器型式為外置四周式。本發(fā)明所述的聚焦點(diǎn)分布于集熱器中心軸線上。本發(fā)明所述的集熱器為多個(gè)圓弧面構(gòu)成的圓柱型，或者多個(gè)平面構(gòu)成的棱柱型。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：本發(fā)明針對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站定日鏡場(chǎng)多點(diǎn)聚焦控制策略，將集熱器吸熱管表面高度方向上輻射熱流不均勻度最小作為優(yōu)化目標(biāo)，得到最優(yōu)化的聚焦點(diǎn)位置，使得集熱器吸熱管表面高度方向上的輻射熱流極大值最小，輻射熱流不均勻度最小，能夠很好地避免集熱器表面局部過(guò)熱，進(jìn)而延長(zhǎng)發(fā)電站的使用壽命。同時(shí)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、快速。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明實(shí)施例集熱器吸熱管表面軸向輻射熱流和聚焦點(diǎn)位置的高斯分布示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例不同聚焦方式下輻射熱流極大值和第一個(gè)聚焦點(diǎn)位置的關(guān)系示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例兩點(diǎn)聚焦時(shí)，最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。圖4為本發(fā)明實(shí)施例五點(diǎn)聚焦時(shí)，最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。本發(fā)明以集熱器吸熱管表面高度方向上輻射熱流不均勻度最小作為優(yōu)化目標(biāo)，采用具有多個(gè)極大值的高斯函數(shù)來(lái)描述塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站定日鏡場(chǎng)多點(diǎn)聚焦時(shí)吸熱管表面高度方向上具有的多個(gè)熱流集中點(diǎn)的輻射熱流分布，得到輻射熱流極大值和聚焦點(diǎn)位置的關(guān)系式，以聚焦點(diǎn)位置為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化，使得定日鏡場(chǎng)多點(diǎn)聚焦時(shí)，集熱器吸熱管表面高度方向輻射熱流極大值最小，進(jìn)而輻射熱流不均勻度最小。通常，集熱器吸熱管表面接收到的定日鏡反射陽(yáng)光的能流密度看作按高斯函數(shù)或余弦函數(shù)分布。本發(fā)明選擇采用高斯函數(shù)當(dāng)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站采用多點(diǎn)聚焦策略時(shí)，采用具有多個(gè)極大值的高斯分布函數(shù)來(lái)表示集熱器吸熱管表面具有多個(gè)熱流集中點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)固定的定日鏡場(chǎng)，接受到的總輻射熱流一定，則集熱器吸熱管具有相同的平均熱流。在平均熱流一定的情況下，可以用熱流極大值表征熱流分布的不均勻度。集熱器型式為外置四周式，且其對(duì)應(yīng)周向布置的定日鏡場(chǎng)。聚焦點(diǎn)分布于集熱器中心軸線上。集熱器可以是多個(gè)圓弧面構(gòu)成的圓柱型，也可以是多個(gè)平面構(gòu)成的棱柱型。本發(fā)明中：q為集熱器吸熱管表面高度方向上的輻射熱流；qmax為輻射熱流極大值(也稱最大熱流、極大熱流)；e為自然常數(shù)；σ為高斯分布的尺度參數(shù)；n為聚焦點(diǎn)的個(gè)數(shù)；△z為高斯分布波峰和波谷的橫軸間距；h為集熱器吸熱管高度；i為聚焦點(diǎn)的序號(hào)；p1z為第一個(gè)聚焦點(diǎn)的位置；piz為第i個(gè)聚焦點(diǎn)的位置；z為集熱器吸熱管表面高度方向上的位置變量，且其區(qū)間范圍為[0-h]。第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的區(qū)間范圍為[0-h/2]。本發(fā)明所述輻射熱流為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站定日鏡場(chǎng)多點(diǎn)聚焦時(shí)，集熱器吸熱管表面高度方向上具有的多個(gè)熱流集中點(diǎn)的輻射熱流。本發(fā)明所述的聚焦點(diǎn)分布于集熱器上，這個(gè)概念對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是屬于公知技術(shù)，不再累述。本實(shí)施例具體包括以下步驟：(1)確定集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)：集熱器吸熱管高度h；實(shí)際電站設(shè)計(jì)中，集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)為已知值。本發(fā)明實(shí)施例參考目前已有塔式太陽(yáng)能電站集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，集熱器吸熱管高度取h＝10m。(2)確定多點(diǎn)聚焦時(shí)，輻射熱流和聚焦點(diǎn)位置的高斯分布關(guān)系式；如圖1所示，對(duì)于多點(diǎn)聚焦熱流密度分布，本發(fā)明實(shí)施例采用符合實(shí)際情況的具有多個(gè)極大值的高斯分布函數(shù)來(lái)表示集熱器吸熱管表面具有多個(gè)熱流集中點(diǎn)，熱流集中點(diǎn)個(gè)數(shù)和熱流極大值個(gè)數(shù)相等。同時(shí)，熱流集中點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的熱流為極大值熱流，則高斯分布輻射熱流的位置參數(shù)μi為熱流集中點(diǎn)位置所在的高度參數(shù)，即計(jì)算式(1)：μi＝piz(i＝1,2,3,…,n)，因此根據(jù)圖1，對(duì)于多點(diǎn)聚焦熱流密度分布，本發(fā)明采用符合實(shí)際情況的具有多個(gè)極大值的高斯分布函數(shù)來(lái)表示集熱器吸熱管表面具有多個(gè)熱流集中點(diǎn)，可得輻射熱流和聚焦點(diǎn)位置的高斯分布關(guān)系式：計(jì)算式(3)：(3)確定多點(diǎn)聚焦時(shí)，其他聚焦點(diǎn)pi的位置piz和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式；如圖1所示，綜合考慮高斯分布函數(shù)對(duì)稱特性和管道結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到如下其他聚焦點(diǎn)pi的位置piz和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式：計(jì)算式(4)和(5)：(n-1)·△z＝h/2-p1z(4)piz＝p1z+2·(i-1)·△z(5)。(4)根據(jù)步驟(2)和(3)得到輻射熱流和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式：計(jì)算式(6)：(5)根據(jù)步驟(4)得到的輻射熱流極大值和第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z的關(guān)系式，在集熱器吸熱管接收的總輻射熱流恒定的情況下，以第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化，得到輻射熱流極大值qmax的最優(yōu)值，該最優(yōu)值使輻射熱流極大值qmax最小，此時(shí)其對(duì)應(yīng)的第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z為最優(yōu)位置；同一時(shí)刻，對(duì)于一個(gè)固定的定日鏡場(chǎng)，聚焦點(diǎn)位置不同導(dǎo)致不同的輻射熱流高斯分布，但定日鏡場(chǎng)反射聚焦到集熱器吸熱管表面的總輻射熱流是相同的，在以第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化過(guò)程中，必須保證受熱面接收的鏡場(chǎng)聚焦輻射總熱流相同。則在圖1中，第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z和高斯分布的輻射熱流尺度參數(shù)σ的關(guān)系必須滿足高斯分布的3σ原則，如計(jì)算式(2)所示：3σ＝p1z(2)。高斯分布的3σ原則為高斯分布的固有特性，即高斯曲線下，橫軸區(qū)間(μ-3σ≤x≤μ+3σ)內(nèi)的面積為99.7％。這樣可以保證集熱器吸熱管在不同聚焦點(diǎn)位置導(dǎo)致不同的輻射熱流高斯分布時(shí)，受熱面接受的鏡場(chǎng)聚焦輻射總熱流相同。如圖2所示，單點(diǎn)聚焦時(shí)，輻射熱流極大值qmax隨著第1個(gè)聚焦點(diǎn)位置p1z增大，輻射熱流極大值qmax持續(xù)減小，在p1z＝h/2處取得最小值，此時(shí)的聚焦點(diǎn)位置即為單點(diǎn)聚焦方式下，聚焦點(diǎn)的最優(yōu)位置；多點(diǎn)聚焦方式下，輻射熱流極大值qmax與第1個(gè)聚焦點(diǎn)的位置p1z密切相關(guān)，且變化趨勢(shì)一致，均隨著第1個(gè)聚焦點(diǎn)位置p1z增大，輻射熱流極大值qmax先減小后增大。考慮到對(duì)于固定的定日鏡場(chǎng)，吸熱管接收的總輻射熱流不變，則集熱器吸熱管具有相同的平均熱流。在平均熱負(fù)荷一定的情況下，可以用輻射熱流極大值表征熱流分布的不均勻性。因此對(duì)應(yīng)最小的輻射熱流極大值qmax所取的第1個(gè)聚焦點(diǎn)位置p1z即為第1個(gè)聚焦點(diǎn)的最優(yōu)位置。輻射熱流極大值qmax越小，意味著吸熱管表面的能流分布不均勻性越小，熱偏差越小，吸熱管越不易出現(xiàn)過(guò)熱故障。(6)根據(jù)步驟(5)得到的第一個(gè)聚焦點(diǎn)p1的位置p1z為最優(yōu)位置，結(jié)合步驟(3)，得到其他聚焦點(diǎn)pi的位置piz；圖3為集熱器吸熱管高度取h＝10m，平均熱負(fù)荷qavg取100kw/m2時(shí)，兩點(diǎn)聚焦方式下最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。將最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置和極大熱流從圖3提取出來(lái)，列出如表1。表1兩點(diǎn)聚焦方式下的最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置和極大熱流聚焦方式極大熱流kw/m2最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置/m兩點(diǎn)聚焦qmax＝189.5p1z＝3.63；p2z＝6.37圖4為集熱器吸熱管高度取h＝10m，平均熱負(fù)荷qavg取100kw/m2時(shí)，五點(diǎn)聚焦方式下最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置以及集熱器吸熱管的輻射熱流分布。將最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置和極大熱流從圖4提取出來(lái)，列出如表2。表2五點(diǎn)聚焦方式下的最優(yōu)聚焦點(diǎn)位置和極大熱流本說(shuō)明書(shū)中所描述的以上內(nèi)容僅僅是對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)所作的舉例說(shuō)明；而且，本發(fā)明各部分所取的名稱也可以不同，凡依本發(fā)明專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡(jiǎn)單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12