一种塔式太阳能热发电系统的辐射能密度模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种塔式太阳能热发电系统的辐射能密度模拟方法，包括以下步骤：(1)建立接收面板和流水线绘制缓存的对应关系；(2)将每一个定日镜及其遮挡定日镜投影到接收面板上；(3)组织流水线中的定日镜及其遮挡定日镜的顺序；并对流水线中的定日镜及其遮挡定日镜进行深度比较算法的深度赋值；(4)剔除反射光斑的遮挡区域，未被剔除的反射光斑区域的像素值在流水线中通过alpha blending算法并行累加到累积缓存；本发明方法对每个定日镜在接收面上的能量光斑进行并行刻画，同时接收面也实现自动离散，在一个绘制周期中利用alpha blending技术完成辐射能的累加，提高了计算效率，且模拟结果更真实可靠。
【专利说明】
一种塔式太阳能热发电系统的辐射能密度模拟方法
技术领域
[0001] 本发明塔式太阳能发电模拟技术领域，特别涉及一种塔式太阳能热发电系统的辐 射能密度模拟方法。
【背景技术】
[0002] 接收器上的辐射能密度分布的实时预测、模拟对于塔式太阳能热发电工程具有非 常重要的意义。主流的模拟方法分为两类:光线跟踪模拟和基于解析方法。
[0003] 光线跟踪模拟首先人为的将接收面板离散，模拟太阳光线在定日镜场和接收器之 间的传播过程，从而定量的刻画接收面板上各个子区域接收到的总能量。根据光线产生方 式的不同，这类方法又分为两类：正向光线跟踪和逆向光线跟踪。正向光线跟踪 (1.ffendelin T.SolTRACE:a new optical modeling tool for concentrating solar optics[C]//ASME 2003International Solar Energy Conference.American Society of Mechanical Engineers，2003:253-260;2·Izigon M，Armstrong P，Nilsson C and Vu N, TieSOL-A GPU-Based Suite of Software for Central Receiver Solar Power Plants, SolarPACES Granada,Spain,2011；3.Belhomme B，Pitz_Paal R,SehwarzbozlP,et al.A new fast ray tracing tool for high-precision simulation of heliostat fields [J] .Journal of Solar Energy Engineering，2009,131(3) :031002)从太阳或镜面产生跟 踪光线，经过镜面反射，光线到达接收面，能量累加到相应的单元。逆向光线跟踪(Chiesi M,Vanzolini L,Scarsel1i E F,et al.Accurate optical model for design and analysis of solar fields based on heterogeneous multicore systems[J] ? Renewable Energy，2013,55:241-251.)从接收面板产生光线，逆向跟踪光线到光源从而 判定光线携带的能量，计算光线的能量贡献。光线跟踪方法为了达到一定的模拟精度需要 跟踪大量的光线，从而带来很高的计算代价，所以一般采用并行计算，最后用原子累加操作 对接收面上同一区域的入射光线的能量进行累加。
[0004] 解析方法对定日镜反射的能量光斑进行整体的解析刻画，从而提高模拟效率。主 流的是HFLCAL模型（SchwarzbdzlP，Pi tz-Paal R，Schmitz M.Visual HFLCAL-A Software Tool for Layout and Optimisation of Heliostat Fields[C]//Proceedings of 15th International SolarPACES Symposium,Berlin,September.2009:15-18.){0^ 这种方法目前多数停留在对单个定日镜反射的光斑进行模拟，从而校正模型参数上，而且 不考虑阴影遮挡的影响。Garcia L，et al. (2015)对最初的HFLCAL模型进行了修正，先在定 日镜反射平面内建立辐射能密度方程，再利用单应性变换把这个分布映射到接收面板上 面，从而获得更接近真实的刻画。Huang W，et al.(2014)提出在CPU上进行串行累加的方式 模拟整个镜场（Huang W，Xu Q.Development 〇f an analytical method and its quick algorithm to calculate the solar energy collected by a heliostat field in a year[J] .Energy Conversion and Management，2014,83:110-118·)，但是只能给出总能量 数值的估计，无法给出辐射能分布。
【发明内容】
[0005] 本发明公开了一种塔式太阳能热发电系统的辐射能密度模拟方法，提高辐射能累 加的速度和准确性。
[0006] -种塔式太阳能热发电系统的辐射能密度模拟方法，包括以下步骤：
[0007] (1)建立接收面板和流水线绘制缓存的对应关系；
[0008] (2)将每一个定日镜沿其反射光线的方向将反射光斑投影到接收面板上，当定日 镜存在遮挡定日镜，这些遮挡定日镜也要沿着当前定日镜的反射光线方向投影到接收面板 上；
[0009] 在流水线中，遮挡定日镜的投影轮廓用与投影等大的平行四边形表示，当前定日 镜的反射光斑用与绘制窗口等大的矩形表示；
[0010]四边形的投影轮廓和反射光斑都分别由两个三角形组成，经过光栅化阶段之后所 述三角形被离散成像素点，将投影轮廓和反射光斑转换成像素数据流，之后离散的像素数 据在流水线的像素着色阶段被赋值；
[0011] (3)组织流水线中的定日镜及其遮挡定日镜的顺序，其中，定日镜按序号排序且遮 挡定日镜排在被它遮挡的定日镜之前；
[0012] 并对流水线中的定日镜及其遮挡定日镜进行深度比较算法的深度赋值，其中，遮 挡定日镜的深度值小于被它遮挡的定日镜；
[0013] (4)反射光斑和对应遮挡定日镜的投影轮廓逐像素数据流依次通过深度比较测 试，剔除反射光斑的遮挡区域，未被剔除的反射光斑区域的像素值代表对接收面的能量贡 献，在流水线中通过alpha blending算法并行累加到累积缓存，完成接收面板上的福射能 密度模拟。
[0014] alpha blending算法公式如下：
[0015] So = a*Si+b*S2,其中0<=a< = l ;b = l_a Si、S2表示要混合的两幅图像的像素点 颜色，So是最终的结果，现在的流水线支持a = b= 1，令a = b= 1，就能达到累加的目的。
[0016] 为了进一步简化计算，提高效率，优选的，步骤(3)中，通过下述公式对流水线中的 定日镜及其遮挡定日镜进行深度赋值：
[0018] 其中，N是定日镜场上定日镜数量，ID是定日镜的序号，0彡ID彡N-1，A彡2，0〈B彡A， 0<C^B〇
[0019] 进一步优选的，A = 2，B = 1，C=1。
[0020] 优选的，步骤（1)中，对应关系采用二维空间的仿射变换。这种对应可以由二维空 间的仿射变换表达。假定接收面板是W X Hm2，那么绘制缓存的分别率可以表示为pW*pH，p的 单位是(像素/米）。理论上，P越大，仿真模拟的精度越高，时间开销越大。接收器上每个接收 面板分别单独处理。
[0021] 优选的，步骤(2)中，将每一个定日镜沿其反射光线的方向将反射光斑投影到接收 面板上的具体过程如下：
[0022] 根据定日镜投影的角点在接收面板上的二维坐标，推导出定日镜平面坐标到接收 面板平面坐标的单应性变换矩阵，进而建立起接收平面跟定日镜平面上点的一一对应关 系。利用Garcia L，et al. (2015)的方法就可以获得接收面板上的辐射能分布，也就是相应 的流水线绘制缓存中对应这个定日镜的辐射能分布值。
[0023] 本发明可以采用HFLCAL模型对反射的辐射能光斑进行解析刻画，绘制流水线是指 计算机将三维场景转化为二维真实感图片的一系列操作，为了达到这一目的，产生了许多 算法，他们被集成到特殊的硬件上（图形显卡）。这些算法包括:光栅化、隐藏面消除算法、和 基于硬件的累加。这一系列算法的执行流程是:首先代表场景的多边形经过坐标变换转化 到屏幕坐标系并经过光栅化过程被离散成像素表示，隐藏面消除算法决定哪些物体表面或 部分相对试点可见，最后，那些可见的像素点的颜色值并行的累加到结果缓存上。
[0024] 例如在著名的图形绘制API--DirectX中，隐藏面消除和累加是通过z-buffer (深度比较算法)和alpha blending算法硬件实现的。这两个算法可以在一个绘制流程中实 现并且顺序是严格保证的。一个绘制流程中实现是指启动流水线一次就可以对所有能量光 斑进行累加。执行顺序严格保证是指只有那些通过深度比较(离视点更近的）的像素才会被 累加到结果缓存上。本发明充分挖掘这一特性，实现在一个绘制流程中完成定日镜场上所 有定日镜对接收器能量贡献的累加同时剔除阴影遮挡损失。
[0025]本发明的有益效果：
[0026] (1)本发明利用绘制流水线的光栅化对每个定日镜在接收面上的能量光斑进行并 行刻画，同时接收面也实现自动离散，实现快速累加。
[0027] (2)本发明提出的在一个绘制周期中利用alpha blending技术完成福射能的累 加，相比传统图形学中为取得透明效果使用多个绘制周期进行绘制，节省了 CPU和GPU之间 的10开销，大大提尚了计算效率。
[0028] (3)本发明利用了深度比较和alpha blending操作的执行顺序，巧妙组织数据流， 使得在累加的同时剔除由于遮挡损失的部分能量，模拟结果更真实可靠。
【附图说明】
[0029]图1为本发明方法的流程线框图。
[0030] 图2为本发明在全部左手系下的定日镜场的全局坐标示意图。
[0031] 图3为本发明在全部左手系下的定日镜局部坐标系示意图。
[0032] 图4为本发明在全部左手系下的接收面板局部坐标系示意图。
[0033] 图5为本发明方法将接收面板映射到流水线中的绘制帧缓存窗口的过程示意图。
[0034] 图6为本发明方法将当前定日镜轮廓和其遮挡镜面沿着反射光线的方向投影到接 收平面上的过程示意图。
[0035] 图7为本发明方法采用经典的能量模型的流水线光栅化程序对光斑进行建模的示 意图。
[0036] 图8为本发明方法组织流水线中的数据流顺序的示意图。
[0037]图9为本发明方法在深度比较和alpha blending执行机制下随着流水线中的数据 输出相应的深度图和绘制帧缓存(记录辐射能密度累积值)的变化过程示意图。
[0038] 图10为本发明将会产生阴影的定日镜转化为能够产生同等遮挡作用的虚拟定日 镜的示意图。
【具体实施方式】
[0039] 如图1所示，本实施例的塔式太阳能热发电系统的辐射能密度模拟方法，包括以下 步骤：
[0040] 本实施例采用全部左手系，图2为定日镜场的全局坐标，坐标轴原点位于接收塔塔 基的中心，XYZ轴分别指向地理的东、上、北方向；图3为定日镜局部坐标系，原点在反射平面 中心；图4为接收面板局部坐标系，P1~P4表示接收面板的编号，他们对应的接收面板坐标 系分别是Oi-SiTi，i为接收面板的编号对应的数值。
[0041] (1)绘制缓存映射:为了将流水线算法应用到本发明要解决的辐射能累加问题，首 先第一步需要建立接收面板和流水线绘制缓存的对应关系，如图5所示。这种对应可以由二 维空间的仿射变换表达。假定接收面板是WXHm 2,那么绘制缓存的分别率可以表示为pW* pH，p的单位是(像素/米）。理论上，p越大，仿真模拟的精度越高，时间开销越大。接收器上每 个接收面板分别单独处理。
[0042] (2)通过纹理映射刻画辐射能分布：
[0043]将每一个定日镜沿着其反射光线的方向投影到接收面板上面，如图6所示。根据定 日镜投影的角点在接收面板上的二维坐标，可以推导出定日镜平面坐标到接收面板平面坐 标的单应性变换矩阵，这样就建立起接收平面跟反射镜面上点的一一对应关系。利用 Garcia L，et al. (2015)的方法就可以获得接收面板上的福射能分布，也就是相应的流水 线绘制缓存中对应这个定日镜的辐射能分布值，如图7所示。
[0044] 如果定日镜存在遮挡定日镜，这些定日镜也要沿着当前定日镜的反射光线方向投 影到接收面板上。相应的投影区的能量值赋值为0。在流水线中，遮挡定日镜的投影轮廓用 与投影等大的平行四边形表示，当前定日镜镜面的反射光斑用与绘制窗口等大的矩形表 示。这些四边形分别由两个三角形组成，经过光栅化阶段之后所述三角形被离散成像素点， 将投影轮廓和反射光斑转换成像素数据流，之后离散的像素数据在流水线的像素着色阶段 被赋值。
[0045] 阴影转化为遮挡处理，如图10所示，将阴影定日镜(D)在考察定日镜(B)所在平面 上的阴影轮廓(D'）沿着考察定日镜中心的反射光线方向平移相同的距离，得到D"，则D"对B 造成的遮挡效果等同于D对B产生的阴影效果，这样子阴影和遮挡可以统一全部转化为遮挡 处理。
[0046] (3)流水线中的数据流组织：
[0047]为了实现在一个绘制周期中累加所有的能量纹理同时剔除遮挡影响，需要利用深 度比较的功能并且严格组织数据流的顺序。遮挡镜面和当前镜面所代表三角面片的深度根 据以下规则赋值：
[0049] 其中N是定日镜场上定日镜数量，ID是定日镜的序号(0彡ID彡N-l)。在z-buffer算 法中，深度值越小，离视点越近，因此，遮挡定日镜永远处在被它遮挡的定日镜前面。此外， 流水线中各个定日镜数据和其遮挡物数据的顺序组织成如图8所示。
[0050] (4)遮挡剔除和辐射能纹理累加：
[0051 ] 遮挡剔除和福射能累加分别通过流水线中最后一阶段中的z-buffer和alpha blending 实现。
[0052]首先，辅助z-buffer的深度图被赋值为最大深度值。代表能量光斑和遮挡物的逐 像素数据流依次通过深度比较和alpha lending操作。一个像素的信息只有通过深度比较 才能最终累加到绘制缓存上的相应位置。否则，它将被扔掉。通过这种方式，那些处在遮挡 区域的能量光斑像素在累加之前自动剔除。又因为遮挡物赋予的能量值为〇,所以即便他们 被累加到绘制缓存上对结果也没影响。绘制缓存和深度纹理随着数据流的输入发生的变化 如图9所示，绘制缓存保存最后的能量密度累加结果，深度纹理时刻记录离视点最近的深度 值，颜色越深代表深度值越小，离视点越近。
【主权项】
1. 一种塔式太阳能热发电系统的福射能密度模拟方法，其特征在于，包括W下步骤： (1) 建立接收面板和流水线绘制缓存的对应关系； (2) 将每一个定日镜沿其反射光线的方向将反射光斑投影到接收面板上，当定日镜存 在遮挡定日镜，运些遮挡定日镜也要沿着当前定日镜的反射光线方向投影到接收面板上； 在流水线中，遮挡定日镜的投影轮廓用与投影等大的平行四边形表示，当前定日镜的 反射光斑用与绘制窗口等大的矩形表示； 四边形的投影轮廓和反射光斑都分别由两个Ξ角形组成，经过光栅化阶段之后所述Ξ 角形被离散成像素点，将投影轮廓和反射光斑转换成像素数据流，之后离散的像素数据在 流水线的像素着色阶段被赋值； (3) 组织流水线中的定日镜及其遮挡定日镜的顺序，其中，定日镜按序号排序且遮挡定 日镜排在被它遮挡的定日镜之前； 并对流水线中的定日镜及其遮挡定日镜进行深度比较算法的深度赋值，其中，遮挡定 日镜的深度值小于被它遮挡的定日镜； (4) 反射光斑和对应遮挡定日镜的投影轮廓逐像素数据流依次通过深度比较测试，剔 除反射光斑的遮挡区域，未被剔除的反射光斑区域的像素值代表对接收面的能量贡献，在 流水线中通过al地a blending算法并行累加到累积缓存，完成接收面板上的福射能密度模 拟。2. 如权利要求1所述的塔式太阳能热发电系统的福射能密度模拟方法，其特征在于，步 骤(3)中，通过下述公式对流水线中的定日镜及其遮挡定日镜进行深度赋值：其中，N是定日镜场上定日镜数量，ID是定日镜的序号，0《ID《N-1，A>2，0<B《A，0<C 《B。3. 如权利要求1所述的塔式太阳能热发电系统的福射能密度模拟方法，其特征在于，A = 2，B = 1，C=1。4. 如权利要求1所述的塔式太阳能热发电系统的福射能密度模拟方法，其特征在于，步 骤(1)中，对应关系采用二维空间的仿射变换。5. 如权利要求1所述的塔式太阳能热发电系统的福射能密度模拟方法，其特征在于，步 骤(2)中，将每一个定日镜沿其反射光线的方向将反射光斑投影到接收面板上的具体过程 如下： 根据定日镜投影的角点在接收面板上的二维坐标，推导出定日镜平面坐标到接收面板 平面坐标的单应性变换矩阵，进而建立起接收平面跟定日镜平面上点的一一对应关系。
【文档编号】G06F17/50GK106096085SQ201610373149
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】赵豫红, 冯结青, 何才透
【申请人】浙江大学