专利名称：一种太阳能热发电定日镜场模拟方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形学绘制、气象学和几何光学领域，尤其涉及一种太阳能热发电定日镜场模拟方法。
背景技术：
能源与环境问题是制约世界经济与社会可持续发展的两个突出问题。在中国，己开采的能源例如石油、天然气、煤等的存量都十分有限，人均能源开采量远低于世界平均水平，能源枯竭和环境日益恶化已成为我们必须面对的现实。太阳能具有储量无限、存在普遍、利用清洁、开发经济的优势，有效利用太阳能，不仅能够缓解我国的能源问题、减少的二氧化碳等有害气体的排放量，而且对于保护生态环境、确保经济发展过程中的能源持续稳定供应等都将具有重大而深远的意义。中国在太阳能热发电技术等方面也开始了探索性研究，在南京江宁经济开发区建成国内首座塔式太阳能热发电示范工程，并于2005年10月成功并网发电。国家科技部与中国科学院和北京市科委已共同支持研究大规模太阳能热发电技术的研究。“十一五”期间将在北京建立1丽太阳能塔式 热发电示范电站，并以此建立我国太阳能热发电实验基地，目前中国科学院电工研究所已完成总体布局设计，示范电站已开始在北京延庆开工建造，已于2012年8月实验发电成功。随着发电站的研究与制造，对太阳能发电镜场的模拟与分析的需求也迫在眉睫。早期一些计算模拟软件比如HFLCAL，HELIOS, MIRVAL, DELSOL等，它们由早期数值计算软件演化而来，共同的特征是计算简单，对镜场光学模拟处于初级阶段，精度不高，运行效率较低，用户界面交互性差。近十年来，模拟系统不论在理论上还是实践上都得到了大力发展，2000年Blanco, Alarcon等人开发的Enertracer ；2003年,美国国家新能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)开发的 SolTrace ;2009 年,德国宇航中心(German Aerospace Center)开发的DLR。它们都集成了新的光学理论,适应了新一代计算机的硬件架构，对光学镜场做了特殊处理和优化。近年来计算机硬件迅猛发展，GPU作为新一代并行计算的核心大大加速了传统计算的速度，随着太阳能热发电镜场规模的不断扩大和升级演化，导致海量的模拟数据信息，并要求更高效和精确的计算结果。由于已有的模拟系统没有有效利用新一代GPU加速，对于大型镜场的计算时间很长；而且使用简单的光线跟踪算法思想，没有考虑全局光照的影响，计算的准确度和实施结果相去甚远，造成模拟中存在很大的误差，它们已越来越难以胜任新时代热发电系统的模拟工作。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明提供了一种能够处理大规模数据与实时模拟计算的太阳能定日镜场模拟方法。—种太阳能热发电定日镜场模拟方法，包括以下实施步骤:
I)根据时间和地理信息计算当前地点的太阳光入射方向；2)在日轮上产生随机点，根据所述太阳光入射方向计算该随机点处的实际入射方向；3)根据所述实际入射方向，利用太阳形状模型对每个随机点计算出射辐射能量；4)根据气象学辐射模型计算所述出射辐射能量经过大气进入地面后的实际辐射倉;5)使用蒙特卡洛方法采样定日镜各条反射光线的方向；6)根据所述实际辐射能量、反射光线的方向，利用微平面反射模型计算每条反射光线的光线能量；7)根据每条反射光线的光线能量，根据定日镜至接收器之间的路径长度计算能量衰减，得到最终能量。在所述步骤2)中， 在日轮上使用蒙特卡洛方法产生所述的随机点。蒙特卡洛方法(Monte Carlo method),也称统计模拟方法,是二十世纪四十年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而被提出的一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法，是指使用随机数(或更常见的伪随机数)来解决很多计算问题的方法，例如:Krivanek Jaroslav等人公开了一种在本领域应用蒙特卡洛方法(Kfivanek Jaroslav.Global illumination with Monte Carlo ray tracing[C]//In ACMSIGGRAPH 2008.New York:ACMPress, 2008(61):1-25.)。所述太阳形状模型的函数表达式为:
权利要求
1.一种太阳能热发电定日镜场模拟方法，其特征在于，包括以下实施步骤: 1)根据时间和地理信息计算当前地点的太阳光入射方向； 2)在日轮上产生随机点，根据所述太阳光入射方向计算该随机点处的实际入射方向； 3)根据所述实际入射方向，利用太阳形状模型对每个随机点计算出射辐射能量； 4)根据气象学辐射模型计算所述出射辐射能量经过大气进入地面后的实际辐射能量; 5)使用蒙特卡洛方法采样定日镜各条反射光线的方向； 6)根据所述实际辐射能量、反射光线的方向，利用微平面反射模型计算每条反射光线的光线能量； 7)根据每条反射光线的光线能量，根据定日镜至接收器之间的路径长度计算能量衰减，得到最终能量。
2.如权利要求1所述的太阳能热发电定日镜场模拟方法，其特征在于，在所述步骤2)中，在日轮上使用蒙特卡洛方法产生所述的随机点。
3.如权利要求2所述的太阳能热发电定日镜场模拟方法，其特征在于，在步骤7)之前，进行判断，若满足以下任意条件，则放弃当前反射光线的计算: a)当前反射光线与接收器没有交点； b)当前反射光线受阻； c)与当前反射光线相对应的入射光线受阻。
4.如权利要求3所述的太阳能热发电定日镜场模拟方法，其特征在于，所述太阳形状模型的函数表达式为:
5.如权利要求1所述的太阳能热发电定日镜场模拟方法，其特征在于，所述步骤6)中的微平面反射模型，其镜面反射率为:
6.如权利要求5所述的太阳能热发电定日镜场模拟方法，其特征在于，所述步骤5)中使用蒙特卡洛方法采样时，根据太阳光入射光线方向，使用蒙特卡洛方法发射多条反射光线，其方向分布根据微平面反射模型决定。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能热发电定日镜场模拟方法，包括以下实施步骤1)根据时间和地理信息计算当前地点的太阳光入射方向；2)在日轮上产生随机点，根据所述太阳光入射方向计算该随机点处的实际入射方向；3)根据所述实际入射方向，利用太阳形状模型对每个随机点计算出射辐射能量；4)根据气象学辐射模型计算所述出射辐射能量经过大气进入地面后的实际辐射能量；5)使用蒙特卡洛方法采样定日镜各条反射光线的方向；6)根据所述实际辐射能量、反射光线的方向，利用微平面反射模型计算每条反射光线的光线能量；7)根据每条反射光线的光线能量，根据定日镜至接收器之间的路径长度计算能量衰减，得到最终能量。
文档编号G06F19/00GK103226654SQ20131010938
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者冯结青, 鲍鹏 申请人:浙江大学