[发明专利]基于蒙特卡洛和坐标变换结合的抛物面槽式聚光器建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抛物面槽式太阳能热发电聚光集热系统的建模方法。

背景技术

太阳能热发电将太阳能的光能聚焦转化为热能，再利用传热流体吸收热能，然后通过换热装置进行能量交换，产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽推动汽轮发电机系统产生电能。在太阳能热发电技术领域，由于太阳辐照具有分散性和能量密度低的特点，无法满足太阳能热发电对能量的需求，因此需要采用聚光集热系统将太阳光进行聚集，提高能量密度，以满足热发电技术对能量的需求，提高太阳能热利用效率。

按照不同的聚光集热系统，可分为抛物面槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式太阳能热发电技术。在这四种太阳能热发电方式中，抛物面槽式太阳能热发电技术相对成熟和应用范围最广。与其他聚光式太阳能集热器相比，抛物面槽式太阳能集热器具有以下优点：属于线聚焦系统，结构紧凑，占地面积小，比塔式和碟式聚光系统要小30％～50％；用于聚焦太阳光的抛物面槽式聚光器加工简单，制造成本较低，单位面积所需的钢材和玻璃少；抛物面槽式集热装置所需的构件形式不多，容易实现标准化，适合于批量生产。就目前的应用规模而言，抛物面槽式太阳能热发电无疑是其最重要的技术应用方向。抛物面槽式集热器还广泛应用于工业过程用热，太阳能海水淡化，太阳能空调，太阳能化学和太阳能制氢等太阳能中温热利用技术领域。

国外对槽式太阳能热发电技术研究较早，全球太阳能热发电装机容量稳步上升，西班牙和美国是主要的热发电市场。20世纪80年代初，以色列和美国联合组建了LUZ太阳能热发电国际有限公司,1981-1991年间，在南加州建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量354MW，投资10亿美元，目前是世界上规模最大、成效最高的槽式太阳能热发电工程。2010年7月到2013年3月，阿布扎比建起世界上最大的单座槽式太阳能热发电站“Shams 1”，总装机容量达100MW，聚光器总面积2.5平方公里，总投资6亿美元，年发电量210GW·h。中国槽式太阳能热发电技术起步较晚，但发展较快。中国国家发展和改革委员会2007年颁布的《可再生能源中长期发展规划》，2011年颁布的《产业结构调整指导目录》和国家能源局2012年颁布的《太阳能发电发展“十二五”规划》都把太阳能热发电技术作为重点和优先发展方向，尤其是槽式太阳能热发电技术，提出了建设300MW槽式太阳能与火电互补示范电站和50MW槽式太阳能示范工程。2009年10月太阳能光热产业技术创新战略联盟成立，2013年该光热联盟被认定为“国家太阳能光热产业技术创新战略联盟”，该联盟成员主要是进行系统集成和生产太阳能热发电的主要设备，包括抛物面槽式吸热管，抛物面槽式聚光器，储热系统和支架结构等。

抛物面槽式聚光器是槽式太阳能热发电系统的核心部件之一。太阳能通过聚光器的聚集，可以提高能量密度，满足发电要求。抛物面槽式聚光器的光学性能对槽式热发电系统具有重要的影响，尤其是聚光器聚光集热效率对槽式系统的效率影响重大。聚光器光学性能的研究，为槽式热发电系统传热性能的研究提供了依据，为槽式聚光集热系统的安全性分析提供了理论依据，因此对聚光器光学性能的研究具有非常重要的应用价值和工程用途。

数值模拟是抛物面槽式聚光器光学性能研究的重要方式之一。国内外主要采用数值模拟与仿真，对聚光器的光学性能进行了大量研究。1977年Evans在考虑光锥模型的情况下，模拟了抛物面碟式聚光器在吸热板上的能流密度分布。M.Jeter利用半有限方法模拟了太阳光线在不同入射角情况下，抛物面槽式聚光器在真空吸热器上的能流密度分布。哈尔滨工业大学刘颖博士利用有限元法和蒙特卡洛方法模拟了抛物面碟式聚光器能流密度分布和研制了能流密度测量系统。西安交通大学何雅玲教授利用蒙特卡洛和有限体积法模拟了太阳光线垂直入射时，抛物面槽式聚光器在吸热管上的能流密度分布。在光学性能的研究中，很少考虑聚光器跟踪误差和真空管安装误差对能流密度的影响。聚光器跟踪误差和真空管安装误差很可能会引起真空管沿着圆周方向局部能流密度过大，进而不利于槽式集热系统的传热换热系能，并且增大槽式太阳能热发电系统的安全隐患。