一种基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法技术

本文公开一种基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法，特别涉及定日镜场因云影遮挡造成效率损失的工况下集热器效率计算方法。首先建立晴空辐射模型，计算不考虑大气因素的理想状况下到达大气层上界太阳辐射强度，即晴空辐照强度。其次，建立定日镜场的光学效率计算模型，分析定日镜反射的余弦效率等各顶效率损失。将云层按照气象标准分为十大类，每一种类型代表不同的透光率、形态和分布特性。当天气变化时，大气云层对太阳光线的折射、散射和吸收效应也就不同，可以用晴空因子来表征这个遮挡系数。根据光学镜面反射的原理，建立定日镜反射模型，当云层移动变化时，聚光能量可实时计算，通过辅助能源系统调节电能输出，使集热器输出趋于平缓。

【技术实现步骤摘要】
一种基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法
本专利技术涉及塔式太阳能热发电中云层对定日镜场太阳光线遮挡效率分析，具体涉及一种基于晴空因子的分析太阳光线遮挡效率计算方法。
技术介绍
在中国乃至世界范围内，煤炭、石油和天然气等化石能源一直以来作为主要的能源供给形式支撑着工业的发展。然而，化石能源在地球上的总储量是有限的，按照现在的开采和消耗速度，在不久的将来耗尽。同时，化石能源的利用也带来巨大的环境污染、温室效应和酸雨等问题，这些问题使人们的生存和生活环境变得越来越严峻。能源枯竭已经成为制约全球经济和社会发展的重大瓶颈。因此，采用一些新的能源形势来代替化石能源，是世界范围内人们共同探索的一个话题，同时也应放在我国战略高度探究的话题。近年来，诸如风能、太阳能、核能等新的清洁能源越来越得到人们的重视，其中塔式太阳能热发电作为一种太阳能利用途径在我国和世界范围内已有多个项目实验基地。作为一种新型的太阳能发电技术，其整机功率大、能连续发电、光热转换效率高等优势得到一致认可，发电设备的生产过程不产生污染物，应用前景十分广阔。塔式太阳能热发电主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统、发电机系统实现对太阳的实时跟踪，将太阳光反射到吸热器上。位于高塔上的吸热器吸收由定日镜系统反射过来的太阳辐射能，并将其转化为工作流体的高温热能。高温流体通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器，产生高温高压蒸汽，推动传统汽轮机发电。塔式太阳能热发电系统可以实现多种集成模式。在现有的各类塔式太阳能热发电试验站中，定日镜系统和发电系统都基本相同，不同的只是吸热与热能传递系统。在各类热能传递系统中，最具商业化潜质且研究最多的是熔盐系统。本专利所述的方法也正是基于熔盐传热系统。
技术实现思路
根据ASHARE晴空辐射模型可计算出一年中某天天阳光线到达大气层表面的辐射强度，即未透过云层之前的太阳光线辐射强度。将云层按照气象学标准划分为卷云、卷积云、层云等十类，每类云层有不同的透光率，对太阳光线的阻挡作用也不相同。实时监测天气及云影运动情况是保证太阳能热发电系统安全运行的关键所在，然而目前很多研究都是基于晴空条件下进行的，没有考虑天空中的云影对集热器集热效率产生的影响。鉴于此，本专利技术提出了一种基于逐时辐射模型和分类云层模型的定日镜场集热器效率计算方法。太阳辐射光线会经过大气中气溶胶、云层和悬浮颗粒物的散射、折射和吸收到达地面，其光照强度必然会受到损失。在研究到达定日镜场的太阳辐射强度之前，我们需要首先知道入射到大气层上界的太阳辐射强度Eo。ASHARE晴空辐射模型对垂直于太阳射线大气层表面光照强度计算式为：式中n为日期序列数(即1月1日为1，1月2日为2，2月1日为32)；Esc为太阳常数，为太阳与地球距离为平均值时地球大气层表面垂直太阳射线的辐射强度，取值为1367W/m2。影响太阳辐射的三个因子是云量、太阳高度角和空气含湿量。对水平面逐时辐射量与大气层外水平面总辐射量的关系影响分析可知，在忽略大气污染等因素影响的前提下，水平面太阳辐射总量与大气层上界太阳辐射总量的关系只与云量有关。大气对太阳光照强度衰减程度主要取决于云层的类型，因此我们可以根据国际气象组织的标准，将云层划分为十大类型，分别为卷云、卷积云、高积云、积雨云、积云、卷层云、高层云、雨层云、层积云和层云，每种对应不同的天气状态，其透光率参数也各不相同，如表1所示。其中，M为大气质量数，T为M＝1即太阳天顶角Z＝0时刻对应的不同云层平均透光率。表1不同云层对应的参数特性当Z增大时透过云层的光学路径增大，其对光强的衰减程度增加，即云层透光率和云层路径长度成反比，又因为dZ＝d/cosZ，则任意太阳天顶角Z下的云层平均透光率为：任意时刻太阳的高度角可通过如下公式计算：sinH＝sinφsinδ+cosφcosδcost(3)其中，H是太阳高度角，当太阳高度角为90°时，此时太阳辐射强度最大；当太阳斜射地面时，太阳辐射强度就小。φ是当地的地理纬度。δ是当地的太阳赤纬角，即是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。t是当时的太阳时角，是天文学中的一个重要概念，一个天体的时角定义为天子午圈与天体的赤经圈在北极所成的球面角，或在天赤道上所夹的弧度。时角随地球的自转而变化，且与测者所在的子午圈有关。时角的单位通常采用相应的时间单位，以0～24时取代0°～360°。在塔式太阳能热发电项目中，本方法可以根据云层对太阳辐射强度的阻挡效应和云层在定日镜场的投影区域计算出某时刻的聚光能量，并可以根据气象卫星拍摄的云层变化情况实时预测短期内的镜场聚光能量。因此，在晴朗没有云层的天气中，光热发电的能量会大一些；当有云层移动并遮挡定日镜长区域时，镜场聚集太阳辐射能量会减小，此时可以通过增加辅助能源的方式弥补云影遮挡的太阳能损失，从而使整个发电站受云影的影响最小，发出功率更平稳。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1一种基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法流程图图2塔式太阳能热发电工艺流程图图3定日镜反射示意图具体实施方式步骤1：采集定日镜场的运行参数信息，以著名的SolarTwo塔式光热电站为例。SolarTwo电站额定发电功率10MW，蓄热容量114MW，其熔盐吸热器为一外圆柱面形管式吸热器。吸热器柱面上共布置了24块管板，每块管板有32根吸热管。吸热管外径20.06mm，管壁1.2mm，吸热管外的特殊涂层可吸收95％的太阳辐射能。整个吸热器高6.2m，直径5.1m。熔盐进入吸热器时的温度为290℃，流出温度为565℃。步骤2：采集SolarTwo塔式太阳能光热发电实验电站所在地理位置信息，纬度为34°52′18″N，经度为116°50′03″W。根据地理位置信息，可计算一天中任意时刻的太阳高度角。计算方法如公式(3)所示。式中H为太阳高度角，是所求的变量。φ是地理维度，此处取值34°52′18″N。δ为赤纬角，以年为周期，在+23°26′与-23°26′的范围内移动，成为季节的标志。例如夏至日，太阳直射北回归线，δ取值应为+23°26′。t为时角，单位通常采用相应的时间单位，以0～24时取代0°～360°步骤3：太阳辐射模型是太阳能应用的理论基础之一，晴天太阳辐射模型又是计算最大接收能量的便利工具。根据AShare晴空辐射模型，计算天文太阳辐射强度，方法如公式(1)所示。例如，春分日的日序数是80，则代入公式，计算得到太阳辐射强度为1405.5W/m2。步骤4：根据对云层的分类，实时判断云层类型。不同的云层有不同的透光率，对太阳光线的衰减效应也是不同的。以卷云为例，其云层高度为7000至8000米，云层的平均透光率为0.8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法，其特征在于，包括数据采集部分、数据处理部分和模型建立部分；其中，/n所述数据采集部分，提取塔式太阳能热发电运行参数；/n所述数据处理部分，用于计算太阳角度；/n所述模型建立部分，用于计算集热器效率；/n

【技术特征摘要】
1.一种基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法，其特征在于，包括数据采集部分、数据处理部分和模型建立部分；其中，
所述数据采集部分，提取塔式太阳能热发电运行参数；
所述数据处理部分，用于计算太阳角度；
所述模型建立部分，用于计算集热器效率；


2.根据权利要求1所述的基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法，其特征是，所述数据采集部分具体包括，
提取塔式太阳能热发电系统中运行参数数据，标注数据构建样本集，每个样本包括额定发电功率、蓄热容量、塔高、吸热管数量和尺寸、吸热器温度等信息；


3.根据权利要求1所述的基于云层分类的塔式太阳能热发电集热器效率计算方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大中，吕同兴，王超，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13