[发明专利]塔式太阳能热电系统镜场在柱状接收器上的成像方法

权利要求书

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、中心离地高度以及所有定日镜中心坐标，定日镜中心坐标是指定日镜几何中心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、高度以及几何中心点离地高度；

(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心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、余弦效率以及大气透射效率，从而计算出每根光线的能量值；

(3)根据聚焦点的分布以及柱状接收器参数，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心，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_z和方位角θ_s之后计算主入射光线单位向量S(x_S,y_S,z_S)：

定日镜的位置用其镜面中心坐标P(x_P,y_P,z_P)表示，Q(x_f,y_f,z_f)为接收器聚焦点坐标，则主反射光线单位向量R(x_R,y_R,z_R)为：

R=Q-P|Q-P|=(xf-xP,yf-yP,zf-zP)(xf-xP)2+(yf-yP)2+(zf-zP)2---(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N(x_N,y_N,z_N)来表示：

N=R-S|R-S|---(3)]]>

每根光线的能量计算公式为：

E=DNI·Sh·ηeNN---(4)]]>

其中，DNI是指单位面积太阳辐照度，单位为W/m²；S_h为每面定日镜的面积，单位为m²；NN为每面镜子上的光线数；η_e为光学效率，由如下公式表示：

η_e＝η_rec·η_cos·η_SB·η_att(5)

式中，η_rec为镜面反射率，η_cos为余弦效率，η_SB为阴影遮挡效率，η_att为大气透射效率，

余弦效率η_cos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：

η_cos＝S·N＝x_Sx_N+y_Sy_N+z_Sz_N(6)

阴影遮挡效率η_SB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，以此作为阴影遮挡效率η_SB，

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η_att表示成定日镜中心到聚焦点距离d_HR的函数：

ηatt=0.99321-0.0001176×dHR+1.97×10-8×dHR2(dHR≤1000m)e-0.0001106×dHR(dHR>1000m)---(7).]]>

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R(x_R,y_R,z_R)与定日镜上的出发点P(x_P,y_P,z_P)由点向式表示反射光线直线方程：

(x-xP)xR=(y-yP)yR=(z-zP)zR---(8)]]>

接收器圆柱面的空间方程为：

x2+y2=(rec_d2)2zcenter-rec_h2<z<zcenter+rec_h2---(9)]]>

式中，rec_d表示接收器的外直径，rec_h表示接收器的高度，z_center表示接收器中心离地面高度，

根据(6)-(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(6)-(7)式有x,y的部分合并为ax²+bx+c＝0的形式：

ax2+bx+c=0a=1+(yRxR)2b=2(yR·yP)xR-2(yR2·xP)xR2c=[xP·yR-yP·xR]2xR2-(rec_d2)2---(10)]]>

接下来根据来判别根的情况，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_c,y_c,z_c)与镜面反射点P(x_P,y_P,z_P)的距离计算公式：

Dis=(xc-xp)2+(yc-yp)2+(zc-zp)2---(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，以正东方向为原点，逆时针将接收器柱面展开为一个长方形以便图像展示，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心点处，网格中心点的所有能量加和之后，除以网格的面积，就是网格中心点处的能流密度大小，这一过程用公式可表示成：

fi,j=mΣk=1KdEkSr---(12)]]>

式中，f_i,j为第i行、第j列网格中心点处的能流密度，S_r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。