一种用于塔式太阳能热发电厂的定日镜镜场

摘要

本发明公开了一种用于塔式太阳能热发电厂的定日镜镜场，包括近塔区和远塔区，所述近塔区中定日镜的密度大于所述远塔区中定日镜的密度，所述近塔区包括至少一个近塔分区，所述远塔区包括至少一个远塔分区，每个所述近塔分区中的定日镜排布方式为线性定镜行间距交错排布、线性定镜行间距非交错排布、环形变镜行间距非交错排布中的任意一种，每个所述远塔分区中的定日镜排布方式为线性变镜行间距交错排布，环形变镜行间距交错排布中的任意一种。与现有技术相比，本发明在电站规模较大时有效提高太阳能镜场的反射效率，并且排布规则简单明了，易于施工与维护。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能热发电领域，尤其涉及一种用于塔式太阳能热发电厂的定日镜镜场。

背景技术

塔式太阳能热发电系统是利用一系列具有自动跟踪太阳轨迹功能的定日镜组成的太阳能镜场，将太阳光集中反射至安装于一定高度的吸热器上，加热流经吸热器内的工质，将光能转化为热能，由此直接或间接地产生高温蒸汽来驱动汽轮机进行发电。

在太阳能镜场中，定日镜的布局方式直接影响塔式太阳能热发电系统的光电效率。同时，定日镜总投资成本占电站总投资成本的40％-50％。太阳能镜场作为塔式太阳能热发电系统的重要组成部分，效率越高，同等规模下所需要定日镜的数量也越少，从而减少了投资成本，有效地提高了系统的经济性。因此，如何优化定日镜的排布成为塔式热发电系统的关键技术之一。

传统麦田型和辐射型塔式太阳能热发电厂的镜场中，定日镜排布采用的是线性/环形交错方式，但传统麦田型镜场在规模较大或者吸热器安装高度较低的情况下，距离吸热塔较远的定日镜光学效率较低；传统辐射型镜场在距离吸热塔较近的高效率区域所布置的定日镜数目又过少，降低了镜场的整体效率，增加了定日镜的数量和镜场成本。

中国专利CN102753906B公开了一种仿生学定日镜排布方式，该方式是按照费马螺线规则布置定日镜，一定程度上减少了定日镜之间的阴影遮挡损失，提高了镜场效率，但该方式所排布镜场比较复杂，不便于实际工程的施工与维护，在大规模塔式太阳能热发电站的实际应用中是不适合的。

发明内容

本发明的针对上述现有技术存在的问题，提供一种用于塔式太阳能热发电厂的定日镜镜场，在电站规模较大时有效提高太阳能镜场的反射效率，并且排布规则简单明了，易于施工与维护。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：一种用于塔式太阳能热发电厂的定日镜镜场，包括近塔区和远塔区，所述近塔区中定日镜的密度大于所述远塔区中定日镜的密度，

所述近塔区包括至少一个近塔分区，所述远塔区包括至少一个远塔分区，每个所述近塔分区中的定日镜排布方式为线性定镜行间距交错排布、线性定镜行间距非交错排布、环形变镜行间距非交错排布中的任意一种，每个所述远塔分区中的定日镜排布方式为线性变镜行间距交错排布，环形变镜行间距交错排布中的任意一种。

当所述近塔区最后一个镜行中的定日镜的遮光距离≥α倍定日镜最小安全距离时，则该最后一个镜行不再设置，并且进行近塔区与远塔区的分隔，其中，α∈(0,10]，优选为α∈(0，3]，采用此种设计，一方面可以减少定日镜之间的相互遮挡，充分利用每个定日镜中的反射面反射太阳光，另一方面又能够尽可能地提高近塔区中的定日镜密度，提高整个镜场的反射效率。

所述近塔区中最靠近远塔区的定日镜镜行与所述远塔区中最靠近近塔区的定日镜镜行之间的间距至少为倍的定日镜最小安全距离。本申请中的定日镜最小安全距离是指在任何正常运行状态下，相邻定日镜之间不会发生相互碰撞的最小距离。

所述近塔区中最靠近吸热塔的镜行中的定日镜能够在安全运行的条件下，保证吸热塔下至少留有空间放置储热系统、换热系统等吸热塔周边相关设备，采用此种设计，能够保证电站相关设备的正常布置和运行，同时还能尽量减小近塔区中最靠近吸热塔的镜行与吸热塔之间的间距，提高土地的利用率。

所述近塔区中最靠近吸热塔的镜行与吸热塔之间的距离至少能够保证在有光照的时间内，近塔区中最靠近吸热塔的镜行中的定日镜始终能够将太阳光反射至吸热塔顶的吸热器表面。

所述近塔分区个数大于1时，相邻的近塔分区之间通过分区通道分隔，相邻的近塔分区之间的分区通道的宽度至少为倍定日镜最小安全距离。

所述近塔区内设置有至少一条运维通道，设置运维通道可以方便定日镜清洗车等维修维护设备进入近塔分区内，每个近塔分区内的运维通道，既可以与镜行平行的方式设置于该近塔分区内，也可以贯穿镜行的方式设置于该近塔分区内。

每个所述近塔分区的同一镜行中相邻定日镜之间的间距至少为定日镜最小安全距离。如此设计，既能防止相邻定日镜之间发生相互碰撞损坏，又能最大化的提高近塔分区中定日镜的密度，提高镜场的反光效率。

当所述近塔分区中定日镜的排布按线性定镜行间距交错排布时，相邻两镜行的间距至少为倍定日镜最小安全距离；当所述近塔分区中定日镜按照线性定镜行间距非交错排布时，相邻两镜行的间距至少为定日镜最小安全距离；当所述近塔分区中定日镜的排布按照环形变镜行间距非交错排布时，相邻两镜行的间距至少为定日镜最小安全距离与0.7倍的相邻镜行的定日镜遮光距离中的大者。采用此种设计，可以使近塔分区中的镜行排列地尽量紧密，同时又能够避免定日镜发生遮挡，可以有效提高整个定日镜场的反光效率，降低定日镜场的使用面积。

本申请中，相邻镜行的定日镜遮光距离是指镜场中的定日镜非交错排布时，第n镜行中的定日镜A(n≧1)与第n+1镜行中的最靠近定日镜A的定日镜B之间在任何正常运行状态下均不发生相互遮挡的最小距离，第n镜行比第n+1镜行靠近吸热塔。

所述远塔分区个数大于1时，相邻的远塔分区之间通过分区通道分隔，相邻远塔分区之间的分区通道的宽度至少为倍定日镜最小安全距离。本发明通过在相邻远塔分区之间设置分区通道，可以有效控制远塔分区中远离吸热塔的镜行中相邻定日镜间的间距，从而提高镜场土地利用率。

每个远塔分区内设置有至少一条运维通道。设置运维通道可以方便定日镜清洗车等维修维护设备进入远塔分区内，每个远塔分区内的运维通道，既可以与镜行平行的方式设置于该远塔分区内，也可以贯穿镜行的方式设置于该远塔分区内。

当所述远塔分区中的定日镜按照线性变镜行间距交错排布或按照环形变镜行间距交错排布时，该远塔分区中相邻两镜行之间的间距至少为0.5倍定日镜最小安全距离与0.35倍相间镜行的定日镜遮光距离中的大者。在远塔区中，定日镜之间的相互遮挡造成的反射效率的损失要大于提高定日镜密度所提高的反射效率，因此，此种设计既可尽量减少定日镜之间的相互遮挡，同时还能有效减少定日镜的占地面积。

本申请中，相间镜行的定日镜遮光距离是指镜场中的定日镜交错排布时，第n(n≧1)镜行中的定日镜A与第n+2行中的最靠近定日镜A的定日镜C之间在任何正常运行状态下均不发生相互遮挡的最小距离。

每个所述远塔分区中最靠近吸热塔的镜行中相邻两定日镜之间的间距至少为1倍的定日镜最小安全距离。

每个所述远塔分区中，第i行(i>1)中的定日镜反射面中心点位于由吸热塔顶的吸热器和第i-1行中相邻的两个定日镜的中心连线的中点确定的直线上。

每个所述远塔分区中距离吸热塔最远的镜行中相邻两个定日镜之间的间距不大于β倍的定日镜最小安全距离，β∈(1,8]，优选为β∈(1,4]。

本申请中，近塔区靠近吸热塔，远塔区远离吸热塔，定日镜最小安全距离是指相邻定日镜在任何正常运行状态下不会发生相互碰撞的最小距离。

线性定镜行间距交错排布是指在固定区域内，任意两个相邻镜行之间的间距均为固定值，且后一镜行中的定日镜位于前一镜行中相邻两个定日镜的中点的正后方。

线性定镜行间距非交错排布是指在固定区域内，任意两个相邻镜行之间的间距均为固定值，且后一镜行中的定日镜位于前一镜行中的定日镜的正后方。

环形变镜行间距非交错排布是指在固定区域内，定日镜成圆环形排布，相邻两个镜行之间的间距不是固定值，并且后一镜环(镜行)中的定日镜位于前一镜环(镜行)中的定日镜的正后方。环形排布中，镜行也叫镜行。

环形变镜行间距交错排布与环形变镜行间距非交错排布的不同之处在于：在环形变镜行间距交错排布中，后一镜环(镜行)中的定日镜位于前一镜环(镜行)中相邻两个定日镜的中点的正后方。

线性变镜行间距交错排布是指在固定区域内，任意两个相邻镜行之间的间距不为固定值，且后一镜行中的定日镜位于前一镜行中的相邻两个定日镜之间。

定日镜遮光距离是指当两个定日镜前后排列，并与吸热塔在水平方向处于同一直线上时，其中靠近吸热塔的定日镜在任何正常运行状态下均不会对另一远离吸热塔的定日镜反射面产生遮挡的最小距离。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在太阳能镜场中，成千上万个定日镜需要将太阳光反射至设置于吸热塔上的吸热器表面，单个定日镜的反射效率受制于余弦效率(其中，余弦效率＝cos(太阳入射角))，即定日镜镜面与水平面的夹角越小，定日镜镜面接收太阳能的有效面积越大，余弦效率越高，定日镜的反射效率越高，而定日镜与水平面的夹角大小与定日镜和吸热塔的距离有关，定日镜距离吸热塔越近，水平角越小，反射效率越高，距离吸热塔越远，水平角越大，反射效率越低，在距离吸热塔距离较近处(近塔区)设置较高密度的定日镜会减少土地使用，增大整个镜场的反光效率，但与此同时，随着定日镜场中镜行数量的增加，定日镜与吸热塔之间的距离也逐渐增加，导致定日镜的水平角逐渐增大，如果仍采用高密度排布定日镜，定日镜之间会产生相互遮挡。本发明中提供的定日镜场通过将具有较高定日镜密度的近塔区和具有较低定日镜密度的远塔区结合，在整个镜场达到相同的反光效率的同时，可以减少定日镜的使用数量，同时，还能在一定程度上减少镜场的占地面积。

2、本发明还通过优化近塔区和远塔区中相邻镜行间距及同一镜行中相邻定日镜之间的间距，在定日镜场达到同样反光效率的同时，进一步减少土地面积和定日镜数量的使用，降低镜场的总成本，同时还能保证定日镜之间不发生相互干涉，保证定日镜的安全运行。

附图说明

图1是本发明的定日镜镜场中相邻定日镜之间的定日镜最小安全距离示意图；

图2是本发明的定日镜镜场采用圆形镜场形制时镜行间距、镜列间距示意图；

图3是本发明的定日镜镜场采用线性排布方式时镜行间距，镜列间距示意图；

图4是本发明的定日镜镜场中定日镜、吸热器、太阳三者之间的位置关系图；

图5是本发明的定日镜镜场中定日镜间遮光距离示意图；

图6是本发明的线性定镜行间距交错排布示意图；

图7是本发明的线性定镜行间距非交错排布示意图；

图8是本发明的环形变镜行间距交错排布示意图；

图9是本发明的线性变镜行间距交错排布示意图；

图10是本发明的定日镜场近塔区采用方形镜场形制，远塔区采用圆形镜场形制的示意图；

图11是本发明的定日镜场近塔区采用圆形镜场形制，远塔区采用方形镜场形制的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

首先，在具体描述具体实施方式之前，对具体实施方式中涉及的具体技术术语结合附图作详细解释。

如图1所示，给出了确定定日镜最小安全距离的示意图，图1中具体包括定日镜101、定日镜外接圆102、定日镜101的长边长l₁，短边长l₂，定日镜101的安装误差余量D_err，定日镜最小安全距离是指相邻两个定日镜外接圆102相切时外接圆圆心之间的距离D_min，即安装误差余量D_err为0时的距离。

如图2所示，当定日镜按照圆环形排布时(环形变镜行间距非交错排布或者环形变镜行间距交错排布)，相邻镜行之间的间距为相邻镜环(镜行)的径向半径之差dr，同一镜环(镜行)相邻定日镜之间的间距为相邻定日镜之间的直线距离dm。图2中，标号201表示镜场中的某一镜行(未示出定日镜)。采用圆形镜场形制时，镜列间距即为同一镜环(镜行)相邻定日镜之间的间距。

如图3所示，当定日镜按照线性排布时(线性定镜行间距交错排布、线性定镜行间距非交错排布或线性变镜行间距交错排布)，相邻镜行之间的间距为相邻镜行之间的垂直距离dx，镜列间距即同一镜行相邻定日镜之间的间距为相邻定日镜之间的直线距离dy，图3中，301表示镜场中的某一镜行。

如图4所示，图4(a)表示吸热塔402、太阳位于定日镜的同侧，图4(b)表示吸热塔402、太阳分别位于定日镜的两侧。

如图5所示，定日镜遮光距离是指当两个定日镜前后排列，并与吸热塔402在水平方向处于同一直线上时，其中靠近吸热塔的定日镜在任何正常运行状态下均不会对另一远离吸热塔的定日镜反射面产生遮挡的最小距离D，图5中R表示靠近吸热塔的定日镜与吸热塔之间的水平距离，H_t表示吸热塔的高度。

如图6所示，定日镜按线性定镜行间距交错排布的示意图，图6中301表示某一镜行，102表示定日镜外接圆。

如图7所示，定日镜按线性定镜行间距非交错排布的示意图。

如图8所示，定日镜按环形变镜行间距非交错排布的示意图。

如图9所示，定日镜按线性变镜行间距交错排布的示意图，镜行1、镜行2和镜行3之间的间距不同。

实施例1

请参见图10，本发明实施例提供的用于塔式太阳能热发电厂的定日镜镜场，包括距离吸热塔401较近的近塔区501和距离吸热塔较远的远塔区602，其中，近塔区501为方形形制，远塔区602为圆形形制，具体地，在布置镜场时，近塔区501中可设置至少一个近塔分区，远塔区602中可设置至少一个远塔分区，每个近塔分区中的定日镜排布方式选自线性定镜行间距交错排布、线性定镜行间距非交错排布、环形变镜行间距非交错排布中的任意一种，每个远塔分区中的定日镜排布方式选自线性变镜行间距交错排布，环形变镜行间距交错排布中的任意一种。

在本实施例中，由于近塔区501为方形形制，远塔区602为圆形形制，为了最大化的提高定日镜镜场的反射效率，在方形近塔区501边界与其外接圆603限定的区域内(即图10中阴影部分区域)，定日镜按照远塔区的排布方式进行排布。另外，需要说明的是，本发明对近塔区501和远塔区602的具体形制不作限制，近塔区501可以为方形，也可以为圆形，远塔区602可以为方形，也可以为圆形，不仅仅限于本实施例中的具体情况。

具体地，在实际布置镜场的过程中，当近塔区最后一个镜行中的定日镜的遮光距离≥α倍定日镜最小安全距离时，则该最后一个镜行不再设置，并且进行近塔区503与远塔区502的分隔，其中，α∈(0，10]，优选α∈(0，3]，采用此种设计，一方面可以减少定日镜之间的相互遮挡，充分利用每个定日镜中的反射面反射太阳光，另一方面又能够尽可能地提高近塔区503中的定日镜密度，提高整个镜场的反射效率。

可选的，近塔区503与远塔区502通过分区通道分隔，并且该分区通道的宽度至少为倍定日镜最小安全距离。

可选的，近塔区中最靠近远塔区的镜行与远塔区中最靠近近塔区的镜行之间的间距至少为倍的定日镜最小安全距离。

可选的，所述近塔区中最靠近吸热塔的镜行与吸热塔之间的距离至少能够保证在有光照的时间内，近塔区中最靠近吸热塔的镜行中的定日镜始终能够将太阳光反射至吸热塔塔顶的吸热器表面。

优选的，当进行近塔区503的布置时，近塔区中最靠近吸热塔的镜行与吸热塔之间的距离在定日镜安全运行的条件下，至少能够保证吸热塔下留有足够空间放置储热系统、换热系统等吸热塔周边设备；采用此种设计，能够保证电站相关设备的正常布置和运行，同时还能尽量减小近塔区中最靠近吸热塔的镜行与吸热塔之间的间距，提高土地的利用率。

可选的，近塔分区个数大于1时，近塔区中相邻的近塔分区之间通过分区通道分隔，相邻的近塔分区之间的分区通道的宽度至少为倍定日镜最小安全距离。

优选的，每个近塔分区内设置的分区通道，既可以与镜行平行的方式设置于该近塔分区内，也可以贯穿的方式设置于该近塔分区内可径向贯穿该近塔分区。在具体布置近塔分区中的定日镜时，每个所述近塔分区同一镜行中相邻定日镜之间的间距至少为定日镜最小安全距离，而每个近塔分区中相邻镜行之间的间距，需要根据具体布局方式选择合适的相邻镜行间距，当所述近塔分区按线性定镜行间距交错排布时，相邻两镜行间距至少为倍的定日镜最小安全距离；当所述近塔分区按照线性定镜行间距非交错排布时，相邻两镜行间距至少为定日镜最小安全距离；当所述近塔分区按照环形变镜行间距非交错排布时，相邻两镜行间距至少为定日镜最小安全距离与0.7倍避免相邻镜行的定日镜遮光距离中的大者。

可选的，当进行远塔区的布置时，远塔分区个数大于1时，相邻的远塔分区之间通过分区通道分隔，相邻远塔分区之间的分区通道的宽度至少为倍的定日镜最小安全距离。远塔分区内的分区通道既可与该远塔分区中的镜行平行，也可以径向贯穿该远塔分区，具体可根据实际应用需要进行设置。

可选的，每个远塔分区最靠近吸热塔的的镜行中相邻两定日镜之间的间距至少为定日镜最小安全距离，即每个远塔分区中的第一镜行中相邻两定日镜之间的间距至少为定日镜最小安全距离；当每个远塔分区的第一镜行确定后，远塔分区后续的镜行确定原则为：第i行(i>1)中的定日镜反射面中心点位于由吸热塔顶的吸热器和第i-1行中相邻的两个定日镜的中心连线的中点确定的直线上，并且，相邻两镜行之间的间距还要大于等于0.5倍的定日镜最小安全距离与0.35倍避免相间镜行定日镜遮光距离中的大者；当按照上述原则依次布置远塔分区镜行时，如果新布置的镜行中相邻定日镜之间的间距小于或者等于β倍的定日镜最小安全距离时，则允许该镜行的布置，并继续按照前述原则布置下一镜行，如果新布置的镜行中相邻定日镜之间的间距大于β倍的定日镜最小安全距离时，则该镜行取消，该远塔分区的排布停止，设置分区通道后重新设置下一个远塔分区或者停止，其中，β∈(1，8]，优选β∈(1，4]。

实施例2

如图11所示，当近塔区为503圆形时，远塔区502为方形时，为了最大化地提高定日镜镜场的反射效率，需要对圆形近塔区503进行方形化调整，即在圆形近塔区503边界线与其外切正方形601之间限定的区域内(即图11中的阴影部分区域)，定日镜按照远塔区502的排布方式进行排布。

本实施例中，每个近塔分区和远塔分区之间的分布规则以及每个近塔分区和远塔分区中具体的镜行、定日镜的排布规则与实施例1基本无差别。

需要说明的是，本发明的近塔区和远塔区的定日镜分布并不仅仅限于上述实施例1和实施例2的方式，但是，具体的每个近塔分区和远塔分区之间的分布规则以及每个近塔分区和远塔分区中具体的镜行、定日镜的排布规则与实施例1基本无差别。

在太阳能镜场中，成千上万个定日镜需要将太阳光反射至设置于吸热塔上的吸热器表面，单个定日镜的反射效率受制于余弦效率(其中，余弦效率＝cos(太阳入射角))，即定日镜镜面与水平面的夹角越小，定日镜镜面接收太阳能的有效面积越大，余弦效率越高，定日镜的反射效率越高，而定日镜与水平面的夹角大小与定日镜和吸热塔的距离有关，定日镜距离吸热塔越近，水平角越小，反射效率越高，距离吸热塔越远，水平角越大，反射效率越低，在距离吸热塔距离较近处(近塔区)设置较高密度的定日镜会减少土地使用，增大整个镜场的反光效率，但与此同时，随着定日镜场中镜行数量的增加，定日镜与吸热塔之间的距离也逐渐增加，导致定日镜的水平角逐渐增大，如果仍采用高密度排布定日镜，定日镜之间会产生相互遮挡。本发明中提供的定日镜场通过将具有较高定日镜密度的近塔区和具有较低定日镜密度的远塔区结合，在整个镜场达到相同的反光效率的同时，可以减少定日镜的使用数量，同时，还能在一定程度上减少镜场的占地面积。

本发明还通过优化近塔区和远塔区中相邻镜行间距及同一镜行中相邻定日镜之间的间距，在定日镜场达到同样反光效率的同时，进一步减少土地面积和定日镜数量的使用，降低镜场的总成本，同时还能保证定日镜之间不发生相互干涉，保证定日镜的安全运行。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。