Оптические системы солнечных электростанций. Принципы построения оптических систем СЭС



Все об электростанциях


 


Оптические системы солнечных электростанций


Принципы построения оптических систем СЭС


Солнечная электростанция (СЭС) является сложной многоуровневой технической системой, предназначенной для преобразования в промышленных масштабах энергии солнечного излучения в электрическую. На разных этапах проектирования такой системы возникает ряд задач, требующих специального исследования.

Наименее изученной и наиболее дорогостоящей частью СЭС является оптическая система, состоящая из множества отдельных зеркал-гелиостатов и лучевоспринимаюшей поверхности приемника, расположенного на башне. С оптимизацией этой системы связаны значительные резервы улучшения технических и экономических показателей СЭС.

Данная статья посвящена принципам построения оптических систем солнечных электростанций (СЭС), вопросам математического моделирования и оптимизации режимов работы различных вариантов оптических систем СЭС, анализу их оптико-энергетических характеристик.

В современной научно-технической литературе сложился определенный стереотип, согласно которому термодинамическая СЭС рассматривается в качестве своеобразной модификации традиционной ТЭС, в которой первичный топливный источник энергии заменен новым "солнечным" источником, что допускает применение обычной энергетической терминологии, однако не совсем раскрывает специфическую проблематику создания СЭС.

Проблема преобразования солнечного источника энергии состоит в том, что параметры излучения и непосредственный тепловой эффект получаемый в естественных наземных условиях, позволяют преобразовать первичный поток солнечной радиации низкой плотности только в низкопотенциапьное тепло. Для согласования параметров лучистого потока с высокими термодинамическими характеристиками теплосиловых установок в современных схемах СЭС используется принцип предварительной концентрации излучения, известный из опыта создания высокотемпературных солнечных печей. Однако применение принципа концентрации первичного потока радиации с помощью зеркальных систем указывает лишь концептуальное решение проблемы и в свою очередь порождает круг проблем зеркальной оптики крупномасштабных широкоапертурных концентраторов с изменяющейся геометрией.

Концентрация излучения, собираемого с большой площади и сосредоточиваемого на относительно малой приемной поверхности, является термодинамической необходимостью и позволяет преобразовывать лучистую энергию в тепло и передавать ее теплоносителю на достаточно высоком температурном уровне, обеспечивающем высокий КПД дальнейшего преобразования энергии в теплосиловой установке.

Первичное улавливание лучистого потока осуществляется отдельными зеркальными элементами - гелиостатами. Гелиостаты заполняют определенный земельный участок и направляют отраженное излучение на центральный приемник, расположенный на вершине башни.

Солнечная электростанция (СЭС) башенного типа большого масштаба с ЦП (ЦП - центральный приемник) энергетически выгоднее СЭС с распределенным приемником, так как передача энергии в форме излучения от гелиостатов к приемнику осуществляется практически без потерь в отличие от передачи тепла теплоносителем от приемников малых рассредоточенных концентраторов к центральной теплосиловой установке или от схем с большим количеством относительно малых самостоятельных энергетических модулей.

Изменение геометрии оптической системы в течение дня является основной характерной чертой работы наземной СЭС. Космическую СЭС можно объединить в единую жесткую конструкцию, подобную концентратору солнечной печи и ориентируемую как целое относительно Солнца. В наземных условиях подобный принцип реализован в крупногабаритных зеркальных радиотелескопах, но для крупных солнечных электростанций (СЭС) он неприменим. Попытка сохранить этот принцип была предпринята в первом проекте башенной СЭС , в котором зеркала перемешались по концентрическим рельсовым путям вокруг башни. В реализованных проектах экспериментальных солнечных электростанций (СЭС) принцип моноконцентратора не применялся, но время от времени он встречается в предложениях по созданию СЭУ мощностью до 2 МВт.

В современных проектах позиции зеркал фиксированы, изменяется лишь их ориентация. Зеркала ориентируются так, чтобы при изменении направления падающих лучей, обусловленном видимым перемещением Солнца, направления отраженных потоков оставались бы постоянными и для каждого гелиостата совпадали с направлением излучения на неподвижный приемник. Для этого зеркала снабжены механизмами ориентации и автоматикой, изменяющими ориентацию каждого гелиостата так, чтобы нормаль к зеркалу в любой момент времени совпала с биссектрисой плоского угла, образованного направлениями гелиостат-Солнце и гелиостат-приемник.

Характерные потери оптико-геометрического происхождения являются следствием отказа от перемещения позиций зеркал. Наряду с ними имеются оптико-физические и тепловые потери.

Потери проекции зеркальной поверхности неизбежны для наземной СЭС с фиксированным зеркальным полем. В каждый данный момент наиболее эффективно работают те зеркала, для которых направления на Солнце и на приемник близки. Они почти перпендикулярны лучам и перехватывают максимально возможную часть первичного потока. Пределы азимутального перемещения Солнца очень широки, поэтому ни один фиксированный гелиостат не находится в оптимальных условиях в течение всего дня. Ввиду преимущественного дневного движения Солнца в южной части небесной сферы гелиостаты, расположенные к северу от башни, работают в среднем более эффективно.

Эффективная площадь гелиостата определяется проекцией зеркала на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам. Система зеркал не может уловить поток, больший падающего в данный момент на отведенный под нее земельный участок. А этот предельный поток в свою очередь определяется проекцией земельного участка на плоскость, перпендикулярную лучам.

Потери затенения зеркальной поверхности возникают при низком положении Солнца, когда проекция земельного участка становится меньше суммы проекций зеркал и когда проекции отдельных зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на поле со стороны Солнца.

Коэффициент заполнения земельного участка зеркалами, равный отношению площади гелиостата к площади отведенной под него земли, связан с уровнем угловых высот Солнца, ниже которого начинается затенение. Чем ниже коэффициент заполнения, тем ниже этот уровень. Однако эта связь неоднозначна, так как при одном и том же значении коэффициента заполнения гелиостаты могут быть по-разному расположены один относительно другого.



Потери блокировки зеркальной поверхности аналогичны потерям затенения, но относятся не к падающему, а к отраженному излучению. Они возникают тогда, когда проекции зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на зеркала со стороны приемника. В отличие от затенения, при котором рассматривается проекция зеркал на единую плоскость, перпендикулярную всему потоку падающих лучей, блокировка определяется центральной проекцией на сферическую поверхность, перпендикулярную отраженным лучам, сходящимся к приемнику. Другое отличие состоит в том, что стремление исключить потери блокировки приводит к необходимости применять переменный по полю коэффициент заполнения. Дальние от башни гелиостаты должны быть удалены друг от друга в радиальном направлении на большие расстояния, чем ближние.

Расхождение лучей в каждом элементарном потоке, отраженном от единичного гелиостата, также косвенно связано с потерями определенного рода. Уже сам первичный поток лучей не вполне параллелен, так как Солнце не является точечным источником. При отражении потока на эту первичную непараллельность накладываются дополнительные отклонения лучей, связанны с дефектами зеркала. Наконец, системы ориентации гелиостатов также вносят ошибки. Так как нас интересует интегральный эффект от многих гелиостатов, то можно рассматривать суммарный эффект влияния дефектов зеркала и ошибок ориентации и описывать этот эффект некоторым среднестатическим законом расхождения лучей в отраженном потоке.

Потери неполного улавливания приемником отраженного потока обусловлены расхождением лучей и могут снизить полезный вклад гелиостатов периферийной части поля. Эти потери зависят только от соотношения геометрических размеров гелиостата, приемника и расстояния между ними и не связаны с рассеянием излучения атмосферой. Толща земной атмосферы отсеивает спектральные компоненты, подверженные поглощению и рассеянию, уже на пути солнечного луча к гелиостату, так что оставшаяся часть спектра практически не ослабляется при дальнейшем следовании луча от гелиостата к приемнику даже при больших расстояниях между ними. Потери неполного отражения обусловлены оптико-физическими свойствами и состоянием зеркального покрытия гелиостатов и в отличии от потерь оптико-геометрического происхождения являются постоянно действующим фактором, который описывается коэффициентом отражения. Коэффициент отражения зависит от угла падения лучей, но этот эффект второго порядка практически не влияет на характеристики СЭС. Реальное влияние на работу солнечных электростанций (СЭС) может оказать среднеэксплуатационный уровень запыленности зеркальной поверхности.

Тепловые потери с лучевоспринимающей поверхности приемника определяются режимом работы теплосиловой установки СЭС. Однако они должны учитываться в схеме расчета оптической системы, так как приемник является ее неотъемлемой частью и тепловые потери зависят от тех же параметров (формы и размеров приемника), которые влияют на потери неполного улавливания лучистого потока.

Именно эта связь и составляет основную проблему проектирования оптических систем СЭС. Оптическая система должна удовлетворять набору противоречивых требований. Например, зеркала должны достаточно плотно заполнять земельный участок, чтобы собирать и отражать на приемник достаточно большую долю падающего на этот участок первичного потока радиации. Вместе с тем зеркала не должны затенять и блокировать друг друга во избежание потерь эффективной площади суммарной зеркальной поверхности. Зеркальная система должна создавать достаточно высокую плотность потока излучения на лучевоспринимающей поверхности и, следовательно, содержать большое число отдельных элементов. Но увеличение числа элементов требует наращивания периферийной части поля, гелиостаты которой вследствие эффекта расхождения лучей вносят (каждый отдельно) все меньший вклад в суммарную концентрацию и увеличивают размеры "фокального ядра" сконцентрированного потока, требуя все больших размеров приемника и обесценивая вклад в средний уровень концентрации от ближних гелиостатов.

Совокупность этих и других особенностей работы оптической части СЭС превращает ее в систему с сильными внутренними связями, нарушение каждой из которых может привести к утрате ее основного функционального качества - концентрирующей способности. С другой стороны, система преобразования энергии - теплосиловой комплекс СЭС также представляет собой систему с сильными внутренними связями, обусловленными номинальными режимами работы применяемого оборудования и допусками на отклонения от этих режимов. Описания этих двух подсистем СЭС (оптической и термодинамической) принципиально отличаются и формулируются в терминах двух различных областей знаний.

Таким образом, приемник солнечной электростанции (СЭС), являясь одновременно частью оптической и термодинамической подсистем, должен удовлетворять двум разнотипным наборам требований, а на допустимые вариации параметров подсистем кроме собственных ограничений должны быть наложены дополнительные взаимные ограничения, обусловленные опосредованной связью подсистем через теплотехнические и оптико-геометрические параметры приемника-парогенератора.


Оптические системы экспериментальных СЭС


К 1986г. в различных странах задействовано 7 экспериментальных СЭС электрической мощностью от 0,5 до 10 МВт. Наиболее крупными проектами являются СЭС Solar-1 в Барстоу (Калифорния, США) мощностью 10 МВт и отечественная СЭС-5 (в 1985 г. введен в действие пусковой комплекс). Сводные характеристики оптических систем этих станций приведены в табл. 1.


Табл.1 Основные виды действующих СЭС

Характеристики
Название СЭС
Solar-1 (Барстоу, США)
СЭС-5* (Крым, СССР)
THEMIS (Таргасонн, Франция)
Eurelios (Андрано, Италия)
CESA-1 Альмерия, Испания)
СRS (Альмерия Испания)
Sunshine (Нио, Япония)
Форма поля
Эллипс
Круг
Сектор
Сектор
Сектор
Сектор
Сектор
Электрическая мощность, МВт
10
5
2,5
1
1,2
0,5
1
Площадь зеркал, тыс. м2
73,2
40
10,8
6,2
11,4
3,7
12,9
Число гелиостатов
1818
1600
201
70/112**
300
93
807
Площадь гелиостата, м2
40,3
25,5
53,7
53,7/21,8**  
38
39
16
Коэффициент отражения
0,9
0,71
0,9
0,77/0,85** 
0,87
0,91
0,88
Высота башни, м
91
89
101,5
55
60
43
60
Тип приемника
Открытый цилиндр
Открытый цилиндр
Полостной
Полостной
Полостной
Полостой
Полостной
Площадь, приемника, м2 
294
154
16
16
11,6
9,7
-
Температура приемника, °С
516
250
505
512
520
530
250
Год ввода в эксплуатацию
1 982
1985 (пусковой комплекс)
1982
1981
1984
1981
1981

* Проектные данные.

** Данные относятся к двум типоразмерам гелиостатов.


Солнечная электростанция Solar-1


Солнечная электростанция Solar-1. СЭС Solar-1

Рис.1. СЭС Solar-1

Картинка в полном размере


Организацию строительства СЭС Solar -1 осуществляло министерство энергетики США при участии компании Southern California Edison (США) и департамента водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса. Строительно-монтажные работы были закончены в октябре 1981 г., а 14 апреля 1982 г. станция была введена в действие.

Первоначально ее строительство оценивалось в 120 млн. долл., окончательная стоимость ее сооружения составила 141 млн. долл. Solar - 1 имеет номинальную мощность 10 МВт и построена по схеме СЭС башенного типа. Башня высотой 91 м с приемником солнечного излучения окружена полем гелиостатов. Общий вид Solar - 1 приведен на рис. 1.

Площадка Solar - 1 занимает земельный участок площадью 0,31 км2 в форме эллипса с осями 685 и 585 м. Непосредственно под гелиостаты отведен участок земли площадью 0,28 км2. Площадь ~ 0,03 км2 занята постройками и технологическим оборудованием, расположенным у основания башни, а также транспортными путями, проложенными на поле гелиостатов.

Зеркальная система Solar - 1 образована 1818 гелиостатами с общей площадью 73,2 тыс.м2. Средний коэффициент заполнения земельного участка зеркалами составляет k3an = 0,26.

Для расположения гелиостатов принята радиально-круговая шахматная компоновочная схема. Эта схема была признана оптимальной после длительного цикла расчетных исследований, проведенных в университете г. Хьюстона в 1973-1980 гг. Каждый гелиостат производства фирмы Martin Marietta Aerospace (США) состоит из 12 зеркальных фацет с высокой отражательной способностью р = 0,90.

Приемник станции имеет форму цилиндрической мишени высотой 13, диаметром 7,2 м и площадью облучаемых панелей 294 м2. Температура его поверхности достигает 520°С.


Солнечная электростанция СЭС-5


Солнечная электростанция СЭС-5. СЭС СЭС-5

Рис.2. СЭС СЭС-5

Картинка в полном размере


Первая отечественная экспериментальная солнечная электростанция СЭС-5 расположена в Крыму вблизи поселка Щелкино. Комплекс научно-технических и конструкторских разработок, проектирование и строительство СЭС-5 осуществлены организациями Минэнерго СССР. В 1985 г. задействован пусковой комплекс станции. Стоимость технологических сооружений станции вместе с разработкой и изготовлением оборудования составляет 26 млн. руб. Максимальная электрическая мощность СЭС-5 равна 5 МВт, расчетная среднеэксплуатационная за год ~3,5 МВт. Общий вид СЭС-5 приведен на рис. 2.

Оптическая система СЭС-5 представляет собой круговое кольцевое поле гелиостатов с внутренним и внешним радиусами кольца 79 и 213 м соответственно. В кольцевом поле расположено 1600 гелиостатов суммарной площадью 40 тыс. м2. Гелиостаты сгруппированы в 20 кольцевых круговых рядов с переменным шагом по радиусу между рядами. Расположение гелиостатов в соседних рядах шахматное. Средний коэффициент заполнения земельного участка зеркалами Кзап = 0,32. Участок земли, отведенный под гелиостаты, имеет площадь 0,12 км2. Общая площадь застройки составляет 0,15 км2.

Проектирование СЭС-5 так же, как и проектирование ряда зарубежных экспериментальных СЭС, велось параллельно с разработкой обоснований будущих промышленных СЭС. Для СЭС-5 такой перспективой является проект СЭС-200 (позднее СЭС-320), рассчитанный на условия Крыма. СЭС-5 разрабатывалась как модель (в масштабе мощности 1:10) одного из четырех модулей 50 МВт станции СЭС-200.

При подготовке этих проектов в 1977-1981 гг. проводилось математическое моделирование работы зеркальных систем СЭС, рассматривались различные формы зеркального поля и структуры расположения гелиостатов.

Оптимальной, как и в исследованиях зарубежных авторов, признана радиально-круговая шахматная компоновка с переменным радиальным шагом между концентрическими рядами. Отличие оптической системы СЭС-5 от Solar-1 состоит в том, что глобальная форма поля представляет собой правильное круговое кольцо, а не эллипс. Подобные детали на уровне экспериментальной СЭС не представляют большого различия, но являются одним из главных вопросом оптимизации оптических систем крупных промышленных СЭС.

Расчет зеркального поля СЭС-5 проведен ЭНИНом и НПО "Солнце" АН ТССР. Конструкция гелиостатов СЭС-5, состоящих из 45 зеркальных фацет и имеющих площадь 25,5 м2, разработана Проектно-конструкторским бюро Главэнергострой-механизации и изготовлена Чеховским опытным заводом Гидростальконструкция Минэнерго СССР при участии заводов Минстанкопрома и Минхиммаша. Отражательная способность зеркал, изготовленных Минстройматериалов СССР, составляет 0,71.

Башня с приемником расположена в геометрическом центре кольцевого поля зеркал. Высота башни составляет 89 м. Приемная поверхность в вице цилиндра высотой 7 и диаметром 7 м расположена между отметками высот 71 и 78 м. Номинальная температура теплоносителя в приемнике 250 С, температура открытой лучевоспринимающей поверхности на несколько градусов выше.


Солнечная электростанция THEMIS


Солнечная электростанция THEMIS. СЭС THEMIS

Рис.3. СЭС THEMIS

Картинка в полном размере


Строительство экспериментальной СЭС THEMIS (см. табл. 1) организовано Electricite de France и Национальным центром научных исследований. Строительство велось с 1979 г. и обошлось в 128 млн. фр., пуск станции состоялся в 1982 г.

СЭС THEMIS рассчитана на номинальную электрическую мощность 2,5 МВт. Общий вид THEMIS представлен на рис. 3. Зеркальное поле состоит из 201 гелиостата общей площадью 10,8 тыс. м2, расположено на участке земли в 0,07 км2. В отличие от всех других проектов экспериментальных СЭС THEMIS расположена не на плоской площадке, а на южном склоне, имеющем наклон -15 градусов к горизонту. Гелиостаты THEMIS разработаны фирмой Cethel (Франция), имеют площадь 53,7 м2 и отражательную способность 0,90.

Приемник станции полостного типа с квадратным входным отверстием 4 м х 4 м и глубиной 3,5 м расположен на отметке 80 м башни общей высотой 101,5 м. Плоскость входного отверстия приемника наклонена на 30° от вертикали в сторону зеркального поля. Температура поверхности лучевоспринимающих поверхностей приемника достигает 505°С. В качестве теплоносителя используется расплав солей.


Солнечная электростанция Eurelios


Солнечная электростанция Eurelios. СЭС Eurelios

Рис.4. СЭС Eurelios

Картинка в полном размере


СЭС Eurelios построена вблизи Адрано на о. Сицилия (Италия) (см. табл. 1). В ее строительстве принимали участие фирмы Франции, Италии и ФРГ под руководством комиссии Европейского экономического сообщества. Стоимость строительства - 11 млн. долл. Станция введена в мае 1981 г.

Электрическая мощность Eurelios 1 МВт. Зеркальное поле этой станции (рис. 4) имеет секторную форму и составляло из гелиостатов двух типов. В левой (от башни) части сектора расположено 70 гелиостатов фирмы Cethel, каждый по 53,7 м2. В правой части сектора расположено 112 гелиостатов фирмы МВВ (ФРГ) по 21,8 м2 каждый. Отражательная способность зеркал гелиостатов Cethel и МВВ составляет, соответственно, 0,77 и 0,85.

Общая площадь зеркальной поверхности равна 6,2 тыс. м2. Структура поля образована прямолинейными рядами гелиостатов (по линии восток-запад). Шаг между рядами подобран соответственно размерам каждого из типа гелиостатов и увеличивается от башни к периферии поля.

Высота башни составляет 55 м. На ее вершине установлен полостной приемник в форме цилиндрической полости с входным отверстием диаметром 1,5 м, плоскость которого наклонена на 20° от вертикали в сторону поля гелиостатов. Приемная поверхность образована спиралевидным трубчатым экраном, температура которого достигает 512 С.


Солнечная электростанция CESA-1


Солнечная электростанция CESA-1. СЭС CESA-1

Рис.5. СЭС CESA-1

Картинка в полном размере


В Альмерии (Испания) создан Центр гелиотехнических исследований в состав которого входят три СЭС малой мощности. Две из них, CESA -1 и CRS -башенного типа, третья, DSC- модульного типа с параболоцилиндрическими концентраторами.

СЭС CESA-1 имеет мощность 1,2 МВт (см. Табл. 1). Ее строительство обошлось в 38 млн. марок ФРГ и было организовано министерством промышленности и энергетики. Руководство проектом осуществлял Институт космических исследований и испытаний ФРГ. Первоначально ввод CESA -1 был намечен на конец 1982 г., но ввиду технических неполадок в системе приемника был осуществлен только в 1984 г.

Зеркальное поле CESA -1 (рис. 5) состоит из 300 гелиостатов фирмы Martin Marietta Aerospace по 38 м2 каждый с отражательной способностью 0,87, имеет суммарную площадь зеркальной поверхности 11,4 тыс. м2 и секторную форму. Гелиостаты расположены прямолинейными рядами, как и в поле зеркал Eurelios. Полостной приемник с площадью входного отверстия 11,6 м установлен на башне высотой 60 м и имеет температуру 520°С.


Солнечная электростанция CRS


Солнечная электростанция CRS. СЭС CRS

Рис.6. СЭС CRS

Картинка в полном размере


СЭС CRS башенного типа имеет электрическую, мощность 0,5 МВт (см. табл. 1). Эта станция входит в состав Центра гелиотехнических исследований в Альмерии (рис.6). Ее строительство обошлось в 37 млн. марок ФРГ. Станция была введена 21 сентября 1981 г.

Станция CRS имеет небольшое зеркальное поле, состоящее всего из 93 гелиостатов по 39 м2, с общей площадью зеркальной поверхности, 3,7 тыс. м2 и отражательной способностью 0,91. Поле имеет секторную форму и радиально-круговую шахматную структуру расположения гелиостатов.

Полостной приемник с входным отверстием 9,7 расположен на башне высотой 43 м и выполнен в виде вертикально-вогнутой цилиндрической поверхности с углом охвата 120 градусов. Температура приемника составляет 530 С. Отличительная особенность проекта состоит в применении двухконтурной тепловой схемы с жидкометаллическим натрием в качестве теплоносителя в первом контуре.



Солнечные электростанции CESA-1 и CRS. СЭС CESA-1 и CRS

Рис.7. Солнечные электростанции CESA-1 и CRS

Картинка в полном размере


Математическое моделирование режимов работы и оптимизация параметров оптических систем СЭС


Уже при разработке первых проектов экспериментальных СЭС возникла острая необходимость в специальных методах расчета и имитационного моделирования работы оптических систем. Специфика оптической системы СЭС проявляется в дискретности, многоэлементности и изменяющейся во времени геометрии зеркальной поверхности.

Несмотря на простоту законов, описывающих элементарное отражение пучка солнечных лучей от плоской зеркальной фацеты, дискретность системы затрудняет применение к описанию ее работы аналитических методов, подобных методам описания работы фокусирующих систем зеркальных концентратором солнечных печей. Многоэлементность и изменение во времени геометрической формы концентрирующей системы СЭС требуют для расчета интегрального эффекта многократного повторения однотипных вычислительных процедур, учитывающих характеристики элементарных отраженных пучков лучей, собирающихся на приемнике СЭС. Эти особенности оптических систем СЭС явились предпосылками к применению машинных методов моделирования их работы и стимулировали параллельное развитие расчетных алгоритмов в различных странах. Для этапов становления этого направления как в СССР так и за рубежом характерно параллельное развитие в расчетно-проектных и теоретических работ, тесная связь между совершенствованием расчетных методов и конкретными запросам проектной практики. Оптическая система СЭС должна удовлетворять комплексу противоречивых технических требований и условий и представ¬ляет собой обширное попе для постановки и решения разно-образных оптимизационных задач.

Отечественная практика применения машинных методов проектирования оптических систем СЭС сложилась в ходе разработок экспериментальной станции СЭС-5 и обосновывающих материалов проектирования и строительств СТЭС промышленного уровня мощности на территории Уз.ССР. При работе над этими проектами были предложены методы решения прямых задач широкоапертурной оптики зеркальных систем с изменяемой геометрией. Постановка прямой задачи предполагала непосредственный расчет оптико-энергетических характеристик заданной оптической системы, анализ характерных потерь и прослеживание динамики изменения тепловых нагрузок на приемнике излучения. Отбор приемлемых вариантов геометрии оптической системы проводился методом проб и ошибок или прямым сравнением результатов многовариантных расчетов энергетических характеристик системы.

Этот этап позволил установить ряд априорно неочевидных свойств многоэлементных зеркальных систем и разработать систему рациональных приближений, ускоряющих процесс машинных вычислений и позволяющих моделировать все более сложные и многообразные ситуации. Это создало предпосылки для постановки обратных задач, предполагающих оперирование с целыми классами решений и предназначенных для параллельного сравнительного анализа различных глобальных геометрий оптической системы.

В настоящее время это направление развивается в плане создания программного обеспечения систем автоматического проектирования СЭС. В состав многоуровневой иерархической структуры серии машинных программ систем автоматического проектирования СЭС входят алгоритмы обработки исходной климатической информации, программы вычисления параметров обобщенных локальных характеристик затенения и блокировки зеркальных элементов, алгоритмы машинной "упаковки" зеркального поля, алгоритмы оптимального заполнения земельного участка заданным количеством зеркальных элементов и алгоритм оптимизации размеров приемника и режимных параметров теплосиловой подсистемы СЭС.

Основной проблемой разработки оптической системы СЭС является системное согласование и определение оптимального сочетания параметров зеркального поля, геометрии приемника и номинальных режимных характеристик системы преобразования энергии. Поэтому иерархия машинных алгоритмов рассчитана на параллельный анализ ряда конкурирующих оптических схем с различными типами геометрии приемника, включая варианты с несколькими приемниками, расположенными на одной башне. Целевой функцией оптимизационной задачи является среднеэксплуатационное значение полезного теплового потока, поступающего в систему преобразования энергии при заданной суммарной площади зеркальной системы.

Завершением серии программ, посвященных выбору и оптимизации оптической системы СЭС, является набор алгоритмов решения задач, предназначенный для детального анализа оптико-энергетических характеристик отобранных решений. Он основан на ранее разработанных алгоритмах прямого расчета характеристик оптической системы с заданной геометрией. Блок-схема алгоритмов представлена на рис. 8.


Структурная схема имитационной математической модели работы оптической системы СЭС заданной геометрии

Рис.8. Структурная схема имитационной математической
модели работы оптической системы СЭС заданной геометрии


В имитационную модель вводятся среднестатистические климатические характеристики района расположения СЭС и географическая широта местности, по которым во внутренних блоках модели вычисляются положения Солнца и наиболее вероятный уровень прямой солнечной радиации в различное время рабочего дня СЭС, в разные сезоны года.

Кроме того, в модель закладываются основные геометрические характеристики оптической системы: габариты зеркального поля и отдельных гелиостатов, расстояния между зеркалами и способ их взаиморасположения, высота башни, размеры приемника, допуск на точность ориентации гелиостатов и т.п.

Алгоритм вычисления строится в виде иерархий вложенных друг в друга, циклически повторяющихся подпрограмм. Внешние циклы организуют последовательность перебора рассматриваемой совокупности вариантов расчета и могут изменяться в зависимости от постановки задачи на данном этапе исследования.

Например, при исследовании энергетических характеристик конкретного варианта компоновки оптической системы с фиксированными геометрическими параметрами внешние циклы осуществляют перебор различных моментов рабочего дня СЭС в разные сезоны года, так что для данной оптической системы может быть прослежена динамика изменения оптических и энергетических характеристик во времени, а также могут быть рассчитаны среднегодовые значения соответствующих величин. Другим примером может служить исследование энергетических характеристик оптической системы в зависимости от ее геометрических размеров. В этом случае внешние циклы осуществляют перебор исследуемой совокупности значений геометрических параметров систем. Таким образом могут быть определены, например, зависимости коэффициента улавливания от соотношения между размерами приемника и единичного гелиостата, зависимость самозатенения зеркальной системы от коэффициента заполнения земельного участка зеркальной поверхностью, зависимость блокировки зеркал от высоты башни и т.п. Эти зависимости могут рассматриваться для данного характерного момента времени или усредняться по дневному, месячному, сезонному или годовому периоду работы СЭС.

Внутренние циклы программы вычислений при всех указанных постановках задачи остаются, как правило, неизменными. На рис. 8 они выделены вложенными друг в друга пунктирными прямоугольниками. В качестве основной самостоятельной единицы вычислительной программы может быть принято вычисление распределения поверхностной плотности потока излучения для фиксированной совокупности точек приемника. Эта единица вычислительной программы организуется с помощью приведенной ниже последовательности циклов.

Внешний цикл данной подпрограммы осуществляет перебор отдельных гелиостатов зеркальной системы. Для каждого гелиостата определяются границы затененной и блокированной областей зеркальной поверхности.

Следующий по уровню вложения цикл перебирает точки приемника. В плоскости каждого гелиостата для каждой точки приемника определяется положение и размер изображения Солнца (с учетом сшибок систем слежения).

Изображение разбивается на равновеликие по угловым размерам элементы, и самый внутренний цикл подпрограммы осуществляет перебор этих элементов. Для каждого элемента проверяется следующее:
расположен ли данный элемент в пределах озеркаленной области плоскости гелиостата;
не принадлежит ли он затененной области;
не принадлежит ли он блокированной области.

Отношение числа элементов изображения, принадлежащих области зеркала, свободной от затенения и блокировки, к общему числу элементов изображения, умноженное на косинус угла падения лучей от гелиостата на поверхность приемника, равно вкладу, вносимому данным гелиостатом в суммарный геометрический коэффициент концентрации излучения в данной точке приемника. При суммировании элементов изображения каждому элементу должен быть приписан вес, пропорциональной яркости данного элемента.

Суммирование элементарных вкладов отдельных гелиостатов осуществляется последними операторами цикла, перебирающего гелиостаты зеркального поля.

В процессе вычислений определяются значения ряда вспомогательных величин, таких, как средние по полю значения фактора косинуса, фактора затенения, фактора блокировки, коэффициента эффективности использования зеркальной поверхности, коэффициента улавливания, значение суммарного потока Q отр, отраженного зеркальной системой, и суммарного потока Qпг, падающего на приемник.

Блочная структура программы облегчает управление процессом вычисления и допускает различные модификации, в частности вычисление распределений локальных значений факторов, не требующее обращения к блокам программы, расположенным на рис. 8. ниже горизонтальной пунктирной линии.

С помощью системы алгоритмов решения прямых задач оптики СЭС в 1978-1980 гг. были исследованы сравнительные характеристики эффективности различных структур поля гелиостатов. Предлагавшиеся на предварительной стадии обсуждения проекта СЭС-5 строго периодические прямоугольные, гексагональные и другие структуры с постоянным по всему полю коэффициентом заполнения были признаны неэффективными.


Линии уровня среднегодовых локальных значений коэффициента эффективности при гексагональной структуре поля гелиостатов

Рис. 9. Линии уровня среднегодовых локальных значений
коэффициента эффективности при гексагональной структуре
поля гелиостатов и Кзап = 0,3; Н - высота башни


В качестве примера на рис. 9 представлено распределение эффективности использования зеркальной поверхности по площади поля гелиостатов со строго периодической гексагональной структурой. Как видно, периодическая структура имеет характерные выделенные радиальные направления с уменьшенной эффективностью использования зеркальной поверхности, обусловленной блокировкой гелиостатов.

В дальнейшем была выбрана в качестве оптимальной упоминавшаяся выше радиально-круговая шахматная структура расположения гелиостатов с переменным коэффициентом заполнения, уменьшающимся в радиальном направлении от башни к периферии зеркального поля.

Итогом расчетов по рассматриваемой цепочке алгоритмов является распределение плотности сконцентрированного потока излучения по поверхности приемника. На рис. 10 представлено такое распределение, рассчитанное в процессе разработки обосновывающих материалов строительства четырехмодульной (каждый модуль по башенной схеме) промышленной станции СЭС-200 в Крыму.


Развертка боковой поверхности цилиндрического приемника модуля СЭС мощностью 50 МВт

Рис. 10. Развертка боковой поверхности цилиндрического
приемника модуля СЭС мощностью 50 МВт. Линии уровня (в кВт/м2)
распределения плотности потока излучения для 22 сентября в 8 ч.
Высота Солнца над горизонтом 20°, I=0,66 кВт/м2 по условиям Крыма, Qnr=193 МВт