整体方位跟踪塔式太阳能系统光学设计和优化基础研究

We propose an integral azimuth tracking for solar tower which increase 10% efficiency comparing to the traditional solar tower technology, and decrease tracking device number to less than 1% and structural requirements. Present method for calculating the optical performance of solar tower system needs large amount computation and be simplified to cause error. We propose a method to calculate the optical efficiency of concentrated solar system directly through integration of an analytical function. This project will apply the method to develop optical efficiency function of heliostat,efficiency function of solar tower to calculate the optical performance of solar tower system quickly and precisely, then optimize the system especially the integral azimuth tracking solar tower system to maximum the net energy the system obtained in a year. We will build a small fundamental system to validate the the method through experiment. The present study will not only increase the knowledge of the system,but also to provide theoretical base and tool for design and optimum through establishing the functional relationship between performance of solar tower and physical factors.

针对目前塔式系统余弦因子较小，光学效率较低，提出整体方位跟踪塔式系统，提高效率10%以上，该系统还减少跟踪设备数量2个数量级以上，降低定日镜高度和结构要求，使之成为最有希望得到工业化应用的太阳能系统之一。目前塔式系统性能计算方法很复杂，受计算能力限制，忽略了某些重要物理因素的影响，带来较大计算误差，本项目拟应用申请者提出的直接计算聚光太阳能系统光学效率的积分函数法，建立塔式太阳能系统效率分析理论与计算方法，预测整体方位跟踪塔式太阳能系统性能。构建原理性整体方位跟踪塔式试验系统，通过试验验证理论和计算方法。以年收集能量最大化为目标，发展优化整体方位跟踪塔式系统设计的方法。本项研究将建立塔式太阳能系统性能与物理参数的函数关系，不仅加深人们对塔式太阳能系统特性的认识，而且为整体方位跟踪塔式系统的设计和优化提供理论基础和优化工具。

本项研究，按计划完成了预订研究目标。研制了整体方位跟踪塔式系统原型装置。发展了通用定日镜－接收器塔式系统光学效率理论和准确快速计算方法，建立了太阳能塔式系统光学分析理论，建立能够分析通用设计方案的塔式太阳能系统性能的计算方法和程序，计算误差不超过0.5%。完成发展整体方位跟踪塔式系统设计优化方法，获得优化设计方案、及其年收集能量与平均效率，计算得到的优化平均效率比传统塔式系统提高20%左右，是预订目标的2倍。.在基础理论方面取得多项重要进展，发展了4种精确而快速的光学效率计算理论和方法。发展的定日镜能流密度函数，准确性高于现有的标准方法，而计算所需时间是标准方法光学追踪方法的万分之一，从而使得数值方法优化塔式系统性能的精度大幅度提高，能够帮助塔式系统发展更好的性能。本项研究对各种太阳光强分布模型的评估表明，使用准确的太阳光强分布模型，是优化聚光太阳能光学性能的关键工作之一，可以较大幅度提高优化系统性能。.依据本项研究成果，提出了太阳能聚光热发电工业化路线，以本项目提出的工业化整体方位跟踪塔式系统装置为基础，采用大量聚光设备集热，集中发电，单个发电机容量达到100万千瓦以上时，发电上网电价可降低到0.25元/千瓦时，比现有主要发电方式成本低三分之一以上。 .应用本项研究建立的聚光光学理论和知识，总结当前塔式系统光学设计和制造方面七大问题，指出塔式系统聚光装置研制方面发展方向，对改进普通塔式系统性能有较大的指导意义。.总共发表12篇文章，其中SCI一区文章6篇，EI收录10篇，会议文章6篇。专利申请一项，正在进行中。培养了三名硕士。