[发明专利]塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热电系统领域，具体涉及一种塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法。

背景技术

塔式太阳能热电系统是一种大面积大规模的聚光发电方式，塔式太阳能热电系统主要由定日镜、塔、吸热器、换热装置、储热装置及热发电装置组成，其工作原理是通过一定数量的定日镜将太阳光汇聚到塔顶的吸热器产生高温，再将流经吸热器内的介质加热，并产生高温蒸汽推动汽轮机进行发电。由于存在聚光比大(一般可达300～1500)、运行温度高(可在500℃～1500℃)的优点，因此塔式太阳能热电系统目前得到了较广泛的应用。聚光系统是塔式太阳能热发电系统的关键组成部分，通过计算获得镜场的光学效率(余弦效率、阴影遮挡效率、溢出效率)有利于镜场的优化和设计，从而能够降低总体成本和提高发电的效率。

衡量塔式太阳能热电系统镜场光学效率的指标主要包括：余弦效率、阴影遮挡效率、溢出效率、大气透射效率。由于大气透射效率与定日镜间相对位置无关，较易求取，因此一般在计算衡量塔式太阳能热电系统镜场光学效率时可先不考虑大气透射效率。余弦效率、阴影遮挡效率、溢出效率的具体含义如下：

1)余弦效率：当太阳光照射到定日镜表面时，会和镜子表面产生一定的角度，则将入射光线的入射向量和定日镜的法向量的夹角的余弦值定义为余弦效率。如图1所示，θ角即为余弦角。一般来说，余弦效率是造成定日镜场效率损失的不可避免的主要原因。

2)阴影遮挡效率：如图2所示，当入射光线照射到目标定日镜Mir1时，被定日镜Mir2遮挡则造成了阴影损失，被阴影的光线数量与照到该定日镜的总光线数量之比为阴影效率；同理，当反射光线被定日镜Mir3遮挡时则造成了遮挡损失，被遮挡的光线数量与照到该定日镜的总光线数量之比为遮挡损失。一面镜子可能同时发生被阴影和被遮挡的情况。

3)溢出效率：当反射光线由于受到吸热器尺寸的限制而没有照进吸热器内，称这些光线为溢出的光线，将溢出的光线与总的光线数之比为溢出效率。

现有技术中镜场光学效率的计算方法有通过将定日镜进行网格化，通过依次判断每个小网格是否被周围定日镜发生阴影和遮挡；此外，也有将镜场定日镜的顶点坐标沿着入射或反射光线投射到被计算定日镜的平面，通过坐标变换求得被计算定日镜被遮挡的面积百分比从而求得效率。但是，现有技术的上述方法计算过程相对繁杂、效率低，在计算溢出效率时难度大，尤其是计算时间随着镜场规模的扩大而成倍增长。现有技术也有利用光线追迹法计算镜场光学效率的方法，这种方法的优点是通过追踪投撒在镜场中的光线可直观清晰地判断每一根光线与每一面定日镜的位置关系，且最终能方便地计算溢出效率，同时得到吸热器的受热示意图，但是现有技术利用光线追迹法计算镜场光学效率的方法的缺点则是计算量也会随着镜场的镜子数量增加、镜场的面积扩大等因素而增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种计算效率高、计算速度快、镜场适用范围广的塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法，实施步骤如下：

1)生成镜场，确定入射光线；

2)根据所述镜场、入射光线以及定日镜的坐标确定投撒范围；

3)在所述投撒范围的定日镜场内随机投撒光点；

4)利用CUDA计算平台采用多线程的形式针对每一根光线进行光线追迹，由随机投撒在地面上的光点和定日镜的四个顶点沿着入射光线在地面上的投影坐标依次确定入射光线与每一面定日镜的相交情况，若光点投影不在任何一面定日镜内该光点所对应的光线为无效入射光线，然后考虑下一个光点；否则判定该入射光线不被阴影并最终照射到的定日镜，并求取与该定日镜的交点；接着进入遮挡判定阶段；先计算该根入射光线所对应的反射光线，判断反射光线是否被其它镜子所遮挡，若不被遮挡则求取反射光线最终与吸收器的交点，判断该交点是否在吸收器内，如果交点不在吸收器内则判定光线溢出；最终根据所有入射光线中被阴影和被遮挡的入射光线数量计算镜场的阴影遮挡效率，所有入射光线中光线溢出的入射光线数量计算镜场的溢出效率；

5)计算余弦效率；

6)将所述阴影遮挡效率、溢出效率、余弦效率三者进行乘法运算，得到最终的镜场光学效率并输出。

作为本发明塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法的进一步改进：