塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，实施步骤如下：（1）将定日镜场分块，吸热器上确定多个聚焦点；（2）计算每个镜场分块聚焦到每个聚焦点上所对应产生的能流密度矩阵；（3）以吸热器各网格的能流密度的标准差最小为目标，吸热器上的功率不小于预设值为约束条件，构造优化问题；（4）利用带有精英保留策略的多变异位自适应遗传算法来求解优化问题，得到最优的镜场聚焦策略。本发明专利技术中，塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面上的能量分布均匀，有利于保护吸热器、提高换热效率、加强系统性能，为塔式太阳能热电站的运行提供参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及塔式太阳能热电系统领域，特别是涉及一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法。
技术介绍
塔式太阳能热电系统利用很多个独立跟踪太阳的定日镜，将太阳光聚焦到一个固定在接收塔顶部的吸热器上，加热流经吸热器内部的传热介质，再使用高温介质的热能带动汽轮机、发电机来发电。它是所有大规模太阳能发电技术中成本最低的一种，有着广泛的应用前景。塔式太阳能热电系统中的聚光、集热子系统，包括定日镜场和安装在接收塔上的吸热器等，一直是研究的关注点。在定日镜场的聚光仿真中，需要关注吸热器获得的能量多少以及能流密度分布情况，通常是假设所有定日镜聚焦于吸热器物理中心点以简化计算。然而如果在系统实际运行时采用此聚焦策略则会造成吸热器表面受热不均匀和局部温度过高，导致换热效率低甚至损坏吸热器，进而影响整个系统的可靠性。因此必须采用合理的聚焦策略，来优化吸热器受热面的能流密度分布。所谓合理的聚焦策略，应该在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面上的能量分布更均匀，避免较大的温度梯度的出现，以此保护吸热器，利于换热，保障系统稳定性。现有的镜场聚焦策略的研究中，有的技术通过设计镜场聚焦方式，来达到更高的聚光倍数，但并没有考虑到因此会出现的吸热器过热现象，从而存在安全隐患；有的技术以吸热器上能流密度均匀，避免吸热器局部温度过高为目标，进行镜场聚焦策略调度，但在聚光过程中并未考虑定日镜之间的阴影损失和吸热器接收的总能量大小等因素，与实际情况有差距；也有的技术旨在降低吸热器峰值能流密度，将原有的一个聚焦点拓展到两个聚焦点，实现镜场聚焦策略的改变，但是对于吸热器上的能流密度分布均匀程度的改善效果不明显。
技术实现思路
本专利技术提供了一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，保证了吸热器接收到高能量，并使得吸热器上能量分布均匀，达到保护吸热器、利于换热、提高系统稳定性的目的。本专利技术采用的技术方案如下：(1)将定日镜场分块，吸热器上确定多个聚焦点。将镜场划分为若干个分块，各镜场分块中包含相同数量的定日镜。在平面式吸热器受热面确定一个矩形的聚焦点限定框，来限定聚焦点分布范围，从而避免聚焦点选取在吸热器边缘位置而造成镜场的溢出损失过大、吸热器接收到的能量偏小的不良后果。将此聚焦点限定框按两组边长进行等长划分为若干个小矩形，各聚焦点选为各小矩形的中心。(2)计算每个镜场分块聚焦到每个聚焦点上所对应产生的能流密度矩阵。将平面式吸热器受热面进行网格化。在一个给定的时刻点，根据几何投影和光线追迹相结合的方法，并基于GPU，在MATLAB中计算出某一个镜场分块聚焦到某一个聚焦点上时吸热器各网格中心的能流密度值，从而得到对应的能流密度矩阵。重复这一过程，直到每个镜场分块聚焦到每个聚焦点时对应产生的能流密度矩阵都获得。(3)以吸热器各网格的能流密度的标准差最小为目标，吸热器上的功率不小于预设值为约束条件，构造优化问题。为了实现镜场的聚焦策略优化，需要确定所有镜场分块各自的聚焦点，且同一镜场分块内的定日镜聚焦到同一聚焦点，在吸热器上的功率不小于某一预设值的约束条件下，使得吸热器各网格的能流密度的标准差最小，达到吸热器上能流密度分布均匀的目的。约束条件的设置，旨在保证吸热器接收到的能量尽可能大。(4)利用带有精英保留策略的多变异位自适应遗传算法来求解优化问题，得到最优的镜场聚焦策略。自适应遗传算法中，交叉概率和变异概率能够随适应度自动改变，可以根据公式计算相对某个解的最佳交叉概率和变异概率。精英保留策略的实施方式是，把群体在进化过程中迄今出现的最好的几个个体，即精英个体，不进行配对交叉而直接复制到下一代中，并将新一代群体中适应度值最小的几个个体淘汰掉。多变异位是将染色体中多个基因位进行变异。每个个体用一个二进制编码的二维矩阵进行表示，代表各镜场分块聚焦到各聚焦点的情况，即一种可能的聚焦策略。矩阵每一列包含且仅包含一个“1”元素，其余为“0”元素；“0”、“1”元素分别表示某个镜场分块未聚焦到或者聚焦到某个聚焦点。算法中的选择运算利用轮盘赌规则来实现。交叉和变异运算分别通过特定的方式来进行，且在变异运算中，需引入体现多变异位思想的第二变异概率pm2，它决定了当个体需要进行变异时，对应的染色体矩阵中有多少列需要变异。优化问题中的约束条件的处理方式为：在遗传算法中，将不满足约束条件的个体的适应度设为0，则个体在进化中不会被选择。当算法运行过程中，遇到下述任意一种情况，则算法终止：(a)算法运算代数达到设定的最大进化代数；(b)连续G代群体中的最大适应度不发生变化，G为设定的正整数。当算法终止时，得到最优个体，即最优的镜场聚焦策略，也就确定了每个镜场分块各自的聚焦点。同时算法结果还可以给出此聚焦策略对应的吸热器能流密度分布与成像图等信息。带有精英保留策略的多变异位自适应遗传算法的实施步骤如下：步骤一：设定算法初始参数，包括群体规模、最大进化代数、交叉和变异相关参数、约束条件参数、精英个体数等；步骤二：随机产生初始群体，结合适应度函数和约束条件，计算每个个体适应度，记录最优个体和精英个体；步骤三：根据轮盘赌规则进行选择；步骤四：按照自适应原理计算交叉概率，进行交叉；步骤五：按照自适应原理计算变异概率，并结合多变异位思想，进行变异；步骤六：计算经过选择、交叉、变异后的群体中每个个体的适应度，用保留的精英个体替换当前群体中适应度最小的几个个体，产生新一代群体，记录最优个体和精英个体，此时如果满足算法终止条件，则转到步骤七，否则转到步骤三；步骤七：输出最优个体，得到最优的镜场聚焦策略。本专利技术的有益效果是：按照本专利技术提出的塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，得到的最优镜场聚焦策略，能够在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面上的能量分布均匀，避免了吸热器上产生过高的温度梯度，有利于保护吸热器、提高换热效率、加强系统性能，为塔式太阳能热电站的运行提供参考附图说明图1是塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法流程图；图2是吸热器上聚焦点分布的示意图；图3是遗传算法中个体表示方式的示意图；图4是遗传算法中交叉运算的示意图；图5是实施例中的镜场分块图；图6是实施例中所有定日镜聚焦到吸热器受热面中心时的成像图；图7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，其特征在于它的步骤如下： (1)将镜场划分为若干个分块，各镜场分块中包含相同数量的定日镜，平面式吸热器上选取多个聚焦点，选取方式为：在吸热器表面确定一个矩形的聚焦点限定框，来限定聚焦点分布范围，将此聚焦点限定框按两组边长进行等长划分为若干个小矩形，各聚焦点选为各小矩形的中心； (2)计算每个镜场分块聚焦到每个聚焦点上所对应产生的能流密度矩阵； (3)以吸热器各网格的能流密度的标准差最小为目标，吸热器上的功率不小于预设值为约束条件，构造优化问题； (4)利用带有精英保留策略的多变异位自适应遗传算法来求解优化问题，得到最优的镜场聚焦策略。

【技术特征摘要】
1.一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，其特征在于它的步骤如下： 
(1)将镜场划分为若干个分块，各镜场分块中包含相同数量的定日镜，平面式吸热器上选取多个聚焦点，选取方式为：在吸热器表面确定一个矩形的聚焦点限定框，来限定聚焦点分布范围，将此聚焦点限定框按两组边长进行等长划分为若干个小矩形，各聚焦点选为各小矩形的中心； 
(2)计算每个镜场分块聚焦到每个聚焦点上所对应产生的能流密度矩阵； 
(3)以吸热器各网格的能流密度的标准差最小为目标，吸热器上的功率不小于预设值为约束条件，构造优化问题； 
(4)利用带有精英保留策略的多变异位自适应遗传算法来求解优化问题，得到最优的镜场聚焦策略。 
2.如权利要求1所述的一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，其特征在于所述的步骤(2)为： 
将平面式吸热器受热面进行网格化，形成(r·l)个网格，r为网格行数，l为网格列数；在一个给定的时刻点，根据几何投影和光线追迹相结合的方法，并基于GPU，在MATLAB中计算出某一个镜场分块聚焦到某一个聚焦点上时吸热器各网格中心的能流密度值，从而得到对应的能流密度矩阵，该矩阵是大小为(r·l)的二维矩阵；重复这一过程，直到所有镜场分块聚焦到每个聚焦点时对应产生的能流密度矩 阵都获得，因此总共有(na·nb)个大小为(r·l)的能流密度矩阵，其中，na为镜场分块数，nb为聚焦点数，并将这些矩阵整合到一个(r·l·(na·nb))的三维矩阵中，以此作为镜场聚焦策略优化的依据和基础。 
3.如权利要求1所述的一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，其特征在于所述的步骤(3)为： 
在吸热器上的功率不小于预设值的约束条件下，优化目标为吸热器各网格的能流密度的标准差σ最小，达到吸热器上能流密度分布均匀的目的，从而确定所有镜场分块各自的聚焦点，其中，同一镜场分块内的定日镜聚焦到同一聚焦点，对应的优化问题为： 
其中，P为吸热器上实际接收到的功率，P0为功率预设值，约束条件的设置，旨在保证吸热器接收到的能量尽可能大。 
4.如权利要求1所述的一种塔式太阳能热电系统镜场的聚焦策略优化方法，其特征在于所述的步骤(4)为： 
自适应遗传算法中，交叉概率pc和变异概率pm的计算公式为： 
其中，fmax为群体中的最大适应度，favg为群体平均适应度，fc为要交叉的两个个体中较大的适应度，fm为要变异个体的适应度，k1、k2、k3、k4为常数，0≤k1、k2、k3、k4≤1，k1＜k2，k3＜k4； 
精英保留策略的实施方式是，把群体在进化过程中迄今出现的最好的几个个体，即精英个体，不进行配对交叉而直接复制到下一代中，并将新一代群体中适应度值最小的几个个体淘汰掉； 
多变异位是将染色体中多个基因位进行变异； 
该遗传算法中的适应度函数f确定为： 
f＝M-σ                (4) 
其中，M为一个确定的足够大的正数； 
每个个体表示各镜场分块聚焦到各聚焦点的情况，即一种可能的聚焦策略，用一个nb·na的矩阵进行表示，并采用二进制编码，该矩阵称为染色体矩阵，矩阵每一列包含且仅包含一个“1”元素，其余为“0”元素；矩阵中，“0”、“1”元素表示的含义是：若矩阵第i行第j列(i＝1,2,...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵豫红，陈将，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33