[发明专利]塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法

说明书

本发明涉及一种塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，属于塔式太阳能镜场模拟技术领域。包括：1)将塔式太阳能镜场中所有定日镜的顶点沿垂直于地面的方向进行投影；2)根据步骤1)生成的二维投影坐标，使用轴向平行的矩形将投影定日镜的顶点坐标包围；3)按照一定间隔将矩形划分成均匀网格，建立二维投影坐标与网格之间的对应关系；4)以投影定日镜对角线长度为直径建立每个投影定日镜的包围圆；5)对每个定日镜沿入射光线及反射光线方向发射两条探测光线；6)确定探测光线穿过的网格，获得可能对当前定日镜产生阴影或遮挡的相关定日镜；7)采用包围盒投影剔除法筛选相关定日镜，并使用多边形裁剪算法确定阴影与遮挡效率。

技术领域

本发明涉及塔式太阳能镜场模拟技术领域，具体地说，涉及一种塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法。

背景技术

在工业全球化的今天，能源的日益短缺是各国均面临的问题，而以化石燃料为首的传统能源，在使用过程中释放的二氧化碳会不断加剧全球变暖。在这种情况下，人们对新型能源的需求不断提高。其中，太阳能以其清洁、安全的特点受到各个领域的关注。塔式太阳能热电系统是实现太阳能发电的方式之一，通过系统中的定日镜镜场反射太阳光线至接收器平面，实现太阳能量的汇集，再由后续发电子系统将热能转化为电能。

在塔式太阳能热电系统汇聚光线的过程中，存在两种造成能量损失的情况：阴影和遮挡。阴影表示光线被周围定日镜阻挡，无法到达目标定日镜而产生的无效区域，遮挡表示光线由目标定日镜反射至接收器的过程中被周围定日镜阻挡而产生的无效区域。由于聚集至接收器的能量是后续能量转化的基础，因此为了降低能量的损耗，需要尽量避免这两种现象。然而，在大型定日镜场中定日镜数量较多，计算每个定日镜的阴影遮挡需要进行大量的计算，影响仿真效率。因此，人们对加速阴影遮挡计算的方法进行了一定的研究。

阴影遮挡计算由相关定日镜判断和有效反射区域计算两个步骤组成。现有的相关定日镜判断方法主要分为距离约束法和投影剔除法两种。距离约束法通常根据经验定义定日镜最远距离，当周围定日镜与当前定日镜超过最大距离时，判断两者不相关。投影剔除法将定日镜包围盒投影至当前定日镜所在平面，根据包围盒的相交情况判断是否出现阴影遮挡现象。然而，距离约束法基于经验公式进行定义，公式可靠性不能保证，可能包含过多无关定日镜。投影剔除法则需要在判断定日镜与其他所有定日镜之间的关系，虽然可相对降低有效反射区域计算步骤的复杂度，但是在判断阶段的复杂度仍较高。

从计算机图形学角度考虑，阴影与遮挡是渲染中的常见问题，针对光线跟踪计算量巨大的问题，提出了较多加速方法。其中，3D-DDA算法(Amanatides J,Woo A.A fastvoxel traversal algorithm for ray tracing[C]//Eurographics.1987,87(3):10.)通常用于进行光线碰撞检测的高效判断。因此，可以将定日镜场中的定日镜视作图形渲染时的面片进行处理。但是，3D-DDA算法是针对单根光线的传播进行的，计算效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，准确剔除了无关定日镜，有效提高计算效率，便于实现。

为了实现上述目的，本发明的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法包括以下步骤：

1)将塔式太阳能镜场中所有定日镜的顶点沿垂直于地面的方向进行投影，生成顶点的二维投影坐标；

2)根据步骤1)生成的二维投影坐标，使用轴向平行的矩形将投影定日镜的顶点坐标包围；

3)按照一定间隔将矩形划分成均匀网格，将三维坐标垂直投影至地面，建立二维投影坐标与网格之间的对应关系；

4)以投影定日镜对角线长度为直径建立每个投影定日镜的包围圆；

5)对每个定日镜沿入射光线及反射光线方向发射两条探测光线；