[發明專利]太陽能塔式發電吸熱器采光面聚光能流密度分布的計算方法

有效

• 申請號: 201310479508.X
• 申請日: 2013-10-14
• 公開（公告）號: CN103530518A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 郭明煥;王志峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明屬于太陽能熱利用領域，涉及一種計算太陽能塔式電站吸熱器采光面上聚光能流密度分布的方法。

背景技術

太陽能塔式熱發電站中，吸熱器一般放置在中央吸熱塔的頂端，太陽塔周圍的地面上是眾多的定日鏡，形成聚光場。這些定日鏡均能繞雙軸旋轉，自動跟蹤太陽，把入射太陽光反射向吸熱器的采光面。定日鏡聚光場相對于吸熱塔，一般有北向單側布置和周向布置兩種模式。對于北向單側布置的定日鏡場，塔頂吸熱器的一側是采光面，向著聚光場，且采光面多為平面或圓柱面（圓柱面的一部分，即槽形圓柱面）。對于周向布置的定日鏡場，塔頂吸熱器的采光面多為圓柱面（完整的圓柱面，即筒形圓柱面）。

吸熱器采光面是太陽能塔式熱發電站聚光能量流的一個天然界面，既是聚光場能量流的出口，也是吸熱器能量流的入口，因而計算和分析吸熱器采光面上的聚光能流密度分布對評價聚光場的光學性能以及分析吸熱器的吸熱效率都很重要。

計算的吸熱器采光面上的能流密度分布，一般以能流密度值數表的離散形式表示，即以某種網格間距對采光面作矩形網格劃分，并計算出采光面上所有網格點的聚光能流密度值。平面采光面對應平面矩形網格劃分，圓柱面采光面對應柱面矩形網格劃分。

計算定日鏡場在吸熱器采光面上的聚光能流密度分布主要有兩種方式，一種是解析計算，另一種是采用光線追跡法。不管采用哪種計算方式，都是先計算聚光場中單臺定日鏡在吸熱器采光面上的能流密度分布，然后把所有定日鏡的聚光能流密度分布疊加起來，便得到整個聚光場在吸熱器采光面上的聚光能流密度分布。解析的方式是在一些簡化假設條件下計算聚光能流密度分布，精度不高，適用范圍有限，計算的靈活性差。隨著計算機性能的快速提高，以光線追跡法計算聚光能流密度分布越來越受青睞。光線追跡法的好處是計算靈活、方便，幾乎適用于所有的計算場合，且計算精度也較高，但計算量較大。光線追跡法又分為蒙特卡洛光線追跡法、基于等效太陽光錐的正向光線追跡法和基于等效太陽光錐的逆向光線追跡法。

太陽光不是嚴格的平行光。太陽輪廓相對鏡面上一點形成半張角是16′的圓椎面，從而形成太陽光錐。太陽光錐的空間能量分布，對應于太陽圓盤的亮度分布。表示太陽亮度分布的模型比較多，有圓形均勻分布，圓形高斯分布，Kuiper亮度分布模型，LBL實驗數據模型，Buie亮度分布模型，等等。由于鏡面光學誤差的存在，入射的太陽光錐，經鏡面反射后形成擴散的太陽光錐。為了在光學計算過程中不用考慮鏡面誤差的光學擴散，可以把擴散了的太陽光錐作為等效太陽光錐，即等效太陽光錐的空間能量分布是入射太陽光錐的能量分布與鏡面誤差分布的復合。基于等效太陽光錐的概念，可以用一束光線（由多條光線組成）代替等效太陽光錐，以正向（從光源到采光面）或逆向（從采光面到光源）光線追跡的方式計算聚光能流密度分布。

無論正向還是逆向光線追跡，都需要把反射鏡面均勻地劃分為網格，把鏡面網格單元的中點作為該鏡面單元的代表點，把鏡面網格單元看作小平面，鏡面單元的法向即為鏡面網格單元中點處的法向。定日鏡在吸熱器采光面上的聚光能流密度等于定日鏡所有鏡面單元聚光能流密度的累加。

總之，要計算吸熱器采光面上的能流密度分布，需要計算采光面上所有網格點處的聚光能流密度值，需要的計算量很大。而且商業化太陽能塔式熱發電站總的反射鏡面積在幾萬平米以上，即便是計算采光面上一點的能流密度值，計算量也已不小。因此，需要發展一種快速的吸熱器采光面能流密度分布計算方法。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有聚光能流密度分布計算方法的不足，針對太陽能塔式熱發電站吸熱器采光面上的聚光能流密度分布，提供一種簡單、快速的計算方法。

本發明針對太陽能塔式熱發電站的定點聚光的特點，即對于單側布置的聚光場，大量的定日鏡同時向吸熱器采光面中心點聚光，在吸熱器采光面上的聚光能流分布是中央強邊緣弱，呈現接近圓形的橢圓形高斯分布特征。本發明利用二元高斯分布密度函數的性質，只需通過基于等效光錐的逆向光線追跡法，計算吸熱器采光面“田”字形網格邊界上的聚光能流密度值，再插值重建整個吸熱器采光面上的聚光能流密度分布。采光面“田”字形網格邊界，是指由采光面網格點陣列的最上、中間、最下3行網格點和最左、中間、最右3列網格點組成，是采光面網格點陣列中的一部分典型網格點。

記二元高斯分布密度函數為f(x,y)，則f(x,y)在矩形區域上的插值重建的數學原理如下：