[發明專利]一種基于蒙特卡洛光線跟蹤的太陽輻射能密度仿真方法

有效

• 申請號: 201910255368.5
• 申請日: 2019-04-01
• 公開（公告）號: CN109992882B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 趙豫紅;馮結青;段曉悅;何才透
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06Q50/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 沈金龍

本發明公開了一種基于蒙特卡洛光線跟蹤的太陽輻射能密度仿真方法，通過預生成兩張定義在局部坐標系中的隨機數查找表用于分別存儲刻畫入射光分布方向和定日鏡微表面法向擾動方向，再構建選擇起始位置的輔助用的一維隨機數表，通過從輔助用的一維隨機數表中讀取索引，入射光分布方向和定日鏡微表面法向擾動方向分別從兩張預生成的隨機數查找表中獲取，再通過仿射變換轉化為全局坐標系中的方向，用于后續的仿真計算。在保證太陽輻射能密度仿真結果精度的同時，較大程度上減少隨機數的生成和存儲開銷。

技術領域

本發明涉及太陽能熱發電模擬技術領域，特別是涉及一種基于蒙特卡洛光線跟蹤的太陽輻射能密度仿真方法。

背景技術

太陽能光熱發電技術是目前最常見的太陽能應用方式之一。聚光子系統、集熱子系統、發電子系統、蓄熱子系統和輔助能源子系統構成現代太陽能光熱發電系統。聚光子系統包括定日鏡鏡場和安裝的跟蹤控制裝置；集熱子系統則是由接收器和內部的能量交換系統組成。每個定日鏡根據太陽光的入射方向調整旋轉角度，將太陽光反射至接收器上。光線匯聚技術使得大量太陽光匯聚到接收器表面，進而加熱接收器內部的能力交換交換介質。能量交換介質進一步將能量傳遞給水，當水到達一定的溫度后轉化為高溫蒸汽。高溫蒸汽輸入發電子系統的渦輪機并驅動渦輪機轉動，將機械能轉換成電能。蓄熱子系統是為了應對太陽能隨外界條件變化導致的發電不均勻問題，通過存儲多余的熱能，平衡發電過程。輔助能源子系統則是提供夜間或陰雨天的供電。通過將蓄熱子系統和發電子系統分離的方式，使得太陽能光熱發電系統即使在光線條件不佳的夜晚和陰天也能持續工作。因此太陽能光熱發電將替代常規能源進行大功率發電已成為發展方向。尤其是在我國經濟持續增長的推動下，電力能源的需求急速增加，對太陽能熱發電的研究和推廣也成為我國探尋可再生能源的必經之路。

研究表明，定日鏡鏡場建設成本占整個塔式太陽能熱電系統中建設成本的40％-50％。因此，輻射能密度分布仿真是定日鏡鏡場布局設計、聚焦策略和解析模型參數優化的基礎和關鍵。而為了設計優化的定日鏡鏡場布局，工程人員需要考慮眾多因素，其中包括：

1.接收器的參數，比如接收器的類型、尺寸等；

2.定日鏡的參數，比如定日鏡的形狀、數目、旋轉方法和布局情況等；

3.真實環境中太陽光光照模型，包括能量衰減和太陽光能量分布等。

基于需要考慮的因素眾多，工程人員通常使用Monte Carlo光線跟蹤方法(MonteCarlo Ray Tracing，簡稱MCRT)模擬接收器表面輻射能密度分布，并輔助定日鏡鏡場布局設計。MCRT根據物理光學定律，仿照光線在場景中走過的路徑，計算出圖像中每個像素的值。為了模擬出較為真實的輻射能密度分布，MCRT需要對大量光線在復雜定日鏡鏡場中路徑的模擬計算，因而計算效率低。部分算法使用多線程的方法對光線跟蹤計算進行加速。但即使如此，計算單面定日鏡投影的時間也需要十多秒。計算時間長成為了MCRT在大型鏡場的仿真應用中的最大阻礙之一。

針對計算效率低的問題，部分算法使用圖形處理器(Graphics Processing Unit，簡稱GPU)進行加速。GPU并行計算的引入加速了MCRT的計算效率，但同時又產生了GPU中隨機數存儲困難的問題。與中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)動態生成隨機數的機制不同，GPU隨機數是一次性生成大量數據。因此MCRT計算時，顯存中需要存儲大量的隨機數，進而成為限制并行計算能力的瓶頸。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的問題，提供了一種降低隨機數采樣數目、提高空間和計算效率的基于蒙特卡洛光線跟蹤的太陽輻射能密度仿真方法。

一種基于蒙特卡洛光線跟蹤的太陽輻射能密度仿真方法，包括以下步驟：