塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)鏡場(chǎng)在柱狀接收器上的成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)鏡場(chǎng) 在柱狀接收器上的成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用很多面獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡，將光線聚焦到一個(gè) 固定在塔頂部的接收器上，并W熱能的形式加W利用，帶動(dòng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。整個(gè)塔 式太陽(yáng)能系統(tǒng)分為聚光、集熱、蓄熱、輔助能源和發(fā)電5個(gè)子系統(tǒng)，能量傳遞的過程中有太 陽(yáng)能-熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。其中聚光集熱子系統(tǒng)是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵系統(tǒng)， 研究接收器上的成像不僅能夠直觀看出接收器上的熱能分布，還對(duì)鏡場(chǎng)的調(diào)度優(yōu)化和接收 器的安全保護(hù)工作有重要的指導(dǎo)作用。
[0003] 有關(guān)接收器上成像的研究大都是針對(duì)腔式接收器或者平板式接收器，鮮有針對(duì)柱 狀接收器的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)鏡場(chǎng)在柱狀接收器上的成像方法，采用的 技術(shù)方案如下： 陽(yáng)〇化]一種塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)鏡場(chǎng)在柱狀接收器上的成像方法包括如下步驟：
[0006] (1)給定仿真的時(shí)間點(diǎn)、鏡場(chǎng)參數(shù)、柱狀接收器參數(shù)和聚焦點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分布，所述 時(shí)間點(diǎn)包括年月日時(shí)分，鏡場(chǎng)參數(shù)包括定日鏡的長(zhǎng)寬、中屯、離地高度W及所有定日鏡中屯、 坐標(biāo)，定日鏡中屯、坐標(biāo)是指定日鏡幾何中屯、點(diǎn)相對(duì)于接收塔底部的坐標(biāo)，柱狀接收器參數(shù) 包括接收器的直徑、高度W及幾何中屯、點(diǎn)離地高度；
[0007] (2)根據(jù)仿真的時(shí)間點(diǎn)，求得太陽(yáng)的高度角和方位角，進(jìn)而計(jì)算主入射光線單位向 量，再結(jié)合每面定日鏡的中屯、坐標(biāo)和聚焦點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分布，計(jì)算出每面定日鏡的主反射光 線單位向量、單位法向量、余弦效率W及大氣透射效率，從而計(jì)算出每根光線的能量值；
[0008] (3)根據(jù)聚焦點(diǎn)的分布W及柱狀接收器參數(shù)，采用蒙特卡洛光線追跡法完成每面 定日鏡的成像計(jì)算；
[0009] (4)對(duì)所有定日鏡的成像計(jì)算進(jìn)行匯總，得到鏡場(chǎng)成像。
[0010] 所述的步驟似為：
[0011] 建立大地坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于接收塔底部中屯、，X軸、y軸和Z軸的正方向分別指向 正東、正北和天頂；
[0012] 根據(jù)輸入時(shí)間點(diǎn)獲取太陽(yáng)高度角0,和方位角0S之后計(jì)算主入射光線單位向量 S(xs,Ys,Zs):
[0013] y二cos(慶）cos(^、-90;) ,V、二)sin(嘆-90') Cl) 2、二sin(f9_)
[0014] 定日鏡的位置用其鏡面中屯、坐標(biāo)P(卻，yp，zp)表示，Q(Xf，yf，Zf)為接收器聚焦點(diǎn)坐 標(biāo)，則主反射光線單位向量R(Xk,yn,Zk)為：
[0016] 除了定日鏡的位置外，還需要對(duì)它的朝向進(jìn)行描述，使用定日鏡的單位法向量 N(刮，Yn,Zn)來(lái)表示：
m
[0018] 每根光線的能量計(jì)算公式為：
(牛）
[0020] 其中，DNI是指單位面積太陽(yáng)福照度，單位為W/m2;Sh為每面定日鏡的面積，單位為m2;順為每面鏡子上的光線數(shù)；n。為光學(xué)效率，由如下公式表示： 陽(yáng)02UHe=nrec?Hcos?nSB?Hatt妨
[0022] 式中，ru。。為鏡面反射率，n。。.為余弦效率，nSe為陰影遮擋效率，n為大氣透 射效率，
[0023] 余弦效率n。。.等于主入射光線單位向量跟鏡面單位法向量夾角的余弦值： 陽(yáng)024] nCOS=S?N=X巧N+ysYN+ZsZN 化）
[0025]陰影遮擋效率nSB是指鏡面光線入射和反射過程中未被其他鏡面遮擋的光線占 整面鏡子總光線的比例，其判定準(zhǔn)則是根據(jù)定日鏡在入射光線下在地面的投影是否有重 疊，如果有重疊則計(jì)算出重疊面積與總面積的比例，W此作為陰影遮擋效率nse，
[00%] 大氣透射效率是指光線被定日鏡反射至接收器的過程中，經(jīng)傳播后的反射光線強(qiáng) 度與反射初的光線強(qiáng)度的比值，在晴朗的天氣中，大氣透射效率rutt表示成定日鏡中屯、到 聚焦點(diǎn)距離CU的函數(shù)：
(7) P 陽(yáng)0測(cè)所述的步驟做為：
[0029] 根據(jù)單位反射向量R(XK，yK，ZK)與定日鏡上的出發(fā)點(diǎn)P(xp，yp，zp)由點(diǎn)向式表示反 射光線直線方程：
1,8)
[0031]接收器圓柱面的空間方程為： (9) 陽(yáng)03引式中，rec_d表示接收器的外直徑，rec_h表示接收器的高度，Z。。。,。,表示接收器中 屯、離地面高度，
[0034] 根據(jù)化)-(7)式解方程得出反射光線與接收器圓柱面的交點(diǎn)，然后根據(jù)交點(diǎn)情況 判斷有效交點(diǎn)，將化)-(7)式有X，y的部分合并為ax2+bx+c= 0的形式：
C10)
[0036]接下來(lái)根據(jù)</ =V礦^來(lái)判別根的情況，若d< 0則說明反射光線與接收器沒 有交點(diǎn)，舍棄；若d= 0說明反射光線與接收器圓柱面只有一個(gè)交點(diǎn)，即擦邊，沒有熱量到達(dá) 接收器，舍棄；若d> 0則說明反射光線與接收器有兩個(gè)交點(diǎn)，判斷交點(diǎn)的Z坐標(biāo)是否在接 收器上，若在，取離鏡面較近的交點(diǎn)為有效交點(diǎn)，交點(diǎn)C(X。，y。，Z。）與鏡面反射點(diǎn)P(卻，yp，Zp) 的距離計(jì)算公式：
(11)
[0038]接著將所有反射在接收器上的點(diǎn)按照能量分布成像化，首先將接收器表面網(wǎng)格 化，W正東方向?yàn)樵c(diǎn)，逆時(shí)針將接收器柱面展開為一個(gè)長(zhǎng)方形W便圖像展示，然后按照接 收器兩組邊長(zhǎng)進(jìn)行等長(zhǎng)劃分，對(duì)于有效交點(diǎn)，根據(jù)步驟（2)計(jì)算出它的能量值，并根據(jù)它的 坐標(biāo)判斷它在哪個(gè)網(wǎng)格內(nèi)，其所對(duì)應(yīng)的光線的能量就計(jì)算在該網(wǎng)格中屯、點(diǎn)處，網(wǎng)格中屯、點(diǎn) 的所有能量加和之后，除W網(wǎng)格的面積，就是網(wǎng)格中屯、點(diǎn)處的能流密度大小，運(yùn)一過程用公 式可表示成：
(12 柳4〇] 式中，fi,為第i行、第j列網(wǎng)格中屯、點(diǎn)處的能流密度，Sr為接收器表面面積，m為 網(wǎng)格數(shù)，1>馬表示處在該網(wǎng)格內(nèi)的所有交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光線能量總和，k為處在該網(wǎng)格內(nèi)的各 .皮二-1 交點(diǎn)的編號(hào)，K為處在該網(wǎng)格內(nèi)的交點(diǎn)總數(shù)；
[0041] 至此可獲得接收器上的能流密度分布，從而完成某面被計(jì)算定日鏡相關(guān)的成像計(jì) 算，對(duì)其余定日鏡的成像進(jìn)行計(jì)算。
[0042] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)鏡場(chǎng)在柱狀接收器上的 成像方法中，針對(duì)鮮有成像研究的柱狀接收器，能夠得出直觀的熱能成像分布圖，對(duì)鏡場(chǎng)的 調(diào)度優(yōu)化和接收器的安全保護(hù)工作有重要的指導(dǎo)作用。
【附圖說明】
[0043] 圖1是塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)鏡場(chǎng)在柱狀接收器上的成像方法；
[0044] 圖2是光線入射反射示意圖；
[0045] 圖3是實(shí)施例中的福射型鏡場(chǎng)；
[0046]圖4是實(shí)施例中的柱狀接收器的成像等值圖；
[0047] 圖5是實(shí)施例中的柱狀接收器的成像S維圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 如圖1所示，一種塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)鏡場(chǎng)在柱狀接收器上的成像方法，實(shí)施步 驟如下：
[0049] (1)確定時(shí)間、鏡場(chǎng)參數(shù)、柱狀接收器參數(shù)、聚焦點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分布。
[0050] 給定仿真的時(shí)間點(diǎn)（年月日時(shí)分）、鏡場(chǎng)參數(shù)、柱狀接收器參數(shù)和聚焦點(diǎn)的個(gè)數(shù) 與分布，鏡場(chǎng)參數(shù)包括定日鏡的長(zhǎng)寬和中屯、離地高度W及所有定日鏡中屯、相對(duì)于塔底的坐 標(biāo)，柱狀接收器參數(shù)包括接收器的直徑、高度W及幾何中屯、點(diǎn)離地高度。
[0051] (2)根據(jù)仿真的時(shí)間點(diǎn)，求得太陽(yáng)的高度角和方位角，進(jìn)而計(jì)算主入射光線單位向 量，再結(jié)合每面定日鏡的中屯、坐標(biāo)和聚焦點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分布，計(jì)算出每面定日鏡的主反射光 線單位向量、單位法向量、余弦效率W及大氣透射效率，從而計(jì)算出每根光線的能量值。
[0052] 如圖2所示，建立大地坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于接收塔底部中屯、，X軸、y軸和Z軸的正 方向分別指向正東、正北和天頂；
[0053] 根據(jù)輸入時(shí)間點(diǎn)獲取太陽(yáng)高度角0,和方位角0S之后計(jì)算主入射光線單位向量 S(xs,Ys,Zs):
[0054] A-、二a.w(/;_)cos(巧-90") V、二COS(護(hù)）sin(畔-則r) (I 2、二
[0055]定日鏡的位置用其鏡面中屯、坐標(biāo)P(xp，yp，Zp)表示，Q(Xf，yf，Zf)為接收器聚焦點(diǎn)坐 標(biāo)，則主反射光線單位向量R(XK，yK，ZK)為：
C2)
[0057] 除了定日鏡的位置外，還需要對(duì)它的朝向進(jìn)行描述，使用定日鏡的單位法向量 N(刮，Yn,Zn)來(lái)表示：
[0059] 每根光線的能量計(jì)算公式為： (3) (4)
[0061] 其中，DNI是指單位面積太陽(yáng)福照度，單位為W/m2;Sh為每面定日鏡的面積，單位為m2;順為每面鏡子上的光線數(shù)，一般設(shè)為很大，如10E+9 ;ne為光學(xué)效率，可由如下公式表 示： 陽(yáng)062]He=nKC?Hcos?nSB?Hatt妨
[006引式中，ru。。為鏡面反射率，一般是常量，n。。歷余弦效率，nSB為陰影遮擋效率，n。^為大氣透射效率。
[0064] 余弦效率n。。.等于主入射光線單位向量跟鏡