CN102270251A - 一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法 - Google Patents

Abstract

一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，首先根据设计型式要求，建立对应光学系统的通用三维数学模型，随后采用统一蒙特卡罗光线追迹方法进行光学计算，然后再以光学效率及光热分布均匀性为考核依据，直至所设计系统达到所需要的光学效率与光热分布均匀性的设计要求，在要求运行工况条件下以及通用计算流体与传热平台中建立与其对应的数值计算模型，并将蒙特卡罗光线追迹方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光-热-流体耦合计算，然后再进一步以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能为考核依据，直至所设计系统完全符合光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能等各项设计要求为止。

Description

一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种能有效计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。

背景技术

随着经济发展，工业能耗不断增长，能源危机日益严重，新能源的开发及其低成本高效利用研究显得至关重要，发展太阳能热发电技术成为现阶段我们面临的一项重要研究任务。

“十一五”期间，国家继续推进了太阳能热利用的快速发展，进行了万千瓦级太阳能热发电技术研发和试点示范工作。2007年，在《可再生能源中长期发展规划》中又进一步确定将加快推进太阳能发电的产业化发展列为我国可再生能源中长期发展的总目标之一。近期，中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要还专门就太阳能行业编制了“十二五”规划，用以指导太阳能行业未来五年发展。由此可见，发展太阳能热发电技术，作为国家能源战略选择之一，得到了国家的大力推进，其发展前景必将十分壮丽！但同时，我们也要看到我国在太阳能热发电技术研发上还有很长的一段路程要走，许多关键科学和技术问题还需要进一步研究。

太阳光作为一种辐射传播能量，其在太阳能聚焦集热系统内的聚光传热过程是一个极其复杂的光能聚集、转换以及复杂耦合传热的过程。而首先研究透彻其中的光线传播过程、集热特性以及太阳能热流分布特性是进行太阳能热发电系统理论研究的必要基础，也是系统关键热利用部件性能优化与技术创新、提高系统发电效率的重要依据。然而，一般太阳能聚焦集热系统(如塔式、槽式或碟式等等)，都是具有多阶次、多表面的复杂系统。对此，光学领域中已有的商用光学软件在计算时都会存在着计算精度及特定统计等局限性，无法满足本领域特定计算要求，特别是对于多阶多表面复杂非规则吸收面或吸收体内光线传播过程及热流密度分布的求解问题，以及无法进行进一步的数据分析及耦合到流体传热计算。从而，也就无法综合考虑系统型式、光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能(或热效率)以及运行工况条件等各种设计要求，来进行多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的有效设计。在此背景下，人们希望设计一种能有效计算多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效计算多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)根据待设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的设计型式要求，建立对应光学系统的通用三维数学模型；

2)针对所建立光学系统的通用三维数学模型，采用蒙特卡罗光线追迹MCRT方法进行光学计算，获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性；

3)以光学效率及光热分布均匀性为考核依据，重复步骤1)-2)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热光学系统数学模型达到所需要的光学效率与光热分布均匀性的设计要求；

4)对应于步骤1)-3)反复设计所得到的光学系统数学模型，在设计要求运行工况条件下以及通用计算流体与传热平台FVM-FLUENT中建立与其对应的数值计算模型，并将蒙特卡罗光线追迹MCRT方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光-热-流体耦合计算，获得系统内工质流体流动性能、传热过程及系统热性能或热效率特性；

5)在设计要求运行工况条件下，以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能或热效率为考核依据，重复步骤1)-4)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统完全符合光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能或热效率各项设计要求为止。

所述的步骤1)采用统一的几何结构表达形式建立对应设计型式要求下的光学系统通用三维几何结构模型，即光学系统三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，但对于低于4阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现即可；

4阶通式方程表达式如下：

式(1)中C_n为4阶通式方程左侧各项的系数，下标从1到35，i、j、k分别为各项中x、y及z的整数幂指数，各自范围在0-4之间，但同时每一项的i，j，k三者之和的范围也必须在0-4之间；

然后，将该光学系统设计分成若干具有简单光学特性的子系统层次，即各子系统层次是由尽可能少的实际表面或虚拟表面分割包围而成，且其中所含介质必为简单的同一均匀介质以及不同时包含太阳辐射参与性与非参与性两类介质；并对各子系统层次及其表面采用统一编号方法进行编号区分；将各子系统组成表面设计分为“黑体物质表面或完全吸收物质表面”、“一般物质表面”即“非透明质表面”与“一般透明质表面”及“虚拟透过表面”，并采用统一表达形式描述其光学物理特征，即统一的光学物性参数表达形式。

所述的步骤2)是将太阳光在系统中辐射传播过程分由大量光束携带，采用由大量随机数控制的蒙特卡罗方法进行追迹计算及统计，即把入射太阳辐射近似为大量抽样光束，每条光束携带相同能量，而光线入射位置及入射方向由一定的概率模型确定，该概率模型的概率密度分布是均匀或非均匀的，对于均匀分布情形，随机变量的取值概率直接利用伪随机数发生器生成随机数ξ来计算，而对于非均匀分布情形，随机变量的取值概率需由下式来确定：

式(2)中χ是随机变量，ρ(χ)为概率密度函数；

然后，跟踪计算光线与非参与性介质子系统层次各表面实际交点或在参与性介质子系统层次中到达位置，判断每束光线的反射、折射、吸收及散射的光学过程，并进行相应统计；计算获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性。

本发明结合本领域特殊背景，提供了一种能有效计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。本发明设计方法使用方便、集成化、智能化程度高、计算精度与效率高、可扩充性强，使有关设计人员迅速高效地完成多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统计算模型设计、计算分析、数据处理、光-热-流体耦合计算以及结构设计等工作，从而不仅解决了计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统结构设计等方面研究难题，而且大大提高了设计效率。

附图说明

图1为本发明设计阶段I的多流程示意图；

图2为本发明设计阶段II的多流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

设计阶段I：

(1)根据待设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的设计型式要求，比如塔式、槽式或碟式等各种型式系统，建立对应光学系统的通用三维数学模型，包括通用三维几何结构模型建立及其简化划分以及光学物理特征描述。

1a)参见附图1，根据设计型式要求，设计并采用一种统一的几何结构表达形式来建立对应设计型式(比如塔式、槽式或碟式等)的光学系统通用三维几何结构模型。即光学系统三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，但对于低于4阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现即可。4阶通式方程表达式如下：

式(1)中C_n为4阶通式方程左侧各项的系数，下标从1到35。i、j、k分别为各项中x、y及z的整数幂指数，各自范围在0-4之间，但同时每一项的i，j，k三者之和的范围也必须在0-4之间。

1b)参见附图1，将该光学系统通用三维结构模型设计分成若干具有简单光学特性的子系统层次，并对各子系统层次及其表面采用统一编号方法进行编号区分。在此，将太阳能聚焦集热系统认为是由许多方程阶次不一的表面组成的复杂系统，可以根据光学特性将其设计分为多个简单子系统层次，并为每个子系统及其组成表面设计系列编号。设计划分过程中还可以辅助添加非实际表面的“虚拟表面”以便于划分出光学特性更为简单的子系统层次来。所谓“具有简单光学特性的子系统层次”是指各子系统层次是由尽可能少的实际表面或虚拟表面分割包围而成，且其中所含介质必为简单的同一均匀介质，以及不同时包含太阳辐射参与性与非参与性两类介质。各层次与表面编号规则为：若有I个子系统且每个子系统分别由N[i]个表面组成，则子系统层次id_layer从2到I+1按序编号，而1一般设计整个太阳能聚焦集热系统之外的所有空间，将其设为一个层次是为了便于判定计算中某条传播光线逃逸出系统及结束其追迹计算。而各子系统层次组成表面编号一般可将光线进入该子系统层次的表面标号id_surface设计为1，出去处表面标号id_surface设计为N[i]，其他介于之间可任意编号。从而，使得系统中的任何一个表面都有一个对应的统一的表达形式Surface[id_surface，id_layer]。对于跨接两个子系统层次的交界面(包括虚拟表面)，则应在其所属的子系统层次中分别设置编号。

1c)参见附图1，将该光学系统通用三维结构模型各子系统层次组成表面划分为便于计算中区分的几种不同类别，并采用一种统一表达形式描述其光学物理特征，即统一的光学物性参数表达形式。

首先，对于组成太阳能聚焦集热系统的方程阶次不一的各表面，设计分为“黑体物质表面或完全吸收物质表面”“一般物质表面”(又分为“非透明质表面”与“一般透明质表面”)及“虚拟透过表面”等便于计算中区分的几种不同类别，具体分类规则如下：

式(2)中：α为吸收率，τ为透射率。

然后，采用一种统一表达形式描述每一划分子系统层次及其组成表面的光学物性参数。对于每一层次内介质光学特性的描述设计分为非参与性介质与参与性介质分别进行设定，主要包括统一的折射率或吸收系数μ_α、散射系数μ_s及各向异性因子g等表达式。子系统层次各组成表面光学特性采用统一的吸收率α、反射率以ρ及透过率τ表达方式，但“虚拟表面”统一设置为透过率100％。统一表达式如下所示：

式(3)中Refraction[id_layer]为每一子系统层次的折射率，Participating[id_layer]为标识该id_layer层次是否为太阳辐射参与性介质的标号，若为0则不是；否则即是，并需要进一步赋已知数值的实际吸收系数μ_α、散射系数μ_s以及各项异性因子g。

(2)针对所建立光学系统的通用三维数学模型，采用自主设计的统一蒙特卡罗光线追迹MCRT方法进行光学计算。即把入射太阳辐射近似为大量抽样光束，每个光束携带相同能量，而光线入射位置及入射方向由一定的概率模型确定；然后跟踪计算光线与非参与性介质子系统层次各表面实际交点或在参与性介质子系统层次中到达位置，判断每束光线的反射、折射、吸收及散射等光学过程，并进行相应统计；进一步统计计算获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布等特性。

2a)参见附图1，采用蒙特卡罗光线追迹MCRT方法进行光学计算，首先进行光子分布初始化。即把入射太阳辐射近似为大量抽样光束(如10⁷条光束)，每条光束携带相同能量，而光线入射位置及入射方向由一定的概率模型确定。概率模型的概率密度分布可以是均匀或非均匀的。对于均匀分布情形，随机变量的取值概率可直接利用伪随机数发生器生成随机数ξ来计算。而对于非均匀分布情形，随机变量的取值概率需由下式来确定：

式(4)中χ是随机变量，ρ(χ)为概率密度函数。

2b)参见附图1，判断传播光线到达的是非参与性介质子系统层次还是参与性介质子系统层次内。

(i)若到达的是非参与性介质子系统层次(参见图1流程图中右侧部分)，则先采用分阶通式方程及其推导式求解光线与各子系统表面可能交点。而对于光线与1-4阶通式方程所表达各子系统层次表面交点，设计采用先判断阶次再分别求解方法，而非全部求解最高次方程。然后，再将光线方程与对应阶次方程(即式(1))联立并进一步求解对应阶次下的统一方程。若阶次高于4阶还可采用IMSL库进行统一求解。参数形式的光线方程通用表达式如下式：

式(5)中x^*、y^*及z^*分别表示光线上一次发射位置所在坐标分量，μ_x，、μ_y及μ_z为目前光线传播方向各分量。

所采用分阶通式方程求解方法考虑了极小方程系数情形下病态高次方程处理方法。即判断若第一项的系数极其微小时，各项除以该项所得新系数误差非常大，故可以考虑先忽略该第一项，求解低一阶的联立方程。然后再将求解结果回代原方程，若第一项的值对整个计算结果的影响确实微乎其微，则处理适当，否则求解原方程。

之后，采用所设计通用判别式判断光线与各子系统表面实际交点以及实际交点坐标是否在容许误差界限内。先前直接根据各子系统层次组成表面的编号依次求解了光线方程与该层次各表面通用联立方程，即求出了所有可能交点，在此再依据所设计通用判别式即“在光线传播方向上、距离光线发射点距离最短”两个条件来判别与确定实际交点。为保证计算准确性，并设计判定实际交点坐标是否在容许误差界限内。若不在容许误差界限内需要进行相应纠错处理；若在容许误差界限内，则光线传播到达该实际交点处，并进一步判断光线的传播过程及进行相应计算，如下所述。

然后，采用通用判别式判断光线的传播过程(反射、折射和吸收过程)。所设计通用判别式即光线的反射、折射、吸收等光学过程均是通过统一比较随机数因子与各表面设置的光学特性统一表达式之间相对关系来判断的。

若反射，则先采用分阶通式方程推导式计算表面法向量，再计算光线反射方向向量，光线返回到该层次中再次重复以上计算。根据前述设计的4阶通式35个方程式系数统一表达式进行数学推导，得到统一的表面法向量计算表达式。或者先判别阶次，再对各阶次情形分别计算，而非全部求解高次方程，可以提高计算效率。

由表面方程推导得到的统一的表面法向量计算表达式如下所示：

式(6)中μ_n，x、μ_n，y及μ_n，z分别表示表面法向量在x，y与z方向上的分量，i为对应表面方程阶次。

反射方向向量通用计算式如下：

其中系数k₀为k₀＝2×|temp|，where temp＝(μ_x，μ_y，μ_z)·(μ_n，x，μ_n，y，μ_n，z)，temp为光线传播方向与表面法向量的点乘积，如果temp＞0，则式(7)需要修正为下式：

若折射，则先采用上述分阶通式方程推导式计算表面法向量，再计算光线折射方向向量，并标记和设置光线折射所到达的另一层次及表面，再判断所到达层次是否为系统外界的层次(编号1)，若是结束追迹计算，若否则进行进一步追迹计算。

折射方向向量通用计算式如下：

其中系数k₁和k₂分别为：

而n₁与n₂分别表示的是光线在折射表面此侧与彼侧子系统层次中的折射率，并且若temp＞0，则式(9)需要修正为下式：

(12)

若吸收，则标记与统计并结束该光线的追迹计算，进入下一条光线追迹计算。

(ii)若到达参与性介质子系统层次(参见图1流程图中左侧部分)，则先计算光线在其中行进步长及到达位置，并将光子目前位置距边界表面距离与该行进步长进行比较，来判断光子是否还在该层次内部(或者说是否击中该层次边界)。

行进步长通用计算式如下：

式(13)中ξ为伪随机数发生器生成随机数，μ_t为衰减系数，其值为吸收系数μ_α与散射系数μ_s之和。

则此时光线所到达位置计算如下：

若判断光线传播已经不在该层次内部或是击中边界，则通过随机数因子与各表面设置的光学特性统一表达式之间相对关系来判断光线在边界表面上是反射还是折射。若反射，则采用上述分阶通式方程推导式计算表面法向量及反射方向，然后继续计算光线在该层次内的传播过程；若折射，则采用上述分阶通式方程推导式计算表面法向量及折射方向向量，并标记和设置光线折射所到达的另一层次及表面，再判断所到达层次是否为系统外界的层次(编号1)，若是，结束追迹计算；若否，则进行进一步追迹计算。

若光线还在该子系统层次内部，则判断是否吸收或散射。若吸收，则标记和统计，并计算光线携带的剩余能量，若其小于某一设定的阀值，则进行轮盘赌操作，判定是否继续追迹该光线，若剩余能量大于该阀值则继续上述计算。若散射，则计算散射方向向量，然后转到计算光线在其中行进步长及到达位置，并进行进一步追迹计算。注意，以上所设计的判别式的最大特点是对系统内所有子系统层次及其表面均具有统一通用性。

散射方向向量通用计算式如下：

式(15)中μ_x，s、μ_n，s及μ_n，s分别表示局部球坐标系中散射方向向量，T_C为局部球坐标系到主直角坐标系的转换矩阵。

2c)参见附图1，统计采用蒙特卡罗光线追迹MCRT方法计算所得所设计光学系统内光子能量分布及太阳能热流分布等特性；

2d)参见附图1，计算得到此阶段所设计光学系统的光学效率及光热分布均匀性等特性参数；

(3)以光学效率及光热分布均匀性为考核依据，重复步骤(1)-(2)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统达到所需要的光学效率与光热分布均匀性的设计要求。

设计阶段II：

(4)对应于步骤(1)-(3)反复设计所得到的光学系统数学模型，在通用计算流体与传热平台FVM-FLUENT中建立与其对应的数值计算模型，这是通过其前处理建模平台GAMBIT实现的；并进一步将蒙特卡罗光线追迹MCRT方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光-热-流体耦合计算，获得系统内工质流体流动性能、传热过程及系统热性能(或热效率)等特性。

参见附图2，通过采用所设计编写的“耦合程序”将蒙特卡罗光线追迹MCRT方法计算获得的太阳能热流分布处理成FVM-FLUENT平台能够读入的数据格式，并进一步将其作为流体传热计算模型中对应太阳能接收器位置的能量控制方程内热源项，进行光-热-流体的耦合计算。其他计算条件均设置为设计要求运行工况条件。

(5)在设计要求运行工况条件下，进一步以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能(或热效率)为考核依据，重复步骤(1)-(4)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统完全符合光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能(或热效率)等各项设计要求为止。本发明结合本领域特殊背景，提供了一种能有效计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。本发明设计方法使用方便、集成化、智能化程度高、计算精度与效率高、可扩充性强，使有关设计人员迅速高效地完成多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统计算模型设计、计算分析、数据处理、光-热-流体耦合计算以及结构设计等工作，从而不仅解决了计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统结构设计等方面研究难题，而且大大提高了设计效率。

Claims (3)

1.一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据待设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的设计型式要求，建立对应光学系统的通用三维数学模型；

2)针对所建立光学系统的通用三维数学模型，采用蒙特卡罗光线追迹MCRT方法进行光学计算，获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性；

3)以光学效率及光热分布均匀性为考核依据，重复步骤1)-2)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热光学系统数学模型达到所需要的光学效率与光热分布均匀性的设计要求；

4)对应于步骤1)-3)反复设计所得到的光学系统数学模型，在设计要求运行工况条件下以及通用计算流体与传热平台FVM-FLUENT中建立与其对应的数值计算模型，并将蒙特卡罗光线追迹MCRT方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光-热-流体耦合计算，获得系统内工质流体流动性能、传热过程及系统热性能或热效率特性；

5)在设计要求运行工况条件下，以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能或热效率为考核依据，重复步骤1)-4)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统完全符合光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能或热效率各项设计要求为止。

2.根据权利要求1所述的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，其特征在于：所述的步骤1)采用统一的几何结构表达形式建立对应设计型式要求下的光学系统通用三维几何结构模型，即光学系统三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，但对于低于4阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现即可；

4阶通式方程表达式如下：

式(1)中C_n为4阶通式方程左侧各项的系数，下标从1到35，i、j、k分别为各项中x、y及z的整数幂指数，各自范围在0-4之间，但同时每一项的i，j，k三者之和的范围也必须在0-4之间；

然后，将该光学系统设计分成若干具有简单光学特性的子系统层次，即各子系统层次是由尽可能少的实际表面或虚拟表面分割包围而成，且其中所含介质必为简单的同一均匀介质以及不同时包含太阳辐射参与性与非参与性两类介质；并对各子系统层次及其表面采用统一编号方法进行编号区分；将各子系统组成表面设计分为“黑体物质表面或完全吸收物质表面”、“一般物质表面”即“非透明质表面”与“一般透明质表面”及“虚拟透过表面”，并采用统一表达形式描述其光学物理特征，即统一的光学物性参数表达形式。

3.根据权利要求1所述的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，其特征在于：所述的步骤2)是将太阳光在系统中辐射传播过程分由大量光束携带，采用由大量随机数控制的蒙特卡罗方法进行追迹计算及统计，即把入射太阳辐射近似为大量抽样光束，每条光束携带相同能量，而光线入射位置及入射方向由一定的概率模型确定，该概率模型的概率密度分布是均匀或非均匀的，对于均匀分布情形，随机变量的取值概率直接利用伪随机数发生器生成随机数ξ来计算，而对于非均匀分布情形，随机变量的取值概率需由下式来确定：

式(2)中χ是随机变量，ρ(χ)为概率密度函数；

然后，跟踪计算光线与非参与性介质子系统层次各表面实际交点或在参与性介质子系统层次中到达位置，判断每束光线的反射、折射、吸收及散射的光学过程，并进行相应统计；计算获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性。

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