一种塔式太阳能光热镜场定日镜遮挡效率的计算方法与流程

1.本发明涉及太阳能光热发电领域，特别涉及一种塔式太阳能光热镜场定日镜遮挡效率的计算方法。


背景技术：

2.近年来，太阳能光热发电技术得到大力发展，相比传统的光伏发电，其优势是可灵活储能，可调节发电。在太阳能光热技术中，塔式太阳能光热发电技术因其集热效率高而逐步受到人们的青睐。在太阳能光热电站中，镜场是太阳能能量的收集装置，镜场的性能会直接影响到对太阳能量的吸收效率。镜场光学效率的镜场性能的一个重要的评价指标，光学效率是指光热镜场整体对太阳能的利用率，提高光学效率是提升光热电站系统综合效率的一个关键因素。光学效率包括：余弦效率，阴影效率，遮挡效率，大气衰减率，溢出效率等。其中阴影效率和遮挡效率计算难度最大。当太阳高度角较低的时候，后排定日镜在接收太阳射线时被前排定日镜所遮挡称为阴影损失。当后排定日镜反射太阳射线到吸热塔目标点时被前排定日镜所遮挡称为遮挡损失。阴影效率，遮挡效率和太阳位置，吸热塔高度和定日镜位置和形状有关。我们需要准确快速计算这些效率，然后进行不断优化，进而提升光热电站聚光场收集太阳能量的效率。
3.阴影效率和遮挡效率计算方法主要有平面投影法和光线追踪法。当前已有的算法中，平面投影法计算误差较大，不能精确计算多个定日镜的阴影效率和遮挡效率。在定日镜数量较多，镜场规模较大时，光线追踪法的运算量会显著增大，导致计算较费时间。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种塔式太阳能光热镜场定日镜遮挡效率的计算方法，以达到运算简单且准确度高的目的。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种塔式太阳能光热镜场定日镜遮挡效率的计算方法，包括如下步骤：
7.步骤1，根据镜场布置，获取定日镜坐标信息；
8.步骤2，根据镜场所在地的地理经纬度和海拔高度信息，以及当地的气象信息，计算某一时刻的太阳位置和太阳的方向向量；
9.步骤3，根据太阳的方向向量和目标点的方向向量计算该时刻的定日镜的法向量；
10.步骤4，从遮挡定日镜集合an中选取一被遮挡定日镜ai，i为被遮挡定日镜的序号，n为镜场中所有会被遮挡定日镜的数量；在其前排确定会对被遮挡定日镜ai产生遮挡的定日镜bj的范围，遮挡定日镜bj组成集合bm，m为前排定日镜中所有会对定日镜ai产生遮挡的定日镜数量，j为遮挡定日镜的序号；
11.步骤5，以遮挡定日镜bj的所有顶点向被遮挡定日镜ai的平面进行投影，求遮挡定日镜bj在被遮挡定日镜ai镜面上的投影面积sj；
12.步骤6，计算所有遮挡定日镜集合bm中的遮挡定日镜在被遮挡定日镜ai镜面上的投
影面积，并将所有投影面积求和，重叠部分只计算一次，得到被遮挡定日镜ai镜面上被遮挡的面积sm；
13.步骤7，计算被遮挡定日镜ai的遮挡效率η：
[0014][0015]
其中，si为被遮挡定日镜ai的镜面面积；
[0016]
步骤8，重复上述步骤4-步骤7，计算遮挡定日镜集合an中所有遮挡定日镜的遮挡效率。
[0017]
上述方案中，步骤2中，太阳位置包括太阳方位角α和高度角β，根据太阳方位角α和高度角β计算太阳的方向向量u：
[0018][0019]
上述方案中，步骤3中，定日镜的法向量n的计算方法如下：
[0020][0021]
其中，r为定日镜的中心指向吸热器的目标点的方向向量。
[0022]
上述方案中，步骤4的具体方法如下：
[0023]
针对镜场中的定日镜均为矩形的情况，以被遮挡定日镜ai的中心cb为起始点，经过该定日镜右侧上方的顶点db画直线，该直线与前排定日镜的上方边线相交于点d
t
，cb与d
t
之间的距离为h，cb与前排定日镜上边线中点c
t
之间的距离为k，定日镜的长为l，宽为w，两排定日镜中间的过道宽度为lr，cb与db之间的距离z计算如下：
[0024][0025]
因此，
[0026][0027]
由此，可求得距离h：
[0028][0029]
其中，k＝lr 1.5w；
[0030]
然后，以长度h为半径画个半圆，前排定日镜中落入半圆范围内的定日镜即作为会对被遮挡定日镜ai发生遮挡的遮挡定日镜范围。
[0031]
上述方案中，步骤5的具体方法如下：
[0032]
选取遮挡定日镜bj的一个顶点t1，由顶点t1沿着方向向量re在被遮挡定日镜ai平面上的投影点为bt1，方向向量re为由目标点指向被遮挡定日镜ai的方向向量；
[0033]
点bt1的坐标计算如下：
[0034]
[0035]
其中，为点t1的坐标，为已知，t是点t1沿着向量re到点bt1的距离，计算公式如下：
[0036][0037]
其中，为被遮挡定日镜ai的中心点cb的坐标，na为被遮挡定日镜ai的法向量；
[0038]
按照公式(7)和(8)依次求出遮挡定日镜bj的顶点t2、t3、t4在被遮挡定日镜ai平面上的投影点bt2、bt3、bt4；
[0039]
根据所有投影点的坐标，利用鞋带公式求遮挡定日镜bj在被遮挡定日镜ai镜面上的投影面积sj；
[0040]
当有投影点落到被遮挡定日镜ai的镜面外时，需要计算遮挡定日镜bj与被遮挡定日镜ai镜面边缘的交点p1和p2的坐标和然后根据公式(7)和(8)求两个交点的投影点的坐标，最后利用鞋带公式求遮挡定日镜bj在被遮挡定日镜ai镜面上的投影面积sj。
[0041]
通过上述技术方案，本发明提供的一种塔式太阳能光热镜场定日镜遮挡效率的计算方法具有如下有益效果：
[0042]
1、本发明采用连直线的方法计算出遮挡半径，对可能发生遮挡的定日镜的选取设置了合理的范围，大大减少了无效运算，提升了整体运算速度。
[0043]
2、本发明的方法无需进行复杂的运算，利用两个向量垂直相乘为零原理，将投影运算进行简易化处理，逻辑简单，容易理解。
[0044]
3、本发明的方法运算准确性高，使得整体镜场光学效率计算准确率得到提升。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0046]
图1为塔式光热太阳向量，目标点向量和定日镜法向量示意图；
[0047]
图2为太阳高度角和方位角示意图；
[0048]
图3为定日镜遮挡范围选取示意图；
[0049]
图4为定日镜顶点投影计算示意图；
[0050]
图5为前方定日镜顶点投影未落在后方定日镜范围内的示意图。
[0051]
图中，1、定日镜；2、目标点；3、吸热塔。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0053]
如图1所示，在光热电站镜场中，定日镜1实时追踪太阳射线，并将太阳射线反射到吸热塔3上吸热器目标点2，在这个过程中，由于太阳位置的变化，前排定日镜可能会对后排定日镜的在入射(阴影)或反射(遮挡)方向上的发生遮挡，从而影响系统收集太阳能量的效率。本发明以矩形定日镜为例，提供了一种塔式太阳能光热镜场定日镜遮挡效率的计算方法，包括如下步骤：
[0054]
步骤1，根据镜场布置，获取每个定日镜的坐标信息；
[0055]
步骤2，根据镜场所在地的地理经纬度和海拔高度信息，以及当地的气象信息，通过美国可再生能源实验室的solar position algorithm(spa)方法计算某一时刻的太阳位置和太阳的方向向量；
[0056]
如图2所示，太阳位置包括太阳方位角α和高度角β，根据太阳方位角α和高度角β计算太阳的方向向量u：
[0057][0058]
步骤3，根据太阳的方向向量和目标点的方向向量计算该时刻的定日镜的法向量；
[0059]
定日镜的法向量n的计算方法如下：
[0060][0061]
其中，r为定日镜的中心指向吸热器的目标点的方向向量。
[0062]
步骤4，从遮挡定日镜集合an中选取一被遮挡定日镜ai，i为被遮挡定日镜的序号，n为镜场中所有会被遮挡定日镜的数量；在其前排确定会对被遮挡定日镜ai产生遮挡的定日镜bj的范围，遮挡定日镜bj组成集合bm，m为前排定日镜中所有会对定日镜ai产生遮挡的定日镜数量，j为遮挡定日镜的序号；
[0063]
如图3所示，以被遮挡定日镜ai的中心cb为起始点，经过该定日镜右侧上方的顶点db画直线，该直线与前排定日镜的上方边线相交于点d
t
，cb与d
t
之间的距离为h，cb与前排定日镜上边线中点c
t
之间的距离为k，定日镜的长为l，宽为w，两排定日镜中间的过道宽度为lr，cb与db之间的距离z计算如下：
[0064][0065]
因此，
[0066][0067]
由此，可求得距离h：
[0068][0069]
其中，k＝lr 1.5w；
[0070]
然后，以长度h为半径画个半圆，前排定日镜中落入半圆范围内的定日镜即作为会对被遮挡定日镜ai发生遮挡的遮挡定日镜范围。
[0071]
按照上述方法，依次对所有可能发生遮挡的定日镜进行范围筛选。第一排的定日镜由于不会有其他定日镜对其产生遮挡，因此可以不参加计算。
[0072]
步骤5，以遮挡定日镜bj的所有顶点向被遮挡定日镜ai的平面进行投影，求遮挡定日镜b在被遮挡定日镜ai镜面上的投影面积sj；
[0073]
具体方法如下：
[0074]
如图4所示，选取遮挡定日镜bj的一个顶点t1，由顶点t1沿着方向向量re在被遮挡定日镜ai平面上的投影点为bt1，方向向量re为由目标点指向被遮挡定日镜ai的方向向量；
[0075]
点bt1的坐标计算如下：
[0076][0077]
其中，为点t1的坐标，为已知，t是点t1沿着向量re到点bt1的距离，计算公式如下：
[0078][0079]
其中，为被遮挡定日镜ai的中心点cb的坐标，na为被遮挡定日镜ai的法向量；
[0080]
按照公式(7)和(8)依次求出遮挡定日镜bj的顶点t2、t3、t4在被遮挡定日镜ai平面上的投影点bt2、bt3、bt4；
[0081]
根据所有投影点的坐标，利用鞋带公式求遮挡定日镜bj在被遮挡定日镜ai镜面上的投影面积sj；
[0082]
当有投影点落到被遮挡定日镜ai的镜面外时，需要计算遮挡定日镜bj与被遮挡定日镜ai镜面边缘的交点p1和p2的坐标和如图5所示，假设只有点t1的投影点在落到被遮挡定日镜ai的镜面内，点t2、t3、t4的投影点均在镜面外，此时，交点p1和p2的坐标和计算公式如下：
[0083][0084][0085]
其中，为点t2的坐标，为点t4的坐标。
[0086]
然后根据两个交点p1和p2的坐标和利用公式(7)和(8)计算交点p1和p2的投影点的坐标，最后利用鞋带公式求遮挡定日镜bj在被遮挡定日镜ai镜面上的投影面积sj。
[0087]
步骤6，计算所有遮挡定日镜集合bm中的遮挡定日镜在被遮挡定日镜ai镜面上的投影面积，并将所有投影面积求和，重叠部分只计算一次，得到被遮挡定日镜ai镜面上被遮挡的面积sm；
[0088]
步骤7，计算被遮挡定日镜ai的遮挡效率ηi：
[0089][0090]
其中，si为被遮挡定日镜ai的镜面面积；
[0091]
步骤8，重复上述步骤4-步骤7，计算遮挡定日镜集合an中所有遮挡定日镜的遮挡效率。
[0092]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。