CN102519152B - 基于gpu塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GPU塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法，包括求取镜场的镜面中心坐标矩阵，确定太阳位置，求取镜场余弦、大气透射效率；判断与每一面镜子可能发生B&S效应的定日镜，将这行镜面的顶点平移到被计算镜面所在的平面，并记录转换后的坐标；将吸收器入口顶点坐标投射到每一面定日镜平面并记录；根据记录的坐标数据，使用蒙特卡洛法与海伦定理计算定日镜的B&S&Int效率，并使用CUDA运算平台，利用GPU双层并行结构加速运算，将得到的各种效率综合，得到镜场的总光学效率。本方法能在保证精度的同时，提高塔式太阳能电站镜场光学效率仿真的计算速度，节约优化成本。
Description
技术领域
本发明涉及塔式太阳能发电领域，尤其涉及基于GPU塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法。
背景技术
塔式太阳能发电系统利用上千面反光镜将太阳光汇聚到位于高塔上的吸收器产生热能进而发电，是最为经济的大型太阳能发电方式。在整个发电系统的成本中，定日镜场的比重最大，不同的镜场排布会直接影响系统的光学效率（聚光能力）和发电量，因此通过仿真获得最优的镜场排布方案有利于降低成本和提高产能，而如何快速地得到某种排布下的光学效率则是优化的前提。
衡量镜场光学效率的指标主要包括：余弦效率，大气透射效率、B&S（Blocking&Shading，遮挡和阴影）效率以及溢出(Intercept)效率。其中余弦效率，大气透射效率与定日镜之间相对位置无关，较容易求取。B&S效率是用来衡量B&S损失的，该损失主要由于镜面的入射光线被周围镜场遮挡（造成阴影损失）或是反射光线被遮挡（造成遮挡损失）所造成。溢出效率对应的溢出损失，则是由于镜面的反射光线未能全部进入吸收器入射孔造成。后两种效率的计算需要进行光线追踪，并且需要考虑镜面间、镜面与吸收塔之间的位置和角度关系。传统方法将定日镜镜面“网格化”，依次判断每个网格块的中心光线是否被遮挡，这样的顺序计算时间长、效率低，尤其对于发电功率大，定日镜数量多的大型塔式太阳能电站，所需时间更长，直接导致镜场设计时间的延长。
发明内容
本发明提供了一种基于GPU塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法，为了达到上述目的，本发明采用技术方案如下：
（1）确定太阳位置和镜场参数，获得每一面定日镜的中心坐标，入射及反射光线的单位向量；
太阳位置用太阳高度角和方位角表示，这两个角度可以指定，也可以依据仿真时间求取计算得到，镜场参数包括镜面的规格、间隔、镜面高度、吸收器高以及吸收器入口参数。通过太阳高度角和方位角可以确定太阳的入射光线单位向量，而通过镜场参数可以确定定日镜场中每一面定日镜的中心坐标，以及吸收器入口中心坐标，将两者结合可获得每一面定日镜反射光线的单位向量。
（2）求取各镜面的镜场余弦效率、大气透射效率以及顶点坐标；
定日镜的余弦效率由余弦角决定，该角大小等于镜面入射光反向光线和反射光线所成夹角的一半。镜场的大气透射效率是衡量光线从定日镜反射到吸收塔过程中，因在大气中传播导致的能量损失的大小。余弦效率和大气投射效率只需要确定镜面中心坐标，太阳位置以及吸收塔位置即可求取。求B&S&Int效率需要将定日镜沿着某一面定日镜的入射或反射光线平移，因此需要求定日镜顶点坐标，可通过定日镜规格、镜面中心高度以及入射和反射光线求取。B&S&Int效率为B&S效率与Intercept效率的综合结果。
（3）对每一面定日镜，分别求取可能与之发生B&S效应的定日镜的顶点坐标投影，以及吸收器入口平面在该镜面上的投影坐标；
如果定日镜发生阴影损失，对应B&S中的S，则该定日镜的一部分入射光线被其周围一些定日镜遮挡；如发生遮挡损失，对应B&S中的B，则该定日镜的一部分反射光线被其周围一些定日镜遮挡。发生B&S损失则该定日镜的入射和反射光线各有部分被其周围定日镜遮挡。如果定日镜发生溢出损失，则该定日镜发射到吸收塔的光线，一部分进入吸收器入口，一部分没能进入吸收器入口。对于同时发生B&S损失和溢出损失的定日镜，将遮挡该定日镜入射、反射光线的定日镜分别沿着入射、反射光线平移到被遮挡定日镜所在平面，形成的每一个投影四边形会和被遮挡定日镜发生不同程度的重合，同理将吸收器入口截面四边形沿反射光线平移到被遮挡镜面，也会和该定日镜部分重合，被遮挡镜面的B&S&Int效率就可以表示为被投影镜面上，和发生B&S损失的定日镜投影四边形不重合，且和吸收器入口截面投影四边形重合的面积百分比，这部分面积表示光线从入射到反射不受其他定日镜遮挡，且最终能进入吸收器入口。
为了求取一面定日镜的B&S&Int效率，需要首先确定哪些定日镜会遮挡被计算定日镜的入射光或反射光，其次将（2）中求得的这些定日镜的顶点坐标，沿着入射或反射光线平移到被计算定日镜的平面，再将吸收器入口截面四边形顶点坐标平移到被计算定日镜平面上。最后确定被计算定日镜符合前文要求的面积百分比。因将定日镜和吸收器顶点坐标平移后仍是三维问题，所以将平移后的各个投影四边形整体进行坐标变化，从而变成以被计算定日镜所在平面为坐标平面的二维问题。
（4）使用蒙特卡洛法、海伦定理以及GPU并行计算相结合的方法，计算镜场的B&S&Int效率；
定日镜的B&S&Int效率可以表示成该镜面与发生B&S效率的定日镜投影四边形不重合，同时与吸收器入口投影四边形重合的面积的百分比。一面定日镜子可能与多个镜面的投影发生不同程度的重合，形成的不规则图形不能直接计算面积。因此采用蒙特卡洛法，用许多随机点表示被投影镜面，这些点均匀的分布在表示镜面的四边形内，于是面积百分比的计算变成了统计被投影镜面上，不在任何一面定日镜投影四边内，但在吸收器入口截面投影四边形内的随机点数百分比。确定随机点和投影四边形位置关系时可以采用夹角和判断、海伦定理、求交点坐标等方法。
以上是一面定日镜的B&S&Int效率求取过程，为了快速计算成百上千的定日镜，引入CUDA计算平台，利用GPU的双层并行结构，同时计算多面镜子的效率。
（5）由各种镜场效率得到镜场在计算时间点时的总光学效率。
本发明的有益效果：按照本方法计算塔式太阳能定日镜场的光学效率可大大降低计算时间，并且通过适当改变参数，既可以适用于不同镜面规格、不同镜面排布方式以及不同镜场大小的定日镜场光学效率的计算。
附图说明
图1 是本发明方法的技术方案流程图；
图2 是塔式太阳能发电站常见的两种镜面排布，左侧为辐射型，右侧为麦田型；
图3 是余弦效应和余弦角的示意图；
图4 是定日镜双轴固定示意图；
图5 是定日镜顶点坐标示意图；
图6 是同时发生B&S损失和溢出损失的定日镜A在镜场中位置示意图；
图7 是判断发生B&S效应的镜面所设定矩形的示意图；
图8 是定日镜投影示意图；
图9 是坐标平移及转换后的定日镜位置关系示意图；
图10 是用蒙特卡洛法表示定日镜面的示意图；
图11 是海伦定理求取随机点与投影四边形位置关系示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于GPU的塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法,包括：
（1）确定镜场参数和太阳位置获得每一面定日镜的中心坐标，入射及反射光线的单位向量；
镜场参数包括镜面的规格、间隔、镜面高度、吸收器高以及吸收器入口参数，除镜场参数外还需要确定太阳的高度及方位角，或是确定一个仿真时间，之后可依据经纬度求取这两个角度。将两者结合可获得每一面定日镜反射光线的单位向量；通过太阳高度角和方位角可以确定太阳的入射光线单位向量，因为是平行光，所以该向量适用于每一面定日镜。由于定日镜通常选取双周固定，因此当入射和反射光线都确定时，镜场中每一面定日镜的位置就唯一确定了。
太阳位置由时间唯一确定，可表示为太阳高度角 
和方位角
。这两个角度可以人为设定或是依据仿真时间求取。通过使用National Renewable Energy Laboratory (NREL)的代码，依据输入的时间和经纬度计算出太阳的高度角
和方位角
。两角确定后入射光线方向也确定了，因为太阳离地球距离非常远，所以对每一面定日镜而言
和是一样的，每一面定日镜的入射光方向是一致的。为了计算需要，这里求取的是入射光线反向的单位向量
，其中a,b,c分别为S在x，y，z坐标轴上的分量，并且有：
如图2所示，塔式太阳能发电站镜场分布有“麦田型”1和“辐射型”2两种，麦田型的镜场参数包括定日镜规格，镜面高度，行列间距以及吸收器3相关参数，辐射型的镜场参数包括定日镜4规格，镜面高度，径向间距和周向间距以及吸收器相关参数。通常将固定吸收器的高塔与地面交点作为坐标原点，从该点向正东为x轴正半轴方向，向正北为y轴正半轴方向，高塔与z轴正半轴重合，通过镜场参数可以确定定日镜场中每一面定日镜的中心坐标，以及吸收器入口中心坐标。根据镜面中心坐标和吸收器入口中心坐标就可求确定定日镜4反射光单位向量，以镜面A为例，其反射光线单位向量
其中(xOA,yOA,zOA)为镜面A的中心点坐标，(0,0,H)为吸收器入口中心坐标，H为吸收器入口四边形的中心点到地面的垂直高度。同理可求得镜场中所有定日镜的反射光单位向量
（2）求取各镜面的镜场余弦效率、大气透射效率以及顶点坐标；
以任意一面定日镜A为例，分别求取其余弦效率、大气透射效率以及顶点坐标。
如图3所示，余弦效率：
求取入射光线6的反向单位向量与反射光7单位向量的夹角
，镜面法向量5等分
，由内积公式，则：
所以余弦角8：
余弦效率：
同理可求得镜场内所有镜面的余弦效率。
大气透射效率：
由公式
可求镜面A的大气透射效率，其中
是定日镜到吸收器的直线距离，通常该距离都在1000m内。
同理可求得镜场内所有镜面的大气透射效率。
镜面顶点坐标:
如图4所示，由于定日镜通常采用双轴固定的方式，即在背面9上布置一条横向支承轴10与一条连接到底座12的纵向支承轴11。当入射和反射光线都确定时，镜场中每一面定日镜的角度就确定了，因此定日镜的顶点坐标也唯一确定了。
如图5所示，如下定义镜面A13的四个顶点：镜面A有两条与地面始终平行的横边，随着位置不同会出现一条竖直高度较高的横边14与一条较低的横边15，从中心点PAO向较低的横边15作垂线，从交点处沿着顺时针方向遇到的第一个顶点为PA1,坐标为(xA1，yA1，zA1)，之后从PA1点沿着逆时针方向依次经过的顶点为PA2(xA2，yA2，ZA2)，PA3(xA3，yA3，zA3)，PA4(xA4，yA4，zA4)，其坐标具体计算过程如下：
(9)
其中(a,b,c)为太阳入射光反向单位向量S的坐标, (xOA,yOA,zOA)定日镜A的中心点坐标，l1为定日镜与横轴平行边边长，l2为定日镜与横轴垂直边边长。
同理可求得镜场内所有镜面的顶点坐标。
（3）对每一面定日镜，分别求取可能与之发生B&S效应的定日镜的顶点坐标投影，以及吸收器入口平面在该镜面上的投影坐标；
如图6所示，假设定日镜A的入射光线被定日镜B 1 16遮挡一部分导致阴影损失，反射光线被定日镜B 2 17遮挡一部分导致遮挡损失，A最终的反射光线一部分照射进了吸收器入口18截面四边形C中，一部分照射到C之外造成溢出损失，分别将
、B 2 、C的顶点沿着入射或反射光线平移到
所在平面上，则可发现A与三个投影四边形会发生不同程度的重合。假设所有与A发生B&S效应的镜面组成镜面集合B，平移到
所在平面后组成四边形集合B ’ ，吸收器入口截面四边形C在
上的投影四边形为C ’ ，则镜面A的B&S&Int效率，可转化成求取镜面
中不和B ’ 重合，且和C ’ 重合的面积百分比。
因为B&S损失只发生在被计算定日镜与周围定日镜之间，如图7所示，首先将被计算定日镜A19周围的定日镜进行筛选，方法为以A中心点为顶点，在x-y平面建立矩形，对角线与太阳入射光反向向量的x-y分量平行且同向，矩形x、y轴向边长分别为:
中心点坐标落入矩形的定日镜20可能与被判断定日镜发生阴影效应，并且该矩形能保证涵盖所有可能与被判断定日镜发生阴影效应的定日镜中心坐标。同理，建立的矩形与发射光线单位向量平行且同向则可判断发生遮挡效应的定日镜，矩形x、y轴向边长分别为:
设经过筛选后确定与A发生B&S效应的镜面集合为B，依次将B中各镜面的顶点坐标平移到A镜面所在平面并进行坐标变换：A和B中的镜面
位置关系如图8，现将
的顶点
沿着入射光线（如发生遮挡效应则沿着反射光线）平移到A平面形成投影四边形21，已知入射光反向单位向量S
，A的单位法向量为
，镜面中心坐标为
，则镜面A所在平面可表示为
过点
与A平面平行的平面可表示为
(14)
则
的坐标加上k在各轴向上的分量既是平移后的
坐标
此时
的坐标是以镜场坐标系为基准的结果，转化到以镜面A所在平面的坐标系，得到
的坐标：
(17)
如图9所示，其中
是坐标转换矩阵,转换后坐标系x正半轴单位向量, 是转换后坐标系y正半轴单位向量，法向量半是转换后坐标系的z轴正半轴单位向量，并且有：
(18)
同理将镜面
的其他三个顶点坐标，以及集合B中其他镜面的顶点均作如上处理并记录结果。
（4）使用蒙特卡洛法、海伦定理以及GPU并行计算相结合的方法，计算镜场的B&S&Int效率；
一面镜子的B&S&Int效率可以表示成镜面与相关投影四边形（定日镜和吸收器入口）重合面积的百分比，即与定日镜投影四边形不重合，同时与吸收器入口投影四边形重合的面积的百分比。一面镜子可能与多个镜面的投影发生不同程度的重合，形成的不规则图形不能直接计算面积，因此采用蒙特卡洛法，用分布在镜面大小的矩形内的随机点表示被投影镜面，这些点均匀的分布在表示被计算定日镜的四边形内，于是B&S&Int效率的求取从面积百分比的计算变成了统计被投影镜面上，不在任何一面定日镜投影四边内，但在吸收器入口截面投影四边形内的随机点数百分比。
用蒙特卡洛法表示被计算定日镜A，引入随机点阵
，
：
如图11所示，在计算随机点与投影四边形位置关系时，使用海伦定理，将表示镜面A的点阵中任意一点i23和投影到镜面A的任一定日镜投影四边形
24的四个顶点相连，可得到四个三角形
，其中点i的坐标为（XA(i),YA(i)）。利用公式（17）中求得的
顶点坐标和i点坐标，可求出四个三角形每条边长，再利用海伦定理可得到
的面积。同样由四个顶点的坐标依据海伦定理可求取
的面积
。令：
(20)
如果
，则第i个点在第
内；
如果
，则第i个点在第
外。
同理可以求得表示镜面A的所有随机点和
的位置关系，进一步可以求取随机点阵和所有镜面A上投影四边形的位置关系。
求取随机点阵和吸收器入口投影四边形C的位置关系原理同上，结合之前的计算，统计A中在四边形C内，同时不在集合B中任何四边形内的随机点数，除以pre，即是该镜面的B&S&Int效率。
以上是一面镜子的B&S&Int效率求取过程，为了快速计算成百上千的定日镜，引入CUDA计算平台，利用GPU的双层并行结构，使每个线程块（Block）中线程（Thread）同时完成上述计算，即假设一个Block中有N个Thread，则同时可计算N个随机点的位置情况；同时不同的Block计算不同的镜面，即假设有M个Block，则可同时计算M面镜子的效率。M与N可根据镜面数量及计算精度进行调整，通常在满足硬件和计算精度限制的前提下，M、N值越大，计算速度越快。
（5）将得到的各种镜场效率按照公式（21）进行整合：
(21)
其中
为镜场总光学效率，
为定日镜反光系数，是与定日镜材质有关的常数，是大气透射效率，
为B&S效率和溢出效率的综合结果。
将任意一种效率求和除以镜面数可得到该效率的镜场平均值，而计算一系列离散时间点的镜场平均效率的算术平均值即可得到镜场年平均效率。
将求得的镜场光学效率和镜面中心坐标做等高线绘图，可得直观的光效效率分布。
Claims (1)
1.基于GPU塔式太阳能热电系统镜场光学效率的计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：确定太阳位置和镜场参数，获得每一面定日镜的中心坐标，入射及反射光线的单位向量；
太阳位置用太阳高度角和方位角表示，这两个角度通过指定或依据仿真时间求取计算得到，镜场参数包括镜面的规格、间隔、镜面高度、吸收塔高以及吸收器入口参数；通过太阳高度角和方位角可以确定太阳的入射光线单位向量，而通过镜场参数可以确定定日镜场中每一面定日镜的中心坐标，以及吸收器入口中心坐标，将两者结合可获得每一面定日镜反射光线的单位向量；
步骤二：求取各镜面的镜场余弦效率、大气透射效率以及顶点坐标；
定日镜的余弦效率由余弦角决定，该角大小等于镜面入射光反向光线和反射光线所成夹角的一半；镜场的大气透射效率是衡量光线从定日镜反射到吸收塔过程中，因在大气中传播导致的能量损失的大小；余弦效率和大气投射效率只需要确定镜面中心坐标，太阳位置以及吸收塔位置即可求取；求B&S&Int效率需要将定日镜沿着某一面定日镜的入射或反射光线平移，因此需要求定日镜顶点坐标，可通过定日镜规格、镜面中心高度以及入射和反射光线求取；B&S&Int效率为B&S效率与Intercept效率的综合结果；
步骤三：对每一面定日镜，分别求取可能与之发生B&S效应的定日镜的顶点坐标投影，以及吸收器入口平面在该镜面上的投影坐标；
如果定日镜发生阴影损失，对应B&S中的S，则该定日镜的一部分入射光线被其周围一些定日镜遮挡；如发生遮挡损失，对应B&S中的B，则该定日镜的一部分反射光线被其周围一些定日镜遮挡；发生B&S损失则该定日镜的入射和反射光线各有部分被其周围定日镜遮挡；如果定日镜发生溢出损失，则该定日镜发射到吸收塔的光线，一部分进入吸收器入口，一部分没能进入吸收器入口；对于同时发生B&S损失和溢出损失的定日镜，将遮挡该定日镜入射、反射光线的定日镜分别沿着入射、反射光线平移到被遮挡定日镜所在平面，形成的每一个投影四边形会和被遮挡定日镜发生不同程度的重合，同理将吸收器入口截面四边形沿反射光线平移到被遮挡镜面，也会和该定日镜部分重合，被遮挡镜面的B&S&Int效率就可以表示为被投影镜面上，和发生B&S损失的定日镜投影四边形不重合，且和吸收器入口截面投影四边形重合的面积百分比，这部分面积表示光线从入射到反射不受其他定日镜遮挡，且最终能进入吸收器入口；
为了求取一面定日镜的B&S&Int效率，首先确定哪些定日镜会遮挡被计算定日镜的入射光或反射光，其次将步骤二中求得的这些定日镜的顶点坐标，沿着入射或反射光线平移到被计算定日镜的平面，再将吸收器入口截面四边形顶点坐标平移到被计算定日镜平面上；最后确定被计算定日镜符合前文要求的面积百分比；因将定日镜和吸收器顶点坐标平移后仍是三维问题，所以将平移后的各个投影四边形整体进行坐标变化，从而变成以被计算定日镜所在平面为坐标平面的二维问题；
步骤四：使用蒙特卡洛法、海伦定理以及GPU并行计算相结合的方法，计算镜场的B&S&Int效率；
定日镜的B&S&Int效率表示成该镜面与发生B&S效应的定日镜投影四边形不重合，同时与吸收器入口投影四边形重合的面积的百分比；一面定日镜可能与多个镜面的投影发生不同程度的重合，形成的不规则图形不能直接计算面积；因此采用蒙特卡洛法，用许多随机点表示被投影镜面，这些点均匀的分布在表示镜面的四边形内，于是面积百分比的计算变成了统计被投影镜面上，不在任何一面定日镜投影四边内，但在吸收器入口截面投影四边形内的随机点数百分比；确定随机点和投影四边形位置关系时采用夹角和判断、海伦定理或求交点坐标方法；引入CUDA计算平台，利用GPU的双层并行结构，同时计算多面镜子的效率；
步骤五：由各种镜场效率得到镜场在计算时间点时的总光学效率。
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