本发明专利技术公开了塔式太阳能热发电系统中剔除遮挡的辐射能密度模拟方法，包括以下步骤：(1)建立整个定日镜场的轴平行的大包围盒；(2)将所述的大包围盒沿定日镜分布方向等距划分；(3)将定日镜反射或入射的光柱建模；(4)对于每一个光柱，找到与该光柱相交的相交网格；(5)对相交网格中的定日镜与对应光柱相交判定；(6)将阴影转化为遮挡；(7)建立接收面板和流水线绘制缓存的对应关系；(8)将定日镜及其遮挡投影到接收面板上；(9)组织流水线中的定日镜及其遮挡定日镜的顺序并进行深度赋值；(10)剔除反射光斑的遮挡区域后并行累加到累积缓存；本发明专利技术的快速模拟方法有效提高计算的准确性和效率，模拟结果更真实可靠。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太阳能热发电模拟
，特别涉及塔式太阳能热发电系统有效剔除遮挡的辐射能密度模拟方法。
技术介绍
塔式太阳能热发电系统的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。要达到高精度的模拟，就必须考虑定日镜场上经常存在的影响发电效率的两种现象：阴影和遮挡。为了提高发电效率，这两种现象都要尽可能避免。然而，对于一个大型的定日镜场，要判定定日镜之间的阴影和遮挡关系，计算量巨大，影响仿真效率。因此，在太阳能仿真领域，一些简单的加速处理方法被提出。Belhomme B等人(2009)(Belhomme B,Pitz-Paal R, P,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.)采用了层次化的空间数据结构组织每一个定日镜以及定日镜镜片来加速阴影和遮挡关系的判定。Izigon M等人(2011)(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.)提出对每一个定日镜保留两个固定长度的列表来存储与之相邻的潜在阴影和遮挡定日镜，然而，这种估计并不准确，尤其是当早上和傍晚太阳高度角很小的时候，潜在阴影遮挡的定日镜数量往往超过列表的预设长度。Besarati S等人(2014)(Besarati,S.M.,Goswami,D.Y.,&Stefanakos,E.K.(2014).Optimal heliostat aiming strategy for uniform distribution of heat flux on the receiver of a solar power tower plant.Energy Conversion and Management,84,234-243.)提出对于考察定日镜的周围定日镜，阴影遮挡关系只测试相对该定日镜分别与太阳或接受器处于同一侧的其他定日镜。显然这是一种保守的做法，增加了很多实际上不会产生阴影遮挡影响的定日镜，增加计算量。另外，从图形学的角度，阴影和遮挡现象可以看作经典的隐藏面消除问题，很多成熟的算法可以拿来借鉴，比如层次z-buffer算法(Greene N,Kass M,Miller G.Hierarchical Z-buffer visibility[C]//Proceedings of the 20th annual conference on Computer graphics and interactive techniques.ACM,1993:231-238.)。在图形学领域，降低这类问题计算复杂度的方式是挖掘场景的空间连续性。相应的有两种空间划分辅助数据结构，自适应结构(代表是octree，Glassner A S.Space subdivision for fast ray tracing[J].Computer Graphics&Applications IEEE,1984,4(10):15-24)和均匀划分网格(Fujimoto A,Tanaka T,Iwata K.ARTS:Accelerated Ray-Tracing System[J].IEEE Computer Graphics&Applications,1986,6(4):16-26.)。前者是一种自上而下的方式，适用于物体不规律分布的场景。相反后者更适合均匀分布的场景，在此基础上的光线遍历3D-DDA算法(Amanatides J,Woo A.A fast voxel traversal algorithm for ray tracing[C]//Eurographics.1987,87(3):10.)能高效的找到与光线碰撞的物体。考虑到定日镜场上定日镜的规则分布，均匀划分网格数据结构是首选。但是传统的3D-DDA算法针对的是光线，对于像定日镜反射的光柱遍历均匀网格的问题至今没有一个高效的算法。从辐射能模拟方法角度，主流的模拟方法可以分为两类：基于光线跟踪模拟和基于解析方法的求解。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.Wendelin 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,P,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，光线到达接受面，能量累加到相应的单元。逆向光线跟踪(Chiesi M,Vanzolini L,Scarselli 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.)从接受面板产生光线，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受面上同一区域的入射光线的能量进行累加。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( P,Pitz-Paal R,Schmitz M.Visual HFLCAL—A Software Tool for Layout and 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种塔式太阳能热发电系统中剔除遮挡的辐射能密度模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立整个定日镜场的轴平行的大包围盒；(2)将所述的大包围盒沿定日镜分布方向等距划分，产生均匀的网格；(3)将定日镜反射或入射的光柱建模，光柱建模为镜面沿着光柱方向平移形成的平行六面体；(4)对于每一个光柱，找到与该光柱相交的相交网格；(5)对相交网格中的定日镜与对应光柱相交判定，从而得到形成该光柱的定日镜受到的阴影或遮挡；(6)将所有形成阴影的定日镜转化为遮挡定日镜；(7)建立接收面板和流水线绘制缓存的对应关系；(8)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；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；(9)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；(10)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，完成接收面板上的辐射能密度模拟。...
【技术特征摘要】
1.一种塔式太阳能热发电系统中剔除遮挡的辐射能密度模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立整个定日镜场的轴平行的大包围盒；(2)将所述的大包围盒沿定日镜分布方向等距划分，产生均匀的网格；(3)将定日镜反射或入射的光柱建模，光柱建模为镜面沿着光柱方向平移形成的平行六面体；(4)对于每一个光柱，找到与该光柱相交的相交网格；(5)对相交网格中的定日镜与对应光柱相交判定，从而得到形成该光柱的定日镜受到的阴影或遮挡；(6)将所有形成阴影的定日镜转化为遮挡定日镜；(7)建立接收面板和流水线绘制缓存的对应关系；(8)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；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；(9)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；(10)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，完成接收面板上的辐射能密度模拟。2.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电系统中剔除遮挡的辐射能密度模拟方法，其特征在于，在步骤(1)中，同时每个定日镜建立一个大小可以完全包围对应定日镜的轴平行的小包围盒，在步骤(2)中，同时遍历每个定日镜，将每个定日镜的索引存储到与该定日镜所在小包围盒相交的网格中，使网格作为定日镜的代理。3.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电系统中剔除遮挡的辐射能密度模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，光柱建模为镜面沿着光柱方向平移形成的平行六面体，假定光柱的每个侧面的法向指向光柱内部；步骤(4)中，确定该网格与该光柱是否相交的具体步骤如下：4-1、对于组成光柱的一个...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵豫红，冯结青，何才透，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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