[发明专利]塔式太阳能镜场接收器平面的辐射能密度分布模拟方法

说明书

本发明涉及一种塔式太阳能镜场接收器平面光斑的辐射能密度分布模拟方法，属于塔式太阳能镜场模拟技术领域。包括：1)根据镜场布局及光线方向，计算定日镜的阴影遮挡效率；2)确定辐射能密度分布函数参数，建立局部坐标系下的解析模型；3)将局部坐标系下的解析模型经过光线反射方向斜平行投影至接收器平面，建立接收器平面辐射能密度分布模型。可高效地对光斑的辐射能密度进行仿真，并保证结果的精度。

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接收器平面光斑的辐射能密度分布模拟方法。

背景技术

在塔式太阳能热电系统中，发电效率与系统安全是两个重要的议题。当镜场分布最优时，集中在接收器平面的辐射能密度可达最大，此时系统发电效率最高，但随之可能产生接收器平面温度过高的问题，导致接收器损坏。因此，镜场分布设计之初需要进行大量辐射能密度仿真分析，以验证系统可靠性和高效性。

在塔式太阳能热电系统的辐射能密度仿真中，主要使用两种仿真方法：光线跟踪和解析方法。光线跟踪是计算机图形学中的高度真实感图形绘制技术，通过模拟光线在场景中的传播与碰撞来生成对应的图像。在定日镜仿真中，通常使用阴影表示光线被周围定日镜阻挡无法到达目标定日镜表面而产生的无效区域，使用遮挡表示光线由目标定日镜反射至接收器的路径中被周围定日镜阻挡而产生的无效区域。通过分析每个定日镜反射光线在场景中的传播路径，并统计最终落在接收器平面上的光线数量，即可确定接收器表面的辐射能密度分布。光线跟踪方法的优点主要在于计算结果准确。通过模拟光线由太阳出发经过定日镜反射直至接收器的过程，计算出接收器平面的能量密度分布，可以综合考虑太阳分布模型、定日镜表面法向微扰动及大气衰减等因素。因此，光线跟踪的结果也常被用作实验中的真实值进行对比。

为提高辐射能密度仿真的效率，解析方法应运而生。解析方法通常使用卷积积分或简化的高斯函数进行数学建模，刻画在太阳模型、定日镜微表面、阴影遮挡等因素影响下接收器表面的辐射能光斑分布情况。与光线跟踪相比其优势在于计算速度快。对比光线跟踪中每个定日镜都需要跟踪百万根光线的传播情况，解析方法只需要对每个定日镜建立分布模型即可。因此，在镜场设计优化、聚焦策略优化中，通常使用解析方法。

Lipps和Walzel在模型中引入阴影遮挡因子，并提出了适用于不同形状定日镜的数值方法(Lipps F W,Walzel M D.An analytic evaluation of the flux density dueto sunlight reflected from a flat mirror having a polygonal boundary[J].SolarEnergy,1978,21(2):113-121.)。该方法考虑了定日镜之间的位置关系，因此仿真结果更加准确。聚焦型定日镜是由多个平面镜按照一定曲面形状拼成的，其分布与平面型定日镜略有不同。针对聚焦型定日镜，Collado等人提出了UNIZAR模型，通过数值积分计算多个高斯误差函数卷积的方式进行仿真(Collado F J,Gomez A,Turégano J A.An analyticfunction for the flux density due to sunlight reflected from a heliostat[J].Solar Energy,1986,37(3):215-234.)。Elsayed和Fathalah等人使用变量分离和叠加原理对接收器平面的辐射能密度分布进行建模，适用于平面型和聚焦型定日镜(Elsayed M,Fathalah K A.Solar flux-density distribution due to partially shaded/blockedmirrors using the separation of variables/superposition technique withpolynomial and Gaussian sunshapes[J].Journal of Solar Energy Engineering,1996,118(2):107-114.)。上述方法的计算过程涉及卷积操作，无法给出通用的函数表达，因此以HFLCAL为代表的多种简化模型相继出现。