塔式太阳能热电系统实时仿真与优化中的关键问题研究

Solar tower power plant is one of the most economical and environment-friendly ways to produce solar electricity in large scale. Real-time simulation plays an important role in the system design, the safety and optimal operation of the solar tower power system. The key problems in real-time simulation and optimization of the solar tower power system will be investigated and a new general theoretical and algorithmic framework based on the analytical model of the flux density distribution on the receiver and the GPU parallel simulation is expected to be established. First, the convolution approach will be used to model the flux density distribution on the receiver precisely and analytically. A fast simulation method that fully exploits the tremendous rendering and parallel computing capacities of contemporary graphics processing units (GPUs) will be designed. Based on the analytical model and GPU parallel simulation, the optimization models of the aiming strategy and the heliostat field layout design will be proposed respectively. The corresponding optimization algorithms and GPU acceleration methods will be exploited. An attempt will be made to verify the research achievements in practice. A real-time simulation system based on GPU will be developed to provide the theoretical and technical basis for the safe and efficient operation of the solar tower power system.

塔式太阳能热发电是大型太阳能发电中最为经济、环保的发电方式之一，实时仿真对于系统设计、保证系统安全和实现运行优化具有重要意义。本项目研究塔式太阳能热电系统实时仿真与优化中的关键问题，旨在建立一套全新的基于接收器表面能流密度分布解析模型和GPU并行模拟的实时仿真与优化的理论体系和基础算法。首先利用卷积建立准确的、整体解析的接收器表面的能流密度分布模型，充分利用GPU的绘制和并行计算能力设计针对单机单GPU的快速的能流密度分布模拟计算框架；在此基础上，建立基于能流密度分布实时模拟的定日镜场聚焦优化和布局优化模型，研究优化求解及加速方法，并尝试实现部分研究成果在实际系统中的应用验证。利用这些理论和方法，开发基于GPU的实时仿真系统，为保证塔式太阳能热电系统的安全高效运行提供理论和技术基础。

随着能源和环境问题的日益严重，塔式太阳能热发电作为大型太阳能发电中最为经济、环保的发电方式之一越来越受到关注。本项目研究塔式太阳能热电系统实时仿真与优化中的关键问题，在定日镜反射光斑的辐射能密度分布建模、定日镜辐射能密度分布仿真和系统优化等方面取得了一系列成果。.提出了基于Cauchy核函数的卷积模型，这是该领域第一个具有封闭解析解的卷积模型；提出了改进的HFLCAL模型中，通过引入阴影和遮挡因子和光斑长短轴之比，在不提高计算量的前提下，进一步提高了高斯型辐射能光斑模型的精度；提出了改进的基于Cauchy核函数的卷积模型，通过改进光斑的投影策略，可以更加准确地预测和描述接收器上辐射能光斑的分布。此外，还在偏移HFLCAL模型、Cauchy模型的参数建模等方面开展了研究。这些工作发展和完善了光热太阳能仿真的理论和方法基础。.提出了时空高效、峰值稳定的Monte Carlo光线跟踪方法和考虑折射的定日镜辐射能密度分布仿真Monte Carlo光线跟踪方法，在保证计算高效的同时，得到更准确的仿真结果，为辐射能密度分布模型的建立与参数优化、定日镜镜场布局优化和聚焦优化等方面的研究提供了扎实的基础。.以偏移HFLCAL模型为基础，提出并实现了基于自适应差分进化算法的镜场优化系统；提出了最优抛物面式子镜优化策略和一种接收器优化设计方法最小化接收器准度电成本；提出了一种定日镜场多目标点聚焦优化方法最大化接收器上的总能量同时满足分布方差约束，并提出了一种快速求解方法。这些优化方法可从设计和运行两个方面为提升电站发电效率提供理论和技术基础。.本项目还提出了一种基于点云类型的离群点处理框架、基于二维核高斯过程回归的间歇过程非参数辨识方法及基于多尺度分解和粒度计算的供氧网络长期混合预测方法，为后续在基于计算机视觉的云阴影估计和太阳辐射预报以及系统控制和操作优化提供方法基础。