[發明專利]一種塔式太陽能鏡場陰影與遮擋效率的改進算法

在審

• 申請號: 201711036023.8
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107704711A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 張茂龍;呂海生;江建忠;肖平
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 段俊濤

技術領域

本發明涉及光熱發電技術，特別涉及一種塔式太陽能鏡場陰影與遮擋效率的改進算法。

背景技術

當今環境局勢日趨緊張，霧霾、煤雨等極端氣候層出不窮，各行業節能減排標準日益提高，作為清潔能源，太陽能熱發電站對環境的貢獻值得重視。塔式太陽能熱發電技術因集熱效率高，熱工轉換效率高，系統綜合效率高，成本降低空間大，更為節能環保，合適大規模應用等優點而成為光熱產業未來大規模應用的主要方向。然而塔式電站鏡場成本十分昂貴，約占整個電站投資總額的30％～50％，因此設計高效率、低成本的鏡場對于推動建設塔式太陽能熱電站十分必要。而影響鏡場光學效率的因素有很多，其中關于陰影與遮擋效率計算要求變量最多，計算難度也最大。在傳統的平板投影模型中，對于較密鏡場，某些會產生陰影的定日鏡會被忽略，導致陰影與遮擋效率計算或預判斷時誤差會很大。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足,本發明的目的在于提供一種塔式太陽能鏡場陰影與遮擋效率的改進算法，能夠精確地獲取影響塔式太陽能鏡場光學效率中的陰影與遮擋效率。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種塔式太陽能鏡場陰影與遮擋效率的改進算法，包括以下步驟：

(1)建立陰影與遮擋改進算法預判斷模型；

假定問題定日鏡為定日鏡2，會陰影或遮擋問題定日鏡的定日鏡為定日鏡1，利用射線追蹤可求出陰影或遮擋定日鏡1鏡心在定日鏡2表面坐標系中的投影位置(x_1,h2，y_1,h2，z_1,h2)，對于圓形鏡場，定日鏡1與定日鏡2并非完全平行，當定日鏡1向定日鏡2進行投影時所得的圖形本身已經不再是一個矩形，而是一個旋轉的平行四邊形A'B'C'D'，長為H_h，寬為H_w；

將定日鏡1的投影放大為一個矩形A”B”C”D”，且投影的四個頂點均在該矩形的四條邊上，矩形A”B”C”D”的長為φ_y×H_h，寬為φ_x×H_w，其中φ_x，φ_y分別表示長與寬的放大系數，當定日鏡1可能會對定日鏡2產生陰影或遮擋時，需滿足條件：

也可簡化為：其中，ψ_x、ψ_y為x軸與y軸的修正系數，且與φ的關系為：

在鏡場優化設計過程中，ψ與φ的值隨著鏡場形狀、定日鏡位置變化而變化，因此為保證計算精度，必須估算每個定日鏡φ相應的值。φ計算公式為：

結合上述公式即可預判斷定日鏡2與定日鏡1之間的關系，當判斷出兩定日鏡發生陰影或遮擋時，需記錄定日鏡1鏡心在定日鏡2鏡面上的投影坐標(x1,h2，y1,h2，z1,h2)與ψ或φ的數據，以備下一步計算環節使用；

(2)獲取預判斷模型的預測精度；

為獲取預測模型的預測準確率，需計算定日鏡鏡場的陰影預測精度ηpr,sd和遮擋預測精度ηpr,bl，

其中，nn代表鄰近定日鏡總數，sd代表陰影定日鏡；bl代表遮擋定日鏡，下標ac和pr分別代表實際狀態與預測狀態，nsdac(i)、nblac(i)與nsdpr(i)、nblpr(i)分別表示對于第i個定日鏡實際狀態下與預測狀態下會產生陰影或遮擋的定日鏡數量。統計鏡場所有定日鏡，即得整個定日鏡鏡場的陰影或遮擋的預測精度；

(3)采用蒙特卡洛射線追蹤模型獲取陰影與遮擋效率；

在預判斷會產生陰影或遮擋的定日鏡區域，使用蒙特卡洛射線追蹤模型計算陰影與遮擋效率。蒙特卡洛射線追蹤模型圍繞中心接收塔、吸熱器表面、目標定日鏡、臨近定日鏡和太陽光線5個分模型搭建相應坐標系，完善各坐標系相互轉換模型建成，該模型基于統計學原理，對每個定日鏡表面進行均勻離散化，通過對樣本點的光線追蹤，統計定日鏡表面可到達吸熱器接收面的樣本點數量，計算每個定日鏡的光學傳輸效率，單個定日鏡與周圍某相鄰定日鏡間射線追蹤邏輯流程為：

(3-1)離散目標定日鏡表面，獲取所有樣本點在該定日鏡坐標系中位置并向中心塔坐標系轉換；

(3-2)抽取某樣本點，在該點沿太陽入射光線方向建立射線，判斷射線與相鄰定日鏡拋物面模型是否存在交點；

(3-3)若存在交點，將該交點向相鄰定日鏡坐標系轉換，判斷交點是否在定日鏡表面范圍內，若不存在交點，說明該臨近無陰影，進入步驟(3-5)；