塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法技术

本发明专利技术公开了塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法，涉及塔式太阳能热发电系统模拟技术领域，包括以下步骤：(1)在考虑阴影和遮挡的影响的情况下，提取定日镜表面的有效反射区域；(2)推导和建立定日镜局部坐标系下定义的虚拟辐射能密度分布标量场函数的解析模型；(3)将虚拟的所述虚拟辐射能密度分布标量场函数沿着定日镜反射的方向斜平行投影到接收平面上，完成接收器上接收到的辐射能密度分布建模；本发明专利技术考虑了太阳光方向、太阳表面的辐射能分布、定日镜的位置、大小、旋转、定日镜微表面以及阴影和遮挡等因素，实验和对比结果表明本发明专利技术提出的解析模型比已有的解析方法精度都要高并且可以快速的计算。

Simulating Method of Radiation Energy Density Distribution of Light Spot in Tower Solar Thermal Power Generation

The invention discloses a simulation method for radiation energy density distribution of spot in tower solar thermal power generation, which relates to the simulation technology field of tower solar thermal power generation system, including the following steps: (1) extracting effective reflection area of heliostat surface considering the influence of shadows and shadows; (2) deriving and establishing virtual radiation energy density distribution defined under local coordinate system of heliostat. Analytical model of scalar field function; (3) Projecting the virtual scalar field function of radiation energy density distribution obliquely parallel to the receiving plane along the direction reflected by heliostat to complete the modeling of radiation energy density distribution received on the receiver; The present invention considers the direction of sunlight, the radiation energy distribution on the solar surface, the position, size, rotation and the micro-surface of heliostat. As well as the factors such as shadow and occlusion, the experimental and comparative results show that the analytical model proposed by the present invention has higher accuracy and can be calculated quickly than the existing analytical methods.

【技术实现步骤摘要】
塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法
本专利技术涉及塔式太阳能热发电系统模拟
，特别涉及塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法。
技术介绍
塔式太阳能热发电是一种既环保又可持续的应对当代世界能源危机的新兴科技(RomeroM，SteinfeldA.Concentratingsolarthermalpowerandthermochemicalfuels[J].Energy&EnvironmentalScience，2012，5(11)：9234-9245.)。在该类型的系统中，操控策略，尤其是当系统运行不稳定的时候，需要大量的及时辐射能仿真模拟。除了发电效率的考虑，接收器表面的辐射能密度分布关系到系统的安全运营(RoldánMI，MonterrealR.Heatfluxandtemperaturepredictiononavolumetricreceiverinstalledinasolarfurnace[J].AppliedEnergy，2014，120(3)：65-74.)，因此，对接受器表面接收到的来自于全定日镜场的辐射能分布进行精确快速的仿真模拟就变得非常重要和意义重大，但前提是要对一面定日镜反射的辐射能密度进行建模。但是，对定日镜反射的辐射能光斑进行精确的模拟并不是一件容易的事情，因为这个光斑受很多因素的影响，比如定日镜位置，大小，朝向以及定日镜微表面，太阳方向以及太阳表面的辐射能密度分布。另外，场地上定日镜之间的阴影和遮挡损失也需要重点考虑。现有的仿真方法可以分为两类，基于光线跟踪的方法和解析的方法(GarciaP，FerriereA，BezianJJ.Codesforsolarfluxcalculationdedicatedtocentralreceiversystemapplications：Acomparativereview[J].SolarEnergy，2008，82(3)：189-197.)。光线跟踪方法通过离散地采样并跟踪大量的光线来模拟光能在太阳、定日镜和接收器之间的传输。这种方法可以得到相对精确的辐射能密度分布的预测结果，伴随的代价是计算复杂度比较高。另一方面，解析方法通过对辐射能光斑进行整体的刻画和近似，从而极大地降低计算时间。一般而言，解析方法刻画分布模型通过卷积的方式，关联因素包括太阳、定日镜、接收器。但是，这种卷积的结果到如今依旧没有一个解析表达式。卷积模型通常通过数值方法或者对模型简化进行求解，前一种方式比较耗时，后一种方式仿真精度低。模拟定日镜反射到接收器上的辐射能密度分布，解析方法是一种有效途径，涵盖多种影响因素，比如太阳参数，定日镜属性和大气衰减等。Biggs和Vittitoe(1976)提出通过卷积的方式在统计学意义上综合多个非确定因素的影响(太阳表面形状和定日镜镜片误差)，这个卷积利用傅里叶变换进行数值求解(VittitoeCN，BiggsF.TheHELIOSmodelfortheopticalbehaviorofreflectingsolarconcentrators[J].SandiaNationalLaboratoriesReportNo.SAND76-0347，1976.)。Walzel等人在1977年利用二维的诶米特多项式来预测一个平面定日镜反射到接收器上的辐射能密度分布(WalzelMD，LippsFW，Vant-HullLL.Asolarfluxdensitycalculationforasolartowerconcentratorusingatwo-dimensionalhermitefunctionexpansion[J].SolarEnergy，1977，19(3)：239-253.)。他们的结果跟之前的解析模型结果很接近但是只需要1/10的计算时间。Lipps和Walzel在1978年提出了一个针对圆形的定日镜的解析模型并且也是通过数值的方法刻画由任意形状的定日镜反射的辐射能密度分布，同时考虑了阴影和遮挡的影响。作者指出他们的方法比诶米特函数的方法精度更高但计算速度更慢。Hennet和Abatut在1984年给出了一个复杂的辐射能密度分布解析模型，计算太阳圆盘和定日镜在接收面上的投影轮廓的卷积(HennetJC，AbatutJL.Ananalyticalmethodforreflectedfluxdensitycalculations[J].Solarenergy，1984，32(3)：357-363.)。阴影的处理方式很直接，根据被遮挡的面积占比统一均匀降低反射的辐射能。显然，这种做法对于辐射能密度分布的预测不是很准确。Collado等人在1986年以积分的形式给出了UNIZAR模型来刻画聚焦型定日镜在接收器上形成的辐射能密度分布，本质上就是几个高斯分布的卷积(ColladoFJ，GomezA，TuréganoJA.Ananalyticfunctionforthefluxdensityduetosunlightreflectedfromaheliostat[J].SolarEnergy，1986，37(3)：215-234.)。他们通过比较模拟的辐射能密度分布等高线、总能量与真实测量的结果来验证提出的解析模型。总之，一个普适的具有闭合形式的基于卷积积分方式的辐射能密度分布模拟方案还至今未知。Elsayed等人在1995年设计了一个仪器测量了一个平面定日镜反射在平面接收面板上的辐射能密度分布(ElsayedMM，FathalahKA，A1-RabghiOM.Measurementsofsolarfluxdensitydistributiononaplanereceiverduetoaflatheliostat[J].Solarenergy，1995，54(6)：403-411.)。根据测量的数据，他们识别出了两个图像，也就是可见光斑区域和定日镜反射的辐射能密度分布区，结果分布图跟本文提出的解析模型结果高度一致。太阳辐射能沿着定日镜在接收面上的投影轮廓的主轴有规律的分布。他们还给出了一个一维的解析模型来逼近测量的结果(ElsayedMM，FathalahKA.Solarfluxdensitydistributionusingaseparationofvariables/superpositiontechnique[J].Renewableenergy，1994，4(1)：77-87.)。作为另一种方式，基于卷积的解析模型可以简化为一些具有闭合形式的简单形式表达式，代价是牺牲一点精度。Schwarzbozl等人在2009年利用一个各向同性的高斯分布模型来逼近接收器表面的辐射能密度分布，也就是HFLCAL模型(P，Pitz-PaalR，SchmitzM.VisualHFLCAL-ASoftwareToolforLayoutandOptimisationofHeliostatFields[C]//Proceedingsof15thInternationalSolarPACESSymposium，Berlin，September.2009：15-18.)。太阳模型、定日镜微表面以及跟踪误差等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在考虑阴影和遮挡的影响的情况下，提取定日镜表面的有效反射区域；(2)推导和建立定日镜局部坐标系下定义的虚拟辐射能密度分布标量场函数的解析模型；(3)将虚拟的所述虚拟辐射能密度分布标量场函数沿着定日镜反射的方向斜平行投影到接收平面上，完成接收器上接收到的辐射能密度分布建模。

【技术特征摘要】
1.塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在考虑阴影和遮挡的影响的情况下，提取定日镜表面的有效反射区域；(2)推导和建立定日镜局部坐标系下定义的虚拟辐射能密度分布标量场函数的解析模型；(3)将虚拟的所述虚拟辐射能密度分布标量场函数沿着定日镜反射的方向斜平行投影到接收平面上，完成接收器上接收到的辐射能密度分布建模。2.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，在考虑阴影和遮挡的影响的情况下，提取定日镜表面的有效反射区域的具体过程如下：1-1、确定定日镜场上所有定日镜之间的阴影遮挡关系；1-2、会产生阴影和遮挡的定日镜分别沿着太阳能光线方向和反射方向的逆方向投影到当前考察的定日镜平面上，得到阴影和遮挡镜面的投影轮廓；1-3、将步骤1-2得到的投影轮廓裁剪掉，得到了定日镜表面上除去被遮挡的区域，定义为定日镜有效反射表面。3.如权利要求2所述的塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法，其特征在于，步骤1-1，采用在GPU上实现的光柱遍历均匀网格算法快速并行确定定日镜场上所有定日镜之间的阴影遮挡关系。4.如权利要求2所述的塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法，其特征在于，步骤1-3中，采用Weiler-Atherton裁剪算法将步骤1-2得到的投影轮廓裁剪掉。5.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电中光斑的辐射能密度分布的模拟方法，其特征在于，步骤(2)中，推导和建立定日镜局部坐标系下定义的虚拟辐射能密度分布标量场函数的解析模型的具体过程如下：2-1、在定日镜局部坐标系o-xy下，定日镜有效反射表面S1是个平面多边形，顶点为对应的边为每一条边从vi(xi，yi)到vi+1(xi+1，yi+...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵豫红，冯结青，何才透，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33