塔式太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及塔式太阳能热电系统领域，特别是设及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。
【背景技术】
[0002] 塔式太阳能热发电系统是利用很多面独立跟踪太阳的定日镜，将光线聚焦到一个 固定在塔顶部的接收器上，并W热能的形式加W利用，带动汽轮机、发电机来发电。整个塔 式太阳能系统分为聚光、集热、蓄热、辅助能源和发电5个子系统，能量传递的过程中有太 阳能-热能-机械能-电能的转换。其中聚光集热子系统是太阳能转化为热能的关键系统， 研究接收器上的成像不仅能够直观看出接收器上的热能分布，还对镜场的调度优化和接收 器的安全保护工作有重要的指导作用。
[0003] 有关接收器上成像的研究大都是针对腔式接收器或者平板式接收器，鲜有针对柱 状接收器的研究。
【发明内容】
[0004] 本发明提供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，采用的 技术方案如下： 阳〇化]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包括如下步骤：
[0006] (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；
[0007] (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；
[0008] (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；
[0009] (4)对所有定日镜的成像计算进行汇总，得到镜场成像。
[0010] 所述的步骤似为：
[0011] 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；
[0012] 根据输入时间点获取太阳高度角0,和方位角0S之后计算主入射光线单位向量 S(xs,Ys,Zs):
[0013] y二cos(庆）cos(^、-90;) ,V、二)sin(叹-90') Cl) 2、二sin(f9_)
[0014] 定日镜的位置用其镜面中屯、坐标P(却，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R(Xk,yn,Zk)为：
[0016] 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 N(刮，Yn,Zn)来表示：
m
[0018] 每根光线的能量计算公式为：
(牛）
[0020] 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；n。为光学效率，由如下公式表示： 阳02UHe=nrec?Hcos?nSB?Hatt妨
[0022] 式中，ru。。为镜面反射率，n。。.为余弦效率，nSe为阴影遮挡效率，n为大气透 射效率，
[0023] 余弦效率n。。.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： 阳024] nCOS=S?N=X巧N+ysYN+ZsZN 化）
[0025]阴影遮挡效率nSB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，
[00%] 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：
(7) P 阳0測所述的步骤做为：
[0029] 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)由点向式表示反 射光线直线方程：
1,8)
[0031]接收器圆柱面的空间方程为： (9) 阳03引式中，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，
[0034] 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：
C10)
[0036]接下来根据</ =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(却，yp，Zp) 的距离计算公式：
(11)
[0038]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 式可表示成：
(12 柳4〇] 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，1>马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 .皮二-1 交点的编号，K为处在该网格内的交点总数；
[0041] 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。
[0042] 本发明的有益效果是：本发明提出的塔式太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的 成像方法中，针对鲜有成像研究的柱状接收器，能够得出直观的热能成像分布图，对镜场的 调度优化和接收器的安全保护工作有重要的指导作用。
【附图说明】
[0043] 图1是塔式太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的成像方法；
[0044] 图2是光线入射反射示意图；
[0045] 图3是实施例中的福射型镜场；
[0046]图4是实施例中的柱状接收器的成像等值图；
[0047] 图5是实施例中的柱状接收器的成像S维图。
【具体实施方式】
[0048] 如图1所示，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：
[0049] (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。
[0050] 给定仿真的时间点（年月日时分）、镜场参数、柱状接收器参数和聚焦点的个数 与分布，镜场参数包括定日镜的长宽和中屯、离地高度W及所有定日镜中屯、相对于塔底的坐 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。
[0051] (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。
[0052] 如图2所示，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；
[0053] 根据输入时间点获取太阳高度角0,和方位角0S之后计算主入射光线单位向量 S(xs,Ys,Zs):
[0054] A-、二a.w(/;_)cos(巧-90") V、二COS(护）sin(畔-則r) (I 2、二
[0055]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R(XK，yK，ZK)为：
C2)
[0057] 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 N(刮，Yn,Zn)来表示：
[0059] 每根光线的能量计算公式为： (3) (4)
[0061] 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，一般设为很大，如10E+9 ;ne为光学效率，可由如下公式表 示： 阳062]He=nKC?Hcos?nSB?Hatt妨
[006引式中，ru。。为镜面反射率，一般是常量，n。。历余弦效率，nSB为阴影遮挡效率，n。^为大气透射效率。
[0064] 余弦效率n。。.等于主入射光线单位向量跟镜