[发明专利]塔式光热电站定日镜场非中心点聚焦建模方法

说明书

一种基于“蒙特‑卡洛光线追迹法”计算塔式光热电站定日镜场非中心聚焦的能流密度的建模方法，包括以下步骤：建立塔式光热电站定日镜非中心点聚焦模型框架；建立太阳位置及其太阳辐射数学模型；定义塔式光热电站定日镜非中心点聚焦建模的坐标系位置；建立非中心点聚焦数学模型；利用腔式吸热器内平面方程及其边界条件建立吸热器内表面的数学模型。本发明可以比较准确模拟定日镜的聚焦中心处于吸热器开口平面的非中心点能流密度计算，据此分析其聚焦光斑形状和吸热器腔内表面能流密度随时间的变化，提高了建立定日镜场数学模型的可靠性。

技术领域

本发明涉及一种塔式光热电站定日镜场聚焦平面能流密度分布的建模方法。

背景技术

塔式电站中，由定日镜场组成的聚光系统是整个电站中最关键设备之一。运行过程中，聚光系统将入射的太阳辐射能量聚焦然后反射到位于吸热塔上一定高度的中央吸热器中以加热管内流动的工质，直接或间接产生过热蒸汽来推动汽轮机发电。因此，聚光系统入射能流密度的分布不仅关系到吸热器的安全运行，而且对于研究整个吸热系统的动态特性有着非常重要的作用。通过仿真手段建立电站聚光系统的数学物理模型，对吸热器系统内的能流密度分布进行研究是非常必要的。

先前许多国内外学者针对塔式太阳能电站定日镜场模型已进入了深入的研究，总得来说，最常用的方法大致可分为两类：“锥体光学”法(cone optics method)以及“蒙特-卡洛光线跟踪”法(ray tracing method)。通过对上述两种方法的应用，均能够得到很高的计算精度。其中，“锥体光学”法在上世纪80年代以前就得到了很好的发展，该方法函数关系比较明确，能够对聚光系统的优化和设计提供帮助，但是对于非焦平面的处能流密度的计算有点困难。“蒙特-卡洛光线追迹法”通过对跟踪太阳辐射出的太阳光束，观测它从始至末的反射过程来得到计算区域的能流密度。该方法的优点是物理概念非常清晰，能够对实际聚光装置的设计起到很大的帮助，缺点是计算量大，编程计算比较麻烦。现阶段计算机技术的快速发展，高性能的服务器的出现，使该方法的缺点得到了很大的抑制，因此也得到很大的发展。下面对上述方法在国内外的应用进行详细的介绍。

“蒙特-卡洛光线追迹法”：如上所述，它是通过在太阳入射光束中追迹一定的光线来求计算区域的能流密度。1979年，J.C.Daly等人利用该种方法分析了抛物柱面聚光器焦平面出的能流分布，计算区域中的能流密度值是单位面积追迹光线所带能量的总和。在计算中，他们考虑了各种太阳圆盘的模型，对表面形状误差以及接收器的位置误差进行了分析，同时还考虑了接收器阴影的影响。

1985年，K.S.Jefferies等人利用该方法对空间太阳能动力系统的抛物面聚光器进行光学分析，考虑了聚光器的指向误差、聚光器反射表面的形状误差、以及不同的半张角以及太阳表面亮度不均匀等因素对焦平面能流密度分布的影响。除了以上学者，很多学者均利用该方法进行不同聚光器的聚光能流密度的分布进行了研究。

现有的许多定日镜场优化软件功能是镜场和吸热器的优化配置，很难满足电站实时动态模拟仿真的计算要求。

发明内容

为了获得塔式太阳能电站定日镜场在中央吸热器开口平面的非中心点处能流密度分布的信息，同时满足实时动态模拟的要求，本发明提出一种塔式光热电站定日镜场非中心点聚焦建模方法。本发明采用“蒙特-卡洛光线追迹法”建立塔式太阳能电站定日镜场的非中心点聚焦动态仿真模型，通过在太阳入射光束中追迹一定数量的光线，然后统计追迹光线经镜面的反射后最终达到吸热器腔内计算区域光线的数目，获得能流密度分布。

本发明塔式光热电站定日镜场非中心点聚焦建模方法包括以下步骤：

步骤1：建立塔式电站定日镜场非中心点聚焦模型框架；

步骤2：建立太阳位置及其太阳辐射数学模型；

步骤3：定义塔式光热电站定日镜非中心点聚焦建模的坐标系位置；

步骤4：建立非中心点聚焦数学模型；