塔式太阳能光热发电站镜场设计软件研究现状.pdf

“十四五”期间风光热储四维一体、多能互补将是能源利用新趋势，塔式光热发电凭借自身优势将迎来新的发展。但随着光热发电站镜场容量的增加，现有镜场设计软件计算开销大、效率低下的问题愈发的凸显。通过深入分析塔式太阳能热发电站镜场设计软件现状，对不同镜场设计软件中的初始布局、效率计算、布局优化、吸热器能流密度分布等关键算法进行系统梳理和优劣势对比，提出软件整体性能提升的路径，为塔式太阳能热发电站的建设及镜场设计软件开发提供了思路和理论参考。关键词：塔式太阳能；镜场布局；设计软件；算法中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1001-9006（2023）02-0041-07Research Progress on the Software of the Heliostat Field Layout of the SolarTower Thermal Power PlantHUANG Ju,YAN Zhiguo,DENG Biao*,WANG Zhiming1,ZHU Tong2(1.Dongfang ElectricAutomation Control Engineering Co.,Ltd.,610036,Chengdu,China;2.School of Mechanical Engineering,Tongji University,201804,Shanghai,China)Abstract:DuringtheFourteenthFive-YearPlanperiod,thefour-dimensionalintegrationandmulti-energycomplementation of solar and thermal storage will be the new trend of energy utilization,and tower solar thermal powergeneration will usher in new development with its own advantages.However,with the increase of the capacity of themirror field in the photothermal power station,the problems of high computational cost and low efficiency of the existingmirror field design software are increasingly prominent.This paper introduces and summarizes the key algorithms in thosesoftwares,such as initial layout,efficiency calculation,layout optimization,energy flow density distribution of the receiver,analyzes the differences in functions and algorithms of different software.At last,the existing problems and somesuggestions of the development of the software are discussed,and an outlook on the future development for the nextresearch has been prospected.Key words:solar tower thermal power;mirror field layout;design software;algorithms1收稿日期：2023-02-20作者简介：黄菊（1982），女，2008 年毕业于西南交通大学材料科学与工程专业，硕士研究生，主要研究方向为太阳能发电、储能等新能源技术，以及传统能源发电技术绿色低碳发展。邓彪（1991），男，硕士研究生，主要从事太阳能光热发电镜场设计工作。邮箱：。在“碳中和”愿景下，持续推动可再生能源大规模开发与利用，构建清洁低碳安全高效的现代化能源体系，是“十四五”阶段我国能源发展的重要方向。光热发电凭借其一体化的储能系统，具备稳定、可靠、调节性能优异等特点，正逐步成为中国能源结构低碳转型中的重要载体之一1。2022 年 3月国家发展改革委、国家能源局联合印发“十四五”现代能源体系规划表明，十四五将推动光热发电与风电光伏融合发展、联合运行，因地制宜发展储热型太阳能热发电。风光热储四维一体、多能42互补将是能源利用新趋势。利好政策与自身优势双重加码，光热发电正迎来新热潮。在我国已建成光热项目中，塔式占比为 60%，槽式的占比为 28%，菲涅尔式的占比 12%，塔式为我国光热项目主流。东方电气建设的哈密 50 兆瓦熔盐塔式光热发电项目是国家首批太阳能热发电示范项目，每年可提供 1.98 亿度的清洁电力。典型的塔式太阳能热发电系统由三个子系统组成：聚光集热、储热换热及常规发电系统。聚光集热系统中定日镜场的建设成本非常昂贵，占总投资费用的40-50%2。因此，电站建设前期利用镜场设计软件来生成高效低成本的镜场模拟布局是必不可少的。镜场设计软件是一个变量复杂、计算量大的工具软件，需要考虑大量变量（如太阳光的方向、太阳的形状、定日镜模型、姿态、表面误差、接收器的位置、几何参数以及定日镜、吸热器、太阳之间的相对位置等），最突出问题是在保证模型精度的情况下，每次全面设计和优化布局的过程中，都会重新计算每个定日镜的阴影遮挡效率和吸热器的能流密度分布，这将消耗大量的计算负荷和时间开销，软件计算效率低。通过深入分析塔式太阳能热发电的镜场设计软件现状，对不同镜场设计软件中的初始布局、效率计算、布局优化、吸热器能流密度分布等关键算法进行系统梳理和优劣势对比，提出软件整体性能提升的路径，为塔式太阳能热发电站的建设及镜场设计软件开发提供了思路和理论参考。1现有镜场设计软件现状表 1 总结了不同镜场设计软件在软件功能、布局方式及效率计算等方面的差异。不同的工具软件强调镜场设计内容不同，软件功能层面，基本所有镜场设计软件都具有计算光学效率的功能，部分软件能生成布局及年能量的预测；布局方式上，径向交错及其衍生布局占主导地位；算法层面，主要的差异体现在截断效率和阴影遮挡效率的计算方式上，形成了以解析方法和光线追踪方法为主的两条算法路线。随着计算机算力的提升，后期镜场设计软件更注重集成化功能和计算效率的提升。美国可再生能源公司 SolarPilot 镜场设计软件、国内浙能中控SPD100 镜场设计软件、东方电气 HFLD 镜场设计软件提供了太阳追踪、镜场布局、性能计算、参数模拟、镜场优化、图形界面、成本预算等整体设计功能。计算效率提升方面，SolTrace、Tonatiuh 软件采用了多线程技术加速计算，TieSOL、SPD100 采用了 GPU 并行计算技术来提高计算。表 1 不同太阳能热发电镜场设计软件功能和效率算法汇总代码、软件 年份软件功能主要布局方式截断和遮挡效率算法文献生成布局光学效率年能量预测麦田型径向交错解析方法光线追踪RECEL19773MIRVAL 19794DELSOL3 19865UNIZAR 19896SolTrace 20037Tonatiuh20058HFLD20069HFLCAL 200910TieSOL201111Campo201212SolarPilot 201813SPD1002019142 镜场设计软件中关键算法2.1 镜场布局设计整体流程不同的镜场设计软件强调镜场设计内容不同，全过程的镜场设计可通过几个不同功能的软件组合或者一个具有全面功能的软件完成，设计流程图1 所示。设计过程中，首先对定日镜模型、吸热器模型、边界条件及其它物理参数进行定义，选择合适的布局方式并完成初始布局（计算定日镜的坐标），结合太阳、吸热塔、定日镜三者之间的位置关系及太阳的姿态计算定日镜的姿态，通过解析或者光线追踪的方法计算镜场效率和吸热器上辐射能流密度分布，若未满足设计要求，对布局进行迭代优化，直到满足设计要求。43图 1镜场布局设计流程图2.2 镜场初始布局算法不同镜场设计软件的初始布局算法差异主要体现在基础物理参数定义、布局方式选择及镜场径向间距、方位间距上的求取规则不同15。相同之处则是在计算流程上，如图 2 所示。图 2模式化布局算法框架2.2.1 基础物理参数定义根据定日镜模型、镜场排列半径和定日镜间的安全系数计算镜场区域内定日镜之间的位置关系（如径向间距、方位角）等。不同软件使用的参数和径向间距、方位间距求取规则存在差异。图 3 展示了 Campo 密集型径向交错算法中的基础参数定义12。图 3Campo 算法基础物理参数定义2.2.2 布局方式选择模式化镜场布局是目前工程化应用较多的方式，主要分为麦田型布局（Confield layout）、径向交错布局（Radial Staggered Layout）、仿生布局（Biomimetic layout）及可变非均匀布局（Variableand Un-Even heliostat fields）等，如图 4 所示（根据当地条件决定圆形场或北部场）。Lipps 和 Vant-Hull等人3在 1978 年首次提出了麦田型布局和径向交错布局，麦田型（图 4a、b）中定日镜排成矩形阵列排布，具有排列简单、土建成本低的特点；径向交错布局定日镜之间的径向间距和方位角均为常数（图 4c），相对于麦田型布局能有效的减少阴影遮挡。1986 年 DELSOL3 镜场设计软件5中布局方式则是基于 Lipps 和 Walzel 等人3,16的前期研究，按照径向和圆周方向将镜场分为不同的区域，计算径向间距、方位间距，间距在保持约束值内，计算每个区域内定日镜的密度、数量和位置。文献17基于传统径向交错布局方式提出了全年无遮挡径向交错布局方法，采用了几何作图法原理（图 4d），与文献3提出的径向交错法相比，该方法比较简单，避免了定日镜之间的遮挡损失，有效提高土地利用率，更适合于定日镜场的初步设计。文献12提出了密集型的径向交错布局（Campo），这种布局将定日镜区域划分为三个区域（图 4e 所示），布局从最密集的径向交错开始，每个区域定日镜之间的方位间距不变，通过增加定日镜之间的行间距44来扩大镜场，其布局的关键是阴影遮挡效率和其他效率之间的平衡，在保证光学效率精度的情况下，Campo 布局优化参数少、计算效率高。文献18提出了仿生螺旋布局，式（1）中的参数“a”和“b”决定了镜场定日镜的位置（图 4f 所示），这种布局及衍生的混合布局与径向交错布局在文献19中做了对比，对于圆形场交错布局在光学效率上优于仿生螺旋布局及其衍生的混合布局，但仿生螺旋布局在地面空间布置上优于交错布局。r=akb=2-2kr 和定日镜在极坐标系下定日镜的位置坐标，为常数251，a 和 b 则是布局需要优化的参数。(a)麦田型布局（北场）(b)麦田型交错布局（北场）(c)径向交错布局（圆形场）(b)无遮挡径向交错布局(e)密集型径向交错布局(f)仿生布局（北场）图 4 定日镜场布局方式文献20提出了圆形多层次的定日镜场布局。文献21提出了非相等定日镜尺寸方法，较小的定日镜被放置在靠近吸热塔的地方，镜子的尺寸随着距离的增加而逐渐增大。这两种可变非均匀布局的优势是减小了阴影遮挡因素，并可用于非平面的的镜场，减少土建成本。2.3 镜场光学效率算法镜场光学效率由镜面反射效率、余弦效率、大气衰减效率、阴影遮挡效率、截断效率等组成。镜面反射效率与定日镜自身材料、表面清洁度相关，可视为常数。余弦效率是太阳入射光线与定日镜面法线之间的夹角的余弦值，结合反射定律和几何矢量法，用太阳入射单位向量和定日镜单位法向量的点积表示22。大气衰减效率是因空气中灰尘、水蒸气、二氧化碳、温湿度等大气条件以及所处的海拔高度都会引起空气对太阳光线的吸收和散射，进而造成经定日镜反射到吸热器表面的太阳辐射能的衰减23。以某单个定日镜的瞬时光学效率为研究对象，光学效率可表示为：i,t=coswatintsb（2）式中为镜面反射效率，cosw为余弦效率，at为大气衰减效率，int为截断效率，sb为阴影遮挡效率。反射效率、余弦效率、大气衰减效率，在不同镜场设计软件中较为通用，其计算消耗的时间相比于阴影遮挡和截断效率的计算可以忽略不计。2.3.1 阴影遮挡效率镜场布局中阴影遮挡效率的计算对程序进程的快慢起到决定性作用。目前，计算阴影遮挡主要有几何投影法和光线追踪算法24。（1）几何投影算法中（图 5a），分为 3 种形式，问题定日镜在目标定日镜上投影25、问题定日镜和目标定日镜在同一参考平面上投影26、离散模型投影27（目标定日镜的反射面被细分为许多细分区域，检查进出每个细分区域的中心的太阳中心射线是否被阴影或遮挡），具体算法参照文献28。（2）光线追踪法算法中（图 5b），光线被建模为具有一定分布的随机数，并假设产生的每一根光线的能量相等。通过统计定日镜反射面未接收到的射线和吸热器未接收到的射线数量，计算阴影遮挡效率，这种方法的精度随着产生的射线数量的增加而增加29,30，公式为：sb=1(Ns+Nb)/(NNgrd)（3）式中 Ns为被发生阴影的光线数量，Nb为被遮挡的光线数量，N 为总光线数量，Ngrd为无效光线数量。（1）45(a)几何投影算法框架(b)Monte-Carlo 光线追踪算法框架图 5 阴影遮挡效率算法框架2.3.2 截断效率截断效率是吸热器接收到的太阳能量与定日反射的能量之比。解析方法求截断效率需要对吸热器上的定日镜反射产生的图像形状进行积分，不同模型在吸热器上形成的图像有差别，最重要的是需要对吸热器上的辐射能流密度分布进行模拟计算32。光线追踪法是对与吸热器表面产生交点的光线进行统计计算，分析每个定日镜反射光线在场景中的传播路径和运动轨迹，清晰的判断与每一面定日镜的相交情况，并统计最终落在吸热器表面上的光线数量，截断效率为29：int=1Nint/(NNgrdNb)（4）式子intN为吸热器溢出吸热器的光线数量。2.4 吸热器辐射能流密度分布算法吸热器通常要求辐射能流密度保持在一个最大值以下，并且按照一定聚焦、瞄准策略地放置在吸热器上，以实现一个可行的分布。常采用解析方法和光线追踪算法进行模拟计算。解析方法通常使用卷积积分或简化的高斯函数来对吸热器表面的反射图像进行建模，反射图像的函数将光强度（通量）作为投影平面上位置的函数。较为主流的有Hermitte 数值近似模型5,13、UNIZAR 精确模型33和 HFLCAL 简化模型10。DELSOL3 和 SolarPilot 镜场设计软件中在计算吸热器上的辐射能流密度分布时采用了 Hermitte数值近似模型及其衍生算法13（针对不同类型的定日镜），公式为：IiiJjyjxijiyxyxjiyHxHAyxyxF00,22!1)()(.)(21)(21exp21,）（(5)式（5）中利用二维的 Hermitte 多项式来近似模拟一个平面定日镜反射到接收器上的辐射能密度分布，不同位置上的强度是通过 Hermitte 多项式的)(xHi、）（yHj和jiA,的级数展开来修正，其优势在于镜场布局优化过程中定日镜的几何形状、太阳形状以及光学误差的相关系数只需要计算一次（这些变量与太阳的位置和定日镜的姿态无关），提高了计算效率。文献33以积分的形式给出了 UNIZAR模型来刻画聚焦型定日镜在接收器上形成的辐射能流密度分布，本质上就是几个高斯分布的卷积。上述方法的计算过程涉及卷积操作，无法给出通用的函数表达，因此以 HFLCAL 为代表的多种简化模型相继出现，使用各向同性的二维高斯函数，直接在接收器表面刻画光斑的辐射能密度分布，通过设置不同的高斯核参数，来控制拟合光斑的形状和大小。文献34对 UNIZAR 模型和 HFLCAL 模型进行46了对比得出，UNIZAR 和 HFCAL 模型可以作为非常适合的设计和优化工具，HFCAL模型比UNIZAR模型简单得多，也更精确。光线追踪方法是以统计的形式计算吸热器上的光斑分布，可得到相对精确的辐射能密度分布的预测结果，被用作实验中的真实值进行对比，其代价是计算复杂度比较高。2.5 镜场布局优化算法在完成初始布局的情况下，需要通过改变塔高、吸热器形状、尺寸以及定日镜位置、数量等参数，优化镜场布局，获得最优的参数组合，进而满足镜场效率、年能量和系统成本等要求。大多研究是以年光学效率35、单位能源收集成本36、土地面积利用率、塔高37等为研究目标，基于群的算法（如粒子群算法）、进化算法（如遗传算法）及这两类的衍生算法在目标函数的空间内搜索最优值。文献38,39采用粒子群算法优化交错布局和仿生布局。文献40利用遗传算法优化了仿生费马螺旋模式定日镜场，利用这种方法对 PS10 电厂的镜场重新设计，在改进设计中，将定日镜的 624 个减少到 594个，年日照加权效率为 68.30%。文献41利用粒子群优化算法和遗传算法相结合对 Campo 定日镜场进行布局优化，单位成本收集的能量最大，提高了3.8%。3结论及建议在“双碳”背景下，光热发电技术将迎来新一轮大规模的发展。除此，在“智能制造”工业软件突破的政策激励下，镜场设计软件的开发将具有重大的意义。前期镜场设计软件受到计算机性能、算力的限制，功能较为单一、计算效率低下，大多研究都是通过算法的优化来提升软件整体性能。随着计算机性能提升，镜场设计软件借助于 GPU 的并行计算能力及多线程编程技术，实现了软件性能跨量级的飞跃。但随着塔式太阳能光热发电站镜场容量不断增加，既保证模型精度又要兼顾软件计算效率的问题将愈发的凸显。本文对镜场布局设计的算法及相关软件现状进行总结，分析了不同镜场设计软件的差别，为自主研发镜场设计软件提供如下建议：（1）算法方面重点考虑布局方式、阴影遮挡和截断效率的计算模型。密集的径向交错布局（Campo 布局）优化参数少，光学效率高，可以对其进行优化和改进；仿生布局虽然在圆形场的布局方式上光学效率低于径向交错，但土地利用率较高，其衍生的布局将是研究的热点。光学效率模型的选择，简化的 HFLCAL 模型既能提高计算效率，也能满足精度要求，可以优先考虑。模型验证，可采用 Monte Carlo 光线追踪法对解析的模型进行对比验证。（2）计算效率方面，高性能的计算机是提高计算效率的关键，借助于 GPU 并行计算能力，对上述的算法进行程序加速，跨量级的提高计算效率。（3）软件功能方面，向集成化、多元化发展，定日镜模型不仅局限于四边型，可向多边形的方向拓展。参考文献：1 曹传钊,郑建涛,刘明义等 塔式太阳能热发电技术的发展J可再生能源,2013,31(12):21-252 张茂龙,卫慧敏,杜小泽等 塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的改进算法J.太阳能学报,2016,37(8):1998-20033 LIPPS F W,ANT-Hull L L.A cellwise method for the optimizationof large central receiver systemsJ.Solar Energy,1978,20(6):505-5164 LEARYN P L,Hankins J D.Users guide for MIRVAL:a computercode for comparing designs of heliostat-receiver optics for centralreceiver solar power plantsR.Livermore,CA,Sandia NationalLaboratories,1979.M.D5 KISTLER,B.A users manual for DELSOL3:A computer code forcalculating the optical performance and optimal system design forsolar thermal central receiver plantsR.Albuquerque USA,SandiaNational Laboratory,19866 COLLADO F J,TURGANO J.Calculation of the annual thermalenergy supplied by a defined heliostat fieldJ.Solar Energy,1989,42(2):149-1657 WENDELIN T.SolTRACE:A new optical modeling tool forconcentrating solar optics C.ASME International Solar EnergyConference,2003:253-2608 BLANCO M J,AMIEVA J M,MANCILLAS A.The Tonatiuhsoftware development project:an open source approach to thesimulation of solar concentrating systrmsC.ASME InternationalMechanical Engineerin Congress and Exposition,Orlando,FloridUSA,2005479 WEI X,Lu Z,Lin Z,et al.Optimization procedure for design ofheliostat field layout of a 1MWe solar tower thermal powerplantC.Solid State Lighting&Solar Energy Technologies.200710 SCHWARZBZL P,PITZ-PAAL R,Schmitz M.VisualHFLCAL-A Software Tool for Layout and Optimisation ofHeliostat FieldsC.Solarpaces.DLR,2009.M.Izygon11 P.Armstrong,C.Nilsson,N.Vu,TieSOLA GPU-BasedSuite ofSoftware for Central Receiver Solar Power PlantsC.Proceedingsof the 2011 SolarPACES International Symposium,Granada,Spain,201112 COLLADO F J,GUALLAR J.Campo:Generation of regularheliostat fieldsJ.Renewable Energy,2012,46:49-5913 WAGNER M J,WENDELIN T.SolarPILOT:A power tower solarfieldlayoutandcharacterizationtoolJ.SolarEnergy2018,171:185-19614 许继刚,汪毅.塔式太阳能光热发电站设计关键技术M.北京:中国电力出版社,2019:67-7715 SMUTUBERRIAA,PASCAL J,GUISADO M,et al.Comparisonof heliostat field layout design metholofies and impact on powerplant efficiencyJ.Energy Procedia2015,69:1360-137016 M.D.Walzel,LIPPS F W,VANT-Hull L L.A solar flux densitycalculation for a solar tower concentrator using a two-dimensionalhermite function expansionJ.Solar Energy,1977,19(3):239-25317 SIALA F,MEE F.Mathematical formulation of a graphicalmethod for a no-blocking heliostat field layoutJ.RenewableEnergy,2001,23(1):77-9218 NOONE C J,TORRILHON M,MITSOS A.Heliostat fieldoptimization:Anewcomputationallyefficientmodelandbiomimetic layoutJ.Solar Energy,2012,86(2):792-80319 ZHANG M,Du X,YANG L,et al.Comparing study ofbiomimetic spiral and radial staggered layouts of the heliostatfieldJ.Energy Procedia,2015,69:242-24920 ALDULAIMIR,MSSylemez.Performanceanalysisofmultilevel heliostat hield layoutJ.Turkish Journal of Science&Technology,2016,11(2):11-2021SAGHAFIFARM,GADALLAM,MOHAMMADIK.Thermo-economic analysis and optimization of heliostat fieldsusing AINEH code:Analysis of implementation of non-equalheliostats(AINEH)J.Renewable Energy,2019,135:920-93522 程小龙,尹延国,马少波.塔式电站定日镜场布局的优化设计研究J.能源与环境,2018(2):64-66+7023 SCHMITZ M,SCHWARZBZL P,BUCK R,et al.Assessment ofthe potential improvement due to multiple apertures in centralreceiver systems with secondary concentratorsJ.Solar Energy,2006,80(1):111-12024 HUANG W,LI L,LI Y,et al.Development and evaluation ofseveral models for precise and fast calculations of shading andblocking in heliostats fieldJ.Solar Energy,2013,95:255-26425 LIPPS F W,VANRHULL L L.Shading and blocking geometry fora solar tower concentrator with rectangular mirrors J.AmericanSociety of Mechanical Engineers,1974,1(4):57-5826 VITTITOE C N,BIGGS F.The HELIOS model for the opticalbehavior of reflecting solar concentratorsR.Albuquerque USA,Sandia National Laboratory,197627 McFee,R.H.Computer program concen for calculation ofirradiation of solar power central receiverC.ERDAWorkshop onMethods for Optical Analysis of Central Receiver Systems,Universityof Houston,197428 SASSI G.Some notes on shadow and blockage effectsJ.SolarEnergy,1983,31(3):331-33329 周艺艺.塔式太阳能热电系统的成像仿真与聚焦策略研究D杭州:浙江大学,2014:26-3430 SANCHEZ M,ROMERO M.Methodology for generation ofheliostat field layout in central receiver systems based on yearlynormalized energy surfacesJ.Solar Energy,2006,80(7):861-87431 SALOM A,CHHEL F,FLAMANT G,et al.Control of the fluxdistribution on a solar tower receiver using an optimized aimingpoint strategy:Application to THEMIS solar towerJ.SolarEnergy,2013,94(aug.):352-36632 LIPPS F W,WALZEL M D.An analytic evaluation of the fluxdensity due to sunlight reflected from a flat mirror having apolygonal boundaryJ.Solar Energy,1978,21(2):113-12133 COLLADO F J,GMEZ A,TURGANO J A.An anaanalyticfunction for the flux density due to sunlight reflected from aheliostatJ.Solar Energy,1986,37(3):215-23434 COLLADO,F J.One-point fitting of the flux density produced bya heliostatJ.Solar Energy,2010,84(4):673-68435 WANG J,DUAN L,YANG Y.Rapid design of a heliostat field byanalytic geometry methods and evaluation of maximum opticalefficiency mapJ.Solar Energy,2019,180:456-46736 CARRIZOSA.E,DOMINGGUEZ-BRAVO.C,FERNAN-DEZ-CARAE et al.A heuristic method for simultaneous tower and pattern-freefield optimization on solar power systemsJ.Computers&Operations Research,2015,57(C):109-12237 COLLADO,F J.,GUALLAR,J.Two-stages optimised design ofthe collector field of solar power tower plantsJ.Solar Energy,2016,135:884-89638 COFARGES O,BEZIAN J J.,ELHafi M.Global optimization ofsolar power tower systems using a Monte Carlo algorithm:Application to a redesign of the PS10 solar thermal power plantJ.Renewwable Energy 2018,119:345-35339 CHAO L,ZhAI R,LIU H,et al.Optimization of a heliostat fieldlayout using hybrid PSO-GA algorithmJ.Applied ThermalEngineering,2018,128:33-41