面单位法向量夹角的余弦值： 阳0化]n COS= S ? N = X巧N+ysyN+zsZN (6)
[0066] 阴影遮挡效率rise是指镜面光线入射和反射过程中未被其他镜面遮挡的光线占 整面镜子总光线的比例。其判定准则是根据定日镜在入射光线下在地面的投影是否有重 叠。如果有重叠则计算出重叠面积与总面积的比例，W此作为阴影遮挡效率nse。
[0067] 大气透射效率是指光线被定日镜反射至接收器的过程中，经传播后的反射光线强 度与反射初的光线强度的比值，在晴朗的天气中，大气透射效率rUtt表示成定日镜中屯、到 聚焦点距离cIhk的函数：
(7)
[0069] (3)采用蒙特卡洛光线追迹法完成每面定日镜的成像计算。
[0070] 根据单位反射向量R(XK，yK，ZK)与定日镜上的出发点P(xp，yp，zp)可W由点向式表 示反射光线直线方程：
(8)
[0072] 接收器圆柱面的空间方程为：
m 阳074] 式中，rec_d表示接收器的外直径，rec_h表示接收器的高度，z。。。,^表示接收器中 屯、离地面高度。
[0075] 根据化)-(7)式解方程得出反射光线与接收器圆柱面的交点，然后根据交点情况 判断有效交点。将化)-(7)式有X，y的部分合并为ax2+bx+c= 0的形式： (IO)
[0077]接下来根据</ = 护^来判别根的情况，若d<0则说明反射光线与接收器没有 交点，舍弃；若d= 0说明反射光线与接收器只有一个交点，即擦边，没有热量到达接收器， 舍弃；若d> 0则说明反射光线与接收器有两个交点，判断交点的Z坐标是否在接收器上， 若在，取离镜面较近的交点为有效交点。交点C(X。，y。，Z。）与镜面反射点P(Xp,yp,Zp)的距离 计算公式：
(11)
[0079] 接着将所有反射在接收器上的点按照能量分布成像化，首先将接收器表面网格 化，W正东方向为原点，逆时针将接收器柱面展开为一个长方形（方便图像展示）。然后按 照接收器两组边长进行等长划分，对于有效交点，根据步骤（2)计算出它的能量值，并根据 它的坐标判断它在哪个网格内，其所对应的光线的能量就计算在该网格中屯、点处，网格中 屯、点的所有能量加和之后，除W网格的面积，就是网格中屯、点处的能流密度大小，运一过程 用公式可表示成：
(12) 阳0川式中，fi,为第i行、第j列网格中屯、点处的能流密度，Sr为接收器表面面积，m为 网格数，！啤.表示处在该网格内的所有交点对应的光线能量总和，k为处在该网格内的各 皮=1 交点的编号，K为处在该网格内的交点总数；
[0082] 至此可获得接收器上的能流密度分布，从而完成某面被计算定日镜相关的成像计 算。
[0083] (4)对所有定日镜的成像计算进行汇总，得到镜场成像。
[0084] 对所有定日镜的成像计算进行汇总，得到接收器成像图。
[00化]本发明实例应用于一个包含1909面定日镜的福射型镜场（坐标已知），如图3所 示；仿真地点经缔度为（34,-116)，时间为2011年10月1日9时15分；聚焦点的个数为2， 坐标为（0, 0, 77. 24)，（0, 0, 75. 17);接收器中屯、离地面高度为76. 4m，接收器直径为5.Im, 高度为6. 2m;定日镜长7. 5m，宽5m，离地面高度6m;每面定日镜上随机撒点1000个，每个随 机点反射的光锥中追迹100根光线，得到吸热器各网格中屯、点处的能流密度后，画出的能 流密度等高线图如图4所示，能流密度由内而外逐渐减小；=维成像图如图5所示；成像仿 真使用的计算机操作系统为Windows?，仿真软件为MTLAB。
【主权项】
1. 一种塔式太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的成像方法，其特征在于包括如下步 骤： (1) 给定仿真的时间点、镜场参数、柱状接收器参数和聚焦点的个数与分布，所述时间 点包括年月日时分，镜场参数包括定日镜的长宽、中屯、离地高度W及所有定日镜中屯、坐标， 定日镜中屯、坐标是指定日镜几何中屯、点相对于接收塔底部的坐标，柱状接收器参数包括接 收器的直径、高度W及几何中屯、点离地高度； (2) 根据仿真的时间点，求得太阳的高度角和方位角，进而计算主入射光线单位向量， 再结合每面定日镜的中屯、坐标和聚焦点的个数与分布，计算出每面定日镜的主反射光线单 位向量、单位法向量、余弦效率W及大气透射效率，从而计算出每根光线的能量值； (3) 根据聚焦点的分布W及柱状接收器参数，采用蒙特卡洛光线追迹法完成每面定日 镜的成像计算； (4) 对所有定日镜的成像计算进行汇总，得到镜场成像。2. 如权利要求1所述的一种塔式太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的成像方法，其 特征在于所述的步骤（2)为： 建立大地坐标系，其原点位于接收塔底部中屯、，X轴、y轴和Z轴的正方向分别指向正 东、正北和天顶； 根据输入时间点获取太阳高度角Θ,和方位角ΘS之后计算主入射光线单位向量 S (xs, Ys, Zs):(1) 定日镜的位置用其镜面中屯、坐标P(Xp，yp，Zp)表示，Q(Xf，yf，Zf)为接收器聚焦点坐标， 则主反射光线单位向量3(而，y^，ζκ)为：(2) 除了定日镜的位置外，还需要对它的朝向进行描述，使用定日镜的单位法向量Ν(刮，yN，Ζν)来表示：(3) 每根光线的能量计算公式为：(4) 其中，DNI是指单位面积太阳福照度，单位为W/m2;Sh为每面定日镜的面积，单位为m2; 順为每面镜子上的光线数；η。为光学效率，由如下公式表示： rie= ηrec·Hcos· nsB ·Hatt? 式中，Hf。。为镜面反射率，n。。5为余弦效率，nse为阴影遮挡效率，n为大气透射效 率， 余弦效率η。。.等于主入射光线单位向量跟镜面单位法向量夹角的余弦值： ηcDs=S·Ν=X巧N+ysyN+zsZN化） 阴影遮挡效率ηse是指镜面光线入射和反射过程中未被其他镜面遮挡的光线占整面 镜子总光线的比例，其判定准则是根据定日镜在入射光线下在地面的投影是否有重叠，如 果有重叠则计算出重叠面积与总面积的比例，W此作为阴影遮挡效率ηse， 大气透射效率是指光线被定日镜反射至接收器的过程中，经传播后的反射光线强度与 反射初的光线强度的比值，在晴朗的天气中，大气透射效率rUtt表示成定日镜中屯、到聚焦 点距离cU的函数：灼:）3.如权利要求1所述的一种太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的成像方法，其特征 在于所述的步骤（3)为： 根据单位反射向量?Κχκ,Υκ,Ζκ)与定日镜上的出发点P(Xp，yp，Zp)由点向式表示反射光 线直线方程：式中，rec_d表示接收器的外直径，rec_h表示接收器的高度，ZtpMM表示接收器中屯、离 地面高度， 根据化)-(7)式解方程得出反射光线与接收器圆柱面的交点，然后根据交点情况判断 有效交点，将化)-(7)式有X，y的部分合并为ax2+bx+c= 0的形式：(10) 接下来根据J=V矿^来判别根的情况，若d<0则说明反射光线与接收器没有交 点，舍弃；若d=0说明反射光线与接收器圆柱面只有一个交点，即擦边，没有热量到达接收 器，舍弃；若d>0则说明反射光线与接收器有两个交点，判断交点的Z坐标是否在接收器 上，若在，取离镜面较近的交点为有效交点，交点C(x。，y。，Z。）与镜面反射点P(Xp,yp,Zp)的 距离计算公式：(11) 接着将所有反射在接收器上的点按照能量分布成像化，首先将接收器表面网格化，W正东方向为原点，逆时针将接收器柱面展开为一个长方形W便图像展示，然后按照接收器 两组边长进行等长划分，对于有效交点，根据步骤（2)计算出它的能量值，并根据它的坐标 判断它在哪个网格内，其所对应的光线的能量就计算在该网格中屯、点处，网格中屯、点的所 有能量加和之后，除W网格的面积，就是网格中屯、点处的能流密度大小，运一过程用公式可 表不成：(12) 式中，fi,为第i行、第j列网格中屯、点处的能流密度，Sr为接收器表面面积，m为网格 数：表示处在该网格内的所有交点对应的光线能量总和，k为处在该网格内的各交点 的编号，K为处在该网格内的交点总数； 至此可获得接收器上的能流密度分布，从而完成某面被计算定日镜相关的成像计算， 对其余定日镜的成像进行计算。
【专利摘要】本发明公开了一种塔式太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的成像方法，实施步骤如下：(1)确定时间、镜场参数、柱状接收器参数、聚焦点的个数与分布；(2)计算太阳位置、主入射光线单位向量、各定日镜的主反射光线单位向量、单位法向量与余弦效率、大气透射效率；(3)采用蒙特卡洛光线追迹法完成每面定日镜的成像计算；(4)对所有定日镜的成像计算进行汇总，得到镜场成像。本发明中对于接收器上能量分析和镜场调度，有一定的指导意义。
【IPC分类】F24J2/10, G06F19/00
【公开号】CN105402901
【申请号】CN201510791737
【发明人】赵豫红, 刘紫军
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月17日