CN111625955B - 塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，属于塔式太阳能镜场模拟技术领域。包括：1)将塔式太阳能镜场中所有定日镜的顶点沿垂直于地面的方向进行投影；2)根据步骤1)生成的二维投影坐标，使用轴向平行的矩形将投影定日镜的顶点坐标包围；3)按照一定间隔将矩形划分成均匀网格，建立二维投影坐标与网格之间的对应关系；4)以投影定日镜对角线长度为直径建立每个投影定日镜的包围圆；5)对每个定日镜沿入射光线及反射光线方向发射两条探测光线；6)确定探测光线穿过的网格，获得可能对当前定日镜产生阴影或遮挡的相关定日镜；7)采用包围盒投影剔除法筛选相关定日镜，并使用多边形裁剪算法确定阴影与遮挡效率。

Description

塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法

技术领域

本发明涉及塔式太阳能镜场模拟技术领域，具体地说，涉及一种塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法。

背景技术

在工业全球化的今天，能源的日益短缺是各国均面临的问题，而以化石燃料为首的传统能源，在使用过程中释放的二氧化碳会不断加剧全球变暖。在这种情况下，人们对新型能源的需求不断提高。其中，太阳能以其清洁、安全的特点受到各个领域的关注。塔式太阳能热电系统是实现太阳能发电的方式之一，通过系统中的定日镜镜场反射太阳光线至接收器平面，实现太阳能量的汇集，再由后续发电子系统将热能转化为电能。

在塔式太阳能热电系统汇聚光线的过程中，存在两种造成能量损失的情况：阴影和遮挡。阴影表示光线被周围定日镜阻挡，无法到达目标定日镜而产生的无效区域，遮挡表示光线由目标定日镜反射至接收器的过程中被周围定日镜阻挡而产生的无效区域。由于聚集至接收器的能量是后续能量转化的基础，因此为了降低能量的损耗，需要尽量避免这两种现象。然而，在大型定日镜场中定日镜数量较多，计算每个定日镜的阴影遮挡需要进行大量的计算，影响仿真效率。因此，人们对加速阴影遮挡计算的方法进行了一定的研究。

阴影遮挡计算由相关定日镜判断和有效反射区域计算两个步骤组成。现有的相关定日镜判断方法主要分为距离约束法和投影剔除法两种。距离约束法通常根据经验定义定日镜最远距离，当周围定日镜与当前定日镜超过最大距离时，判断两者不相关。投影剔除法将定日镜包围盒投影至当前定日镜所在平面，根据包围盒的相交情况判断是否出现阴影遮挡现象。然而，距离约束法基于经验公式进行定义，公式可靠性不能保证，可能包含过多无关定日镜。投影剔除法则需要在判断定日镜与其他所有定日镜之间的关系，虽然可相对降低有效反射区域计算步骤的复杂度，但是在判断阶段的复杂度仍较高。

从计算机图形学角度考虑，阴影与遮挡是渲染中的常见问题，针对光线跟踪计算量巨大的问题，提出了较多加速方法。其中，3D-DDA算法(Amanatides J,Woo A.A fastvoxel traversal algorithm for ray tracing[C]//Eurographics.1987,87(3):10.)通常用于进行光线碰撞检测的高效判断。因此，可以将定日镜场中的定日镜视作图形渲染时的面片进行处理。但是，3D-DDA算法是针对单根光线的传播进行的，计算效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，准确剔除了无关定日镜，有效提高计算效率，便于实现。

为了实现上述目的，本发明的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法包括以下步骤：

1)将塔式太阳能镜场中所有定日镜的顶点沿垂直于地面的方向进行投影，生成顶点的二维投影坐标；

2)根据步骤1)生成的二维投影坐标，使用轴向平行的矩形将投影定日镜的顶点坐标包围；

3)按照一定间隔将矩形划分成均匀网格，将三维坐标垂直投影至地面，建立二维投影坐标与网格之间的对应关系；

4)以投影定日镜对角线长度为直径建立每个投影定日镜的包围圆；

5)对每个定日镜沿入射光线及反射光线方向发射两条探测光线；

6)确定探测光线穿过的网格，获得可能对当前定日镜产生阴影或遮挡的相关定日镜；

7)采用包围盒投影剔除法筛选相关定日镜，并使用多边形裁剪算法确定阴影与遮挡效率。

阴影表示光线被周围定日镜阻挡，无法到达目标定日镜而产生的无效区域，遮挡表示光线由目标定日镜反射至接收器的过程中被周围定日镜阻挡而产生的无效区域。

考虑到每个定日镜的相关定日镜集合独立，为了提高效率，整体算法可在CPU并行下完成。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，将三维空间转化为二维进行处理，通过光柱替代光线的方式降低了计算的复杂度，并通过图形学空间加速算法提升相关定日镜判断的效率；另外，使用多边形裁剪算法，计算有效反射区域，从而获得连续结果，相比离散采样的计算方式更加的准确高效。

附图说明

图1为本发明实施例中塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中定日镜场三维包围盒示意图；

图3为本发明实施例中定日镜场二维包围盒示意图；

图4为本发明实施例中光柱DDA遍历算法示意图，其中(a)展示的是合理网格分割下的光柱DDA遍历结果，(b)展示的是不合理网格分割下的光柱DDA遍历结果；

图5为本发明实施例中包围盒投影剔除法示意图；

图6为本发明实施例中多边形裁剪计算有效反射面积示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1，本实施例的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，基于光柱遍历和多边形裁剪实现，包括以下步骤：

S1，将塔式太阳能镜场中所有定日镜的顶点沿垂直于地面的方向进行投影。

如图2所示，整个定日镜场采用右手坐标系，Y轴向上。由于定日镜在垂直方向上不产生重叠，因此可将定日镜沿Y轴方向投影至XOY平面，投影结果如图3所示。则坐标为(H_x,H_y,H_z)的定日镜顶点在XOY平面上的投影结果可表示为h(x′,y′)＝(H_x,H_z)。

S2，使用轴向平行的矩形将投影定日镜的顶点坐标包围。

如图3所示，为了确定光线离开镜场的位置，根据投影坐标的最大值与最小值，建立长宽边分别平行于X轴和Z轴的包围矩形，矩形的长宽L与W分别由如下等式确定：

L＝max(h_i,x′)-min(h_i,x′)+2DM (1)

W＝max(h_i,y′)-min(h_i,y′) +2DM (2)

其中，h_i,x′，h_i,y′分别表示定日镜在X轴和Y轴上的坐标，

表示投影至XOZ平面的投影定日镜对角线半径，l与w分别表示定日镜的长和宽，i表示定日镜序号，i＝1,2,…,N。

S3，使用一定间隔将矩形划分成均匀网格，将三维坐标垂直投影至地面，建立二维顶点坐标与网格之间的对应关系。

定日镜与网格的对应关系由定日镜顶点坐标决定，每个网格可能包含一个或多个定日镜，每个定日镜可能横跨多个网格。若网格间隔过小，会使一个定日镜横跨过多网格，若网格间隔过大，会使网格中包含过多定日镜。以间隔G划分包围矩形，则定日镜顶点投影坐标对应的网格序号(m,n)可以由如下公式得到：

其中，h_x′，h_y′分别表示所有投影定日镜在X轴和Y轴上的最大值。

由于本实施例中采用探测光线表示光柱，因此需要保证探测光线经过的网格集合与光柱中所有光线经过的网格集合一致。若网格分割过小，如图4(b)所示，两条边界光线之间可能包含若干网格，仅以边界探测光线经过的网格代表光柱遍历结果将出现网格遗漏的情况。因此，为保证网格无遗漏，分割间隔不可过细。但若网格间隔过大，会使网格中包含过多无关定日镜。综上所述，将分割间隔设置为定日镜对角线直径即2DM较为理想。

S4，使用定日镜对角线长度为直径建立每个投影定日镜的包围圆。

为了确定光柱的最大宽度，以投影定日镜的投影中心为圆心，以定日镜对角线长度为直径建立包围圆。

S5，对每个定日镜沿入射光线及反射光线发射两条探测光线。

如图4(a)所示，根据入射光线及反射光线的方向，可确定包围圆与光线的切点位置。由对应切点处发射的两条探测光线即可表示定日镜接收或反射光线可能经过的最大范围。

S6，确定探测光线穿过的网格，从而获得可能对当前定日镜产生阴影或遮挡的相关定日镜。具体方式为：

如图4(a)所示，设探测光线的起始坐标为(x_s,y_s)，探测光线为

如果

则光线经过网格坐标的递推公式可表示为：

如果

则光线经过网格坐标的递推公式可表示为：

由于网格点序号为整数，因此使用舍入的方式确定最靠近光线经过位置的网格序号。

光线经过的坐标可表示为

光线依次穿越网格时，存在两种停止的情况：光线与网格内物体碰撞，光线离开包围盒。尽管算法将问题转化为二维，但仍需考虑空间沿Y轴方向的上下边界约束，约束光线传播的条件可表示为：

S7，包围盒投影剔除法再次筛选相关定日镜，使用多边形裁剪算法确定阴影与遮挡效率。

根据上一个步骤的光柱遍历后，可获得当前定日镜的相关定日镜集合，但是即使DDA算法尽可能剔除了无关定日镜，仍会包含不相关定日镜，因此将使用投影剔除法再次筛选。如图5中A、B所示，将遮挡相关定日镜的中心沿反射光线的反方向投影至当前定日镜所在平面，如图5中D、E所示，将阴影相关定日镜的中心沿入射光线方向投影至当前定日镜所在平面。以半径DM做包围圆，若包围圆不重叠，则不可能产生阴影遮挡，此定日镜为无效定日镜，如图5中，由于投影A与当前定日镜C的包围圆不重叠，因此为无效定日镜。

对于剩余定日镜，将它们的顶点沿光线的逆向投影回当前定日镜所在平面，并利用多边形裁剪算法计算有效反射区域，如图6中当前定日镜C的绿色区域，阴影遮挡率等于有效反射区域面积与定日镜总面积的比值。

实验结果：

经测试采用本实施例的方法对于9950个定日镜的镜场，判断单个定日镜在某一时刻下阴影遮挡效率仅需0.043ms，在CPU并行下，计算所有定日镜阴影遮挡效率的总时间为0.037s。

Claims (9)

1.一种塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将塔式太阳能镜场中所有定日镜的顶点沿垂直于地面的方向进行投影，生成顶点的二维投影坐标；

2)根据步骤1)生成的二维投影坐标，使用轴向平行的矩形将投影定日镜的顶点坐标包围；

3)按照一定间隔将矩形划分成均匀网格，建立二维投影坐标与网格之间的对应关系；

4)以投影定日镜对角线长度为直径建立每个投影定日镜的包围圆；

5)对每个定日镜沿入射光线及反射光线方向发射两条探测光线；

6)确定探测光线穿过的网格，获得可能对当前定日镜产生阴影或遮挡的相关定日镜；

7)采用包围盒投影剔除法筛选相关定日镜，并使用多边形裁剪算法确定阴影与遮挡效率。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，步骤1)中，假设塔式太阳能镜场所在世界坐标系为O-XYZ，定日镜顶点沿Y轴方向垂直投影至XOZ平面，则定日镜顶点的二维投影坐标表示为h(x′,y′)＝(H_x,H_z)。

3.根据权利要求2所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，步骤2)中，所述矩形的长宽边分别平行于X轴和Z轴，矩形的长L和宽W分别由下式确定：

L＝max(h_i，x′)-min(h_i，x′)+2DM

W＝max(h_i，y′)-min(h_i，y′)+2DM

其中，h_i，x′，h_i，y′分别表示定日镜在X轴和Y轴上的坐标，

表示投影至XOZ平面的投影定日镜对角线半径，l与w分别表示投影定日镜的长和宽，i表示定日镜序号，i＝1，2，...，N。

4.根据权利要求3所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，步骤3)中，以间隔G划分矩形，则定日镜顶点的二维投影坐标对应的网格序号(m，n)由如下公式得到：

其中，h_x′，h_y′分别表示所有投影定日镜在X轴和Y轴上的最大值。

5.根据权利要求4所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，划分间隔G＝2DM。

6.根据权利要求1所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，步骤4)中，以投影定日镜中心投影坐标为圆心，以投影定日镜对角线长度2DM为直径做包围圆表示每个投影定日镜。

7.根据权利要求1所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，步骤5)中，对于入射光线和反射光线，分别确定对应方向下包围圆上的两个切点，由切点沿对应光线方向发射探测光线，这两条探测光线表示定日镜中所有光线组成的光柱。

8.根据权利要求1所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，步骤6)中，二维光线方向表示为

光线经过的坐标表示为

沿给定方向确定探测光线是否与网格相交，直到探测光线因不满足下列约束条件离开包围矩形为止：

光线经过的网格中所包含的定日镜，均为可能对当前定日镜产生阴影或遮挡的相关定日镜。

9.根据权利要求1所述的塔式太阳能镜场阴影与遮挡效率的计算方法，其特征在于，步骤7)包括：

将步骤6)中得到的相关定日镜的中心及顶点沿对应光线方向的反方向投影至当前定日镜所在平面，并以半径DM做包围圆，若包围圆不重叠，则不可能产生阴影遮挡，此定日镜为无效定日镜；

使用多边形裁剪方法计算剩余相关定日镜与当前定日镜平面之间不重叠的有效反射区域。

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