ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

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 работа оптических си тем. 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 описа нию ее работа аналитических методов, подобных методам опи­сания работы фокусирующих систем зеркальных концентратора солнечных печей. Многоэлементность и изменение во времен геометрической формы концентрирующей системы СЭС требую1 для расчета интегрального эффекта многократного повторения однотипное вычислительных процедур, учитывающих характерно тики элементарных отраженных пучков лучей, собирающихся нг 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 [2,3,7,31,56,58,72,85,112, 145]. Для этапов становления этого направления как в CCCI так и за рубежом характерно параллельное развитие в расчет но-проектных и теоретических работ, Тесная связь между со­вершенствованием расчетных методов и конкретными запросаі проектной практики.

Оптическая система СЭС должна удовлетворять комплексу противоречивых технических требований и условий и представ­ляет собой обширное поле для постановки и решения разно­образных оптимизационных задач.

Отечественная практика применения машинных методов проектирования оптических систем СЭС [2,3,7,9,31] сло­жилась в ходе разработок экспериментальной станции СЭС-5 и обосновывающих материалов проектирования и строительств! СТЭС промышленного уровня мощности на территории Уз. СС При работе над этими проектами были предложены методы ре шения прямых задач широкоапертурной оптики зеркальных сио тем с изменяемой геометрией. Постановка прямой задачи пре полагала непосредственный расчет оптико-энергетических ха­рактеристик заданной оптической системы, анализ характерны потерь и прослеживание динамики изменения тепловых нагруз<

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 оптичео - ких 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 [ 7, 31]. Блок-схема алгоритмов представлена на рис. 8.

В имитационную модель вводятся среднестатистические климатические характеристики района расположения СЭС и географическая широта местности, nb которым во внутренни блоках модели вычисляются положения Солнца и наиболее роятный уровень прямой солнечной радиации в различное вре мя рабочего дня СЭС, в разные. сезоны года. ;

Кроме того, в модель закладываются основные геометри-j ческие характеристики оптической системы: габариты зеркал ного поля и отдельных гелиостатов, расстояния между зерка 28

лами 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 энергетичео - ких 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 помсдью 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 никл перебирает точки при-

емника. 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:

1) расположен ли данный элемент в пределах озеркаленной области плоскости гелиостата;

2) не принадлежит ли он затененной области;

3) 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 cos ф, фактора затенения г, фактора блокировки /3, коэффициента эффективности использования зеркальной повер> ности 7)Q, коэффициента улавливания у. значение суммарного потока Q0Tp, отраженного зеркальной системой, и суммар­ного потока^ Qnr, падающего на приемник.

Блочная структура программы облегчает управление про­цессом вычисления и допускает различные модификации, в частности вычисление распределений локальных значений факто­ров cosф } т, /3, TjQt 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.

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.