[发明专利]一种峰值稳定的蒙特卡洛太阳辐射能密度仿真方法

说明书

本发明公开了一种峰值稳定的蒙特卡洛太阳辐射能密度仿真方法，包括以下步骤：(1)根据太阳入射光模型，对入射光方向进行采样；(2)对入射光与定日镜表面的交点进行采样；(3)对入射光进行遮挡测试以获得接收器表面的能量密度分布初始仿真结果；(4)将接收器表面的能量密度分布初始仿真结果进行滤波计算，获得蒙特卡洛太阳辐射能密度仿真结果。本发明峰值稳定的蒙特卡洛太阳辐射能密度仿真方法通过对光线跟踪算法仿真计算的结果加上一步后处理：滤波计算，在保证接收器表面接受的总能量不变的前提下，使得峰值与真值更接近且更稳定，同时降低了RMSE。稳定的峰值和与GT更接近的分布为后续的相关算法研究和仿真提供了可靠保障。

技术领域

本发明涉及太阳能发电模拟技术领域，特别是涉及一种峰值稳定的蒙特卡洛太阳辐射能密度仿真方法。

背景技术

随着近年来化石能源的资源短缺和造成的环境问题日益严重，清洁可再生能源引起了学术界和工业圈的广泛关注。太阳能就是一种常见的可再生资源中。作为地球的主要来源提供者的太阳，太阳能有着天然的安全、清洁、易获取、可再生且储量丰富特征。若存在一种技术能充分地将太阳能转换为人类所需的其他能量，那么理论上太阳能可以满足全世界对能源的需求。尽管太阳能有着巨大的利用价值，现阶段太阳能对全球能源供应的贡献仍然微不足道。

太阳能光热发电技术是目前最常见的太阳能应用方式之一。而现代太阳能光热发电系统中定日镜镜场反射投影效率极大程度的决定了太阳能的利用效率。因此为了提升太阳能光热发电系统的发电效率，需要对定日镜镜场的设计布局和聚焦策略进行优化。其中对接收器表面的辐射能密度分布进行仿真是解决这些问题的基础。

目前主要采用两种辐射能密度仿真方法：光线跟踪和解析方法。光线跟踪方法对大量光线的路径进行模拟，仿照光路在定日镜镜场中与其他物体的相交、折射、反射等关系，从而模拟推导光线与接收器的交点和能量值。在计算机图形学应用中，光线跟踪算法可以绘制出真实感极强的图像，因此在定日镜投影反射应用中也可以获得与真实分布接近的结果。但一方面，由于光线跟踪算法需要对大量光线路径进行计算，因此计算效率较低；另一方面，由于光线跟踪算法的离散性，其辐射能密度仿真的结果存在不确定性噪音。

解析方法的本质是通过一个可以解析计算的表达式，直接计算接收器表面任何一点的辐射能密度值。由于解析方法计算效率较高，在大型镜场的仿真中有很大优势。但由于任何一个解析模型都是对真实光斑的一个逼近。因此，解析方法不但精度理论低于光线跟踪方法，而且由于为了保证模拟的精度，解析方法需要提前确定针对每个定日镜的解析函数的参数，而这些参数值通常由光线跟踪的结果得出。所以，高效且精确的光线跟踪算法是解析方法相关研究的基础，在辐射能密度仿真领域研究中有着不可替代的地位。

目前光线跟踪算法仿真结果的不确定性噪音有两方面：

一、即使针对单个定日镜的仿真，光线跟踪反射投影在接收器表面的辐射能量密度峰值(简称峰值，指接收器表面在单位时间内、单位面积上接收的最大辐射能能量)总是不稳定的。峰值的准确性是评估辐射能密度仿真结果的重要因素。一方面，峰值的错误估计会影响接收器的使用寿命；另一方面，峰值也是许多解析计算模型使用的拟合参数。而由于光线跟踪是一种离散的计算方法，仿真结果的峰值十分不稳定，有些情况下可以达到10％的误差。不稳定的峰值必然会对镜场设计结果造成很大影响。

二、光线跟踪反射投影在接收器表面的辐射能量分布与真值分布(ground truth，简称GT)的均方根误差(Root Mean Square Error，简称RMSE)较大。这一点由光线跟踪的每次运行生成不同的随机数造成的。RMSE较大同样会降低仿真结果的可信度，从而对诸如镜场布局设计、场地参数优化、聚焦优化等研究中提供的相关参数与真实情况偏差。

发明内容

为发明的目的在于提供一种峰值稳定的蒙特卡洛太阳辐射能密度仿真方法，降低光线跟踪算法仿真结果中RMSE，使得峰值与真值更接近且更稳定。

一种峰值稳定的蒙特卡洛太阳辐射能密度仿真方法，包括以下步骤：