一种计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法与流程

1.本发明涉及塔式光热站技术领域，具体地说，涉及一种计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法。


背景技术：

2.塔式太阳能热发电系统是当前比较流行的清洁发电方式之一，其原理是首先通过成千上万个定日镜收集太阳能，将大量低密度的太阳能反射到吸热器上变成高密度的太阳能，然后吸热器利用储存在其内部的工质再转成工质热能，这些热能既可以转成热气可以应用在石油开采、小区供热，也可以将其转成电能，从而并入电网或者制造氢气等。因此一个个定日镜组成聚光系统在塔式太阳能热发电站扮演者极其重要的角色。
3.由于聚光系统需要通过大量的定日镜收集太阳光，最终才能实现能量聚集，因此在整个镜场设计中，需要考虑提高定日镜的光学效率，定日镜的光学效率是指吸热器接收到的能量与镜场定日镜能接收到的最大能量之比。定日镜的光学效率越高，提供给吸热器的能量越大，整个太阳能转成工质热能的效率就越高。光学效率一般包括余弦效率、遮挡或阴影效率、大气透射效率。但是对于大型塔式光热镜场来说，还有一种影响光学效率的因素即吸热塔对定日镜的遮挡，大型塔式镜场，吸热塔往往接近200米高，形成的阴影长达几百米，宽长达几十米，对于阴影附近的定日镜影响极大，因此定量计算吸热塔阴影对定日镜的影响至关重要。
4.目前常见的计算吸热塔对定日镜的阴影效率的方法主要是先计算塔对定日镜的阴影，再反向计算吸热塔对定日镜反射光线的阻挡，这种方法较难理解，导致应用困难，而且其应用范围较小，不便于推广。鉴于此，我们提出了一种计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法，包括如下步骤：
7.s1、进行定日镜镜场的几何布置，获取定日镜位置坐标和顶点坐标；
8.s2、根据吸热塔的塔高和形状，根据就近原则或者其他原则计算出每个定日镜对应的目标点，根据太阳的位置，利用反射定理得到定日镜到太阳、定日镜到目标点之间的夹角，同时计算每个定日镜的法向量并将其归一化成为单位向量；
9.s3、根据太阳位置，计算太阳关于吸热塔对称的位置；
10.s4、根据新的太阳位置向量、每个定日镜的法向量，求出法向量与定日镜到太阳之间的夹角，再利用反射定理得到此时每个定日镜对应的反射光线；
11.s5、将吸热塔抽象成一个四边形平面，根据吸热塔的塔高以及位置，得到平面的四
个顶点并将四个顶点的坐标代入到平面方程中，最终求得四个顶点围成的平面；
12.s6、计算吸热塔倒影对定日镜的遮挡，并标记出被遮挡的定日镜，进而计算吸热塔对定日镜的阴影效率。
13.作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s1中，进行定日镜镜场的几何布置，获取定日镜位置坐标和顶点坐标的具体方法为：
14.根据塔式太阳能光热电站的场地条件、定日镜的设计参数、设计功效等进行镜场布置，获取每个定日镜的编号i＝1,2,...,n，设中心位置坐标为hi＝(hxi,hyi,hzi)，每个定日镜的顶点坐标hd
i1
,hd
i2
,...,hd
im
；
15.其中hd
ik
＝(dx
ik
,dy
ik
,dz
ik
)为第i个定日镜的第k个顶点的xyz坐标，n为定日镜的数量；m为定日镜的顶点个数，常见的定日镜为长方形即4个顶点，默认采用地面坐标系。
16.作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s2的具体算法包括如下：
17.根据吸热塔的塔高和形状，根据就近原则或者其他原则计算出每个定日镜对应的目标点，设为ap1,ap2,...,apn，其中目标点api＝(axi,ayi,azi)，根据太阳的位置s＝(az，el)，利用反射定理得到定日镜到太阳、定日镜到目标点之间的夹角：
[0018][0019]
同时计算每个定日镜的法向量：
[0020][0021]
其中s＝(sin(az)sin(el),cos(az)sin(el),cos(el))为太阳单位向量，az是太阳方位角，el为太阳高度角，符号
·
为太阳的内积运算；
[0022]
最后再将求得的归一化成为单位向量。
[0023]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s3中，根据太阳位置，计算太阳关于吸热塔对称的位置的具体方法为：
[0024]
取某时刻太阳位置(az，el)，其中az为太阳方位角，el为太阳高度角，根据光的直射定律以及塔式光热镜场的布置，得到关于吸热塔对称的位置：(az π，el)，标记为新的太阳位置，化作单位向量表示为：
[0025]s′
＝(-sin(az)sin(el),-cos(az)sin(el),cos(el))。
[0026]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s4的具体算法包括如下：
[0027]
根据据新的太阳位置向量s
′
，每个定日镜的法向量求出法向量与定日镜到太阳之间的夹角：
[0028][0029]
利用反射定理得到此时每个定日镜对应的反射光线：
[0030][0031]
记为：
[0032]
根据空间解析几何的相关知识，分别建立过点hd
ik
＝(dx
ik
,dy
ik
,dz
ik
)，以为方向向量的直线方程：
[0033][0034]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s5的具体算法包括如下：
[0035]
将吸热塔抽象成一个四边形平面，根据吸热塔的塔高以及位置，得到平面的四个顶点，分别为：
[0036]
t1＝(x1,y1,z1)＝(cos(az)*l,-sin(az)*l,0)；
[0037]
t2＝(x2,y2,z2)＝(-cos(az)*l,sin(az)*l,0)；
[0038]
t3＝(x3,y3,z3)＝(cos(az)*l,-sin(az)*l,t)；
[0039]
t4＝(x4,y4,z4)＝(-cos(az)*l,sin(az)*l,t)；
[0040]
其中l为上塔底部直径长度，t为塔的高度，然后将四个顶点的坐标代入到平面方程中：
[0041][0042]
求得四个顶点围成的平面为：
[0043]
ax by cz d＝0。
[0044]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s6中，计算吸热塔倒影对定日镜的遮挡的具体方法为：
[0045]
对于定日镜i，计算以为方向向量，过它顶点hd
ik
的直线方程是否能穿过吸热塔平面，即：
[0046][0047]
计算并判断此方程组得到的解是否在吸热塔平面的取值范围内，如果得到的解取值范围在吸热塔平面的取值范围内，则表示反射光线穿过吸热塔平面即吸热塔对定日镜有阴影作用；
[0048]
按照同样的方法计算所有的定日镜，只要定日镜中找到过某个顶点的反射光线穿过吸热塔平面，则表明吸热塔对该定日镜有阴影作用。
[0049]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s6中，计算吸热塔对定日镜的阴影效率的具体方法为：
[0050]
在判定前述方程组的解是否在吸热塔平面的取值范围内并标记出被遮挡的定日镜的基础上，以每个被遮挡定日镜内反射光线穿过吸热塔平面的点数/面积与该定日镜上反射光线的总点数/面积的比例为定日镜阴影效率，分别计算吸热塔对每个被遮挡定日镜的定日镜阴影效率；
[0051]
以镜场内所有被遮挡定日镜内反射光线穿过吸热塔平面的点数/面积之和与镜场内所有定日镜上反射光线的总点数/面积之和的比例为镜场阴影效率，可计算吸热塔对整个镜场的镜场阴影效率。
[0052]
本发明的目的之二在于，提供了一种方法运行平台装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述的计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法的步骤。
[0053]
本发明的目的之三在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法的步骤。
[0054]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0055]
1.该计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法中，是基于逆阴影方法提出的，可以更加准确的进行塔式太阳能热发电的设计；
[0056]
2.该计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法中，利用逆阴影的思想计算吸热塔对定日镜的遮挡效率，较现有技术中先计算塔对定日镜的阴影、再反向计算吸热塔对定日镜反射光线的阻挡的方法来说，更加容易理解；同时，基于空间解析几何的思想来计算定日镜反射光线是否受吸热塔的阻挡，此计算方法使用范围更广，便于推广使用。
附图说明
[0057]
图1为本发明中示例性的吸热塔遮挡定日镜的状态示意图；
[0058]
图2为本发明中示例性的太阳关于吸热塔对称位置的状态示意图；
[0059]
图3为本发明中示例性的逆阴影计算原理示意图；
[0060]
图4为本发明中示例性的电子计算机平台装置结构图。
具体实施方式
[0061]
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
实施例1
[0063]
如图1-图4所示，本实施例提供了一种计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法，包括如下步骤：
[0064]
s1、进行定日镜镜场的几何布置，获取定日镜位置坐标和顶点坐标；
[0065]
s2、根据吸热塔的塔高和形状，根据就近原则或者其他原则计算出每个定日镜对应的目标点，根据太阳的位置，利用反射定理得到定日镜到太阳、定日镜到目标点之间的夹角，同时计算每个定日镜的法向量并将其归一化成为单位向量；
[0066]
s3、根据太阳位置，计算太阳关于吸热塔对称的位置；
[0067]
s4、根据新的太阳位置向量、每个定日镜的法向量，求出法向量与定日镜到太阳之间的夹角，再利用反射定理得到此时每个定日镜对应的反射光线；
[0068]
s5、将吸热塔抽象成一个四边形平面(如等腰梯形)，根据吸热塔的塔高以及位置，得到平面的四个顶点并将四个顶点的坐标代入到平面方程中，最终求得四个顶点围成的平面；
[0069]
s6、计算吸热塔倒影对定日镜的遮挡，并标记出被遮挡的定日镜，进而计算吸热塔
对定日镜的阴影效率。
[0070]
本实施例中，如图1所示，步骤s1中，进行定日镜镜场的几何布置，获取定日镜位置坐标和顶点坐标的具体方法为：
[0071]
根据塔式太阳能光热电站的场地条件、定日镜的设计参数、设计功效等进行镜场布置，获取每个定日镜的编号i＝1,2,...,n，设中心位置坐标为hi＝(hxi,hyi,hzi)，每个定日镜的顶点坐标hd
i1
,hd
i2
,...,hd
im
；
[0072]
其中hd
ik
＝(dx
ik
,dy
ik
,dz
ik
)为第i个定日镜的第k个顶点的xyz坐标，n为定日镜的数量；m为定日镜的顶点个数，常见的定日镜为长方形即4个顶点，默认采用地面坐标系；建立坐标系并确定各个点坐标的过程为现有成熟技术，在此不作赘述。
[0073]
本实施例中，步骤s2的具体算法包括如下：
[0074]
根据吸热塔的塔高和形状，根据就近原则或者其他原则计算出每个定日镜对应的目标点，设为ap1,ap2,...,apn，其中目标点api＝(axi,ayi,azi)，根据太阳的位置s＝(az，el)，利用反射定理得到定日镜到太阳、定日镜到目标点之间的夹角：
[0075][0076]
同时计算每个定日镜的法向量：
[0077][0078]
其中s＝(sin(az)sin(el),cos(az)sin(el),cos(el))为太阳单位向量，az是太阳方位角，el为太阳高度角，符号
·
为太阳的内积运算；
[0079]
最后再将求得的归一化成为单位向量。
[0080]
本实施例中，如图2所示，步骤s3中，根据太阳位置，计算太阳关于吸热塔对称的位置的具体方法为：
[0081]
取某时刻太阳位置(az，el)，其中az为太阳方位角，el为太阳高度角，根据光的直射定律以及塔式光热镜场的布置，得到关于吸热塔对称的位置：(az π，el)，标记为新的太阳位置，化作单位向量表示为：
[0082]s′
＝(-sin(az)sin(el),-cos(az)sin(el),cos(el))。
[0083]
本实施例中，步骤s4的具体算法包括如下：
[0084]
根据据新的太阳位置向量s
′
，每个定日镜的法向量求出法向量与定日镜到太阳之间的夹角：
[0085][0086]
利用反射定理得到此时每个定日镜对应的反射光线：
[0087][0088]
记为：
[0089]
根据空间解析几何的相关知识(此部分为现有成熟技术，相关文献中有详细记载，
在此不作赘述)，分别建立过点hd
ik
＝(dx
ik
,dy
ik
,dz
ik
)(定日镜i的第k个顶点)，以为方向向量的直线方程：
[0090][0091]
本实施例中，如图3所示，步骤s5的具体算法包括如下：
[0092]
将吸热塔抽象成一个四边形平面(大多数情况下为等腰梯形)，根据吸热塔的塔高以及位置，得到平面的四个顶点，分别为：
[0093]
t1＝(x1,y1,z1)＝(cos(az)*l,-sin(az)*l,0)；
[0094]
t2＝(x2,y2,z2)＝(-cos(az)*l,sin(az)*l,0)；
[0095]
t3＝(x3,y3,z3)＝(cos(az)*l,-sin(az)*l,t)；
[0096]
t4＝(x4,y4,z4)＝(-cos(az)*l,sin(az)*l,t)；
[0097]
其中l为上塔底部直径长度，t为塔的高度，然后将四个顶点的坐标代入到平面方程中：
[0098][0099]
求解上述的四元一次方程，求得四个顶点围成的平面为：
[0100]
ax by cz d＝0。
[0101]
本实施例中，步骤s6中，计算吸热塔倒影对定日镜的遮挡的具体方法为：
[0102]
对于定日镜i，计算以为方向向量，过它顶点hd
ik
(定日镜i的第k个顶点)的直线方程是否能穿过吸热塔平面，即：
[0103][0104]
计算并判断此方程组得到的解是否在吸热塔平面的取值范围内，如果得到的解取值范围在吸热塔平面的取值范围内，则表示反射光线穿过吸热塔平面即吸热塔对定日镜有阴影作用；
[0105]
按照同样的方法计算所有的定日镜，只要定日镜中找到过某个顶点的反射光线穿过吸热塔平面，则表明吸热塔对该定日镜有阴影作用。
[0106]
进一步地，步骤s6中，计算吸热塔对定日镜的阴影效率的具体方法为：
[0107]
在判定前述方程组的解是否在吸热塔平面的取值范围内并标记出被遮挡的定日镜的基础上，以每个被遮挡定日镜内反射光线穿过吸热塔平面的点数/面积与该定日镜上反射光线的总点数/面积的比例为定日镜阴影效率，分别计算吸热塔对每个被遮挡定日镜的定日镜阴影效率；
[0108]
以镜场内所有被遮挡定日镜内反射光线穿过吸热塔平面的点数/面积之和与镜场内所有定日镜上反射光线的总点数/面积之和的比例为镜场阴影效率，可计算吸热塔对整个镜场的镜场阴影效率。
[0109]
此外，通过计算吸热塔对每个被遮挡定日镜的定日镜阴影效率的平均值，也可粗略地得出吸热塔对整个镜场的镜场阴影效率。
[0110]
值得说明的是，本方案利用逆阴影的思想计算吸热塔对定日镜的遮挡效率，较现有技术中先计算塔对定日镜的阴影、再反向计算吸热塔对定日镜反射光线的阻挡的方法来说，更加容易理解；同时，本方案是基于空间解析几何的思想来计算定日镜反射光线是否受吸热塔的阻挡的，此计算方法使用范围更广。
[0111]
如图4所示，本实施例还提供了一种方法运行平台装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
[0112]
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法。
[0113]
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(sram)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
[0114]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法的步骤。
[0115]
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面计算塔式光热电站中吸热塔对镜场的阴影效率的方法的步骤。
[0116]
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0117]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。