□王魏□張津□程松

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院上海200070

基于SolTrace的定日鏡光斑成像仿真

□王魏□張津□程松

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院上海200070

對(duì)塔式光熱電站中定日鏡所形成的光斑進(jìn)行特性分析是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、控制的基礎(chǔ)。應(yīng)用SolTrace軟件對(duì)定日鏡光斑成像進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)仿真過程中的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 課題背景

塔式光熱發(fā)電技術(shù)是近年來各國(guó)研究的熱點(diǎn)之一。在塔式光熱電站中，大量定日鏡所組成的系統(tǒng)稱為聚光系統(tǒng)，這是塔式光熱電站中最重要的組成部分[1-2]。定日鏡的主要作用是將太陽(yáng)光線定向反射到塔頂?shù)奈鼰崞魃?從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能[3]。對(duì)于聚光系統(tǒng)而言，定日鏡的光學(xué)分析是電站設(shè)計(jì)、優(yōu)化、控制必不可少的一環(huán)。目前，常用的光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件主要有ASAP、DELSOL、HELIOS、MIRVAL、SolTrace等，文獻(xiàn)[4]對(duì)這些軟件進(jìn)行了詳細(xì)介紹。其中，SolTrace是一款用于光學(xué)系統(tǒng)建模與分析的工具，由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）于2003年開發(fā)。這一軟件具備良好的通用性，能夠仿真各種復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，可模擬多種形狀的聚光器（如矩形、圓形、三角形等）及多種面型（如平面、拋物面、球面等）,十分適合于定日鏡的光學(xué)分析。然而由于各種原因，目前SolTrace已經(jīng)不再更新和維護(hù)，最新版本為2012年7月9日更新版。另一方面，關(guān)于SolTrace的使用和說明文檔并不多[5]，示例也較少，而其參數(shù)設(shè)置則較為復(fù)雜，筆者首先對(duì)SolTrace進(jìn)行概述，然后通過一個(gè)實(shí)例說明其應(yīng)用過程及注意事項(xiàng)。

2 SolTrace概述

圖1為SolTrace的主窗口，最上端為菜單欄，左側(cè)為仿真各階段用的選項(xiàng)卡，右側(cè)為對(duì)應(yīng)于各個(gè)選項(xiàng)卡的設(shè)置窗口。

SolTrace將整個(gè)仿真過程分為五個(gè)階段。

第一個(gè)階段為太陽(yáng)位置及形狀設(shè)置?？赏ㄟ^單擊軟件左側(cè)Sun Shape選項(xiàng)卡來打開設(shè)置窗口。這一階段主要用于定義太陽(yáng)的位置及太陽(yáng)的形狀。太陽(yáng)的位置主要用于表征太陽(yáng)的入射光線，可通過兩種方式來指定：①輸入當(dāng)?shù)氐木暥取⒛攴e日[6]（即仿真日期為當(dāng)年的第幾天）及時(shí)間；②直接指定太陽(yáng)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。太陽(yáng)形狀主要用于引入太陽(yáng)光線不平行度及輻射能量不均勻的影響。太陽(yáng)輻射穿過地球大氣層時(shí)，會(huì)與大氣中半徑大于光波波長(zhǎng)的粒子相互作用，產(chǎn)生散射現(xiàn)象，使太陽(yáng)圓盤的直徑拓寬，形成太陽(yáng)周邊區(qū)域。太陽(yáng)輻射的能量不是均勻分布的,而是從太陽(yáng)圓盤到其周邊區(qū)域逐漸衰減的[7]。軟件中提供了Gaussian及Pillbox兩種分布方法，并且可以通過用戶自定義來輸入實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，從而定義太陽(yáng)形狀。

圖1 SolTrace主窗口

第二階段為光學(xué)特性定義。這一階段用于定義仿真中涉及到的實(shí)物（如定日鏡、吸熱器）的表面光學(xué)特性，包括反射率、透射率、表面誤差、形狀誤差等，并且可以選擇誤差的類型，如Gaussian還是Pillbox等。

第三階段為系統(tǒng)定義。這一階段用于定義仿真中設(shè)計(jì)實(shí)物的具體位置、姿態(tài)等。這一階段尤為重要，也是整個(gè)軟件使用中比較難的一環(huán)，涉及三種不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：全局坐標(biāo)系、階段坐標(biāo)系、元素坐標(biāo)系。首先需要定義階段坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中的原點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)位置，從而定義階段坐標(biāo)系的Z軸方向，而后定義階段坐標(biāo)系繞Z軸的旋轉(zhuǎn)方向，從而定義XOY平面。同理，需要定義元素坐標(biāo)系在階段坐標(biāo)系中的原點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)位置，從而定義元素坐標(biāo)系的Z軸方向，而后定義元素坐標(biāo)系繞Z軸的旋轉(zhuǎn)方向，從而定義XOY平面。

第四階段為仿真設(shè)置。這一階段主要是設(shè)置光線追蹤的點(diǎn)數(shù)、條數(shù)，以及仿真時(shí)中央處理器（CPU）的使用數(shù)等。這一階段的參數(shù)一般不用更改。

第五階段為仿真結(jié)果輸出。這一階段主要是顯示仿真結(jié)果，如光線追蹤的整個(gè)過程、能流密度分布圖，以及整個(gè)仿真過程所生成的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以復(fù)制和導(dǎo)出。

圖2所示為應(yīng)用SolTrace仿真的操作流程圖。

圖2 SolTrace仿真操作流程圖

3 仿真實(shí)例

以下通過一個(gè)實(shí)例來說明SolTrace的應(yīng)用過程及注意事項(xiàng)。

3.1 實(shí)例說明

選用西班牙PSA電站的一款名為C2的定日鏡。西班牙經(jīng)緯度設(shè)置為（-2.37,36.84），經(jīng)緯度設(shè)置規(guī)則詳見文獻(xiàn)[6]。定日鏡規(guī)格為：長(zhǎng)6.677 8 m，寬6.819 m，焦距166.7 m。測(cè)試及仿真時(shí)間為2004年9月7日12：53：35。測(cè)量時(shí)定義的鏡場(chǎng)坐標(biāo)系如下：正東方向?yàn)閄軸正方向，正北方向?yàn)閅軸正方向，天頂方向?yàn)閆軸正方向，此坐標(biāo)系符合右手定則。則定日鏡在此鏡場(chǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（-50, 155,6.23），目標(biāo)靶在此鏡場(chǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（0,0.74,35.16）[8]。

基于以上數(shù)據(jù)，計(jì)算并設(shè)置SolTrace中的參數(shù)。

3.2 太陽(yáng)參數(shù)設(shè)置

首先設(shè)置太陽(yáng)位置，按第一種設(shè)置方法可為：

其中Day為年積日，當(dāng)年為平年時(shí)：

當(dāng)年為閏年時(shí)：

式中：floor為向下取整標(biāo)記；m為月份，D為月中的日序，即第幾日。

Hour的計(jì)算方法為：

式中：H為小時(shí)數(shù)；Min為分鐘數(shù)；Sec為秒數(shù)。

按第二種方法，可設(shè)置為：

設(shè)置這三個(gè)參數(shù)，首先需要計(jì)算出太陽(yáng)的方位角、高度角，計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[9]，然后根據(jù)以下公式計(jì)算出太陽(yáng)在全局坐標(biāo)系中的位置：

式中：αS為太陽(yáng)高度角，以平行于地平面為0°；γS為太陽(yáng)方位角，以正南方向?yàn)?°，上午為負(fù)，下午為正。

此處太陽(yáng)形狀選擇Pillbox分布。

3.3 光學(xué)特性

本實(shí)例涉及兩個(gè)表面，一個(gè)是定日鏡表面，一個(gè)是目標(biāo)靶表面。需要單擊Optical Properties選項(xiàng)卡來生成兩個(gè)表面的光學(xué)特性設(shè)置界面，分別命名為Heliostat和Receive。這部分的參數(shù)設(shè)置比較好理解，筆者不再詳述。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此部分為SolTrace設(shè)置中最復(fù)雜的。本實(shí)例涉及兩個(gè)實(shí)物，光路也經(jīng)歷兩個(gè)過程：①?gòu)奶?yáng)出發(fā)，入射至定日鏡表面；②從定日鏡表面反射至目標(biāo)靶。針對(duì)這兩個(gè)光線過程，通過SystemStages選項(xiàng)卡生成兩個(gè)過程的設(shè)計(jì)，同樣分別命名為Heliostat和Receive。

3.4.1 全局坐標(biāo)系

SolTrace中全局坐標(biāo)系的定義為：正西方向?yàn)閄軸正方向，正北方向?yàn)閆軸正方向，天頂方向?yàn)閅軸正方向，坐標(biāo)原點(diǎn)可以自行定義，如圖3所示。本實(shí)例中，原測(cè)量時(shí)鏡場(chǎng)坐標(biāo)系為圖3中的X’Y’Z’坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系下，定日鏡中心點(diǎn)（圖3中鏡面標(biāo)紅的圓點(diǎn)）及目標(biāo)靶中心點(diǎn)（圖3中靶面標(biāo)紅的圓點(diǎn)）的坐標(biāo)分別為（-50,155,6.23）及（0,0.74,35.16）。由此可以看出，在XYZ坐標(biāo)系中，定日鏡和目標(biāo)靶的坐標(biāo)分別為：定日鏡坐標(biāo)LocH=（XH，YH，ZH）=（50，6.23，155），目標(biāo)靶坐標(biāo)LocR=（XR，YR，ZR）=（0，35.16，0.74）。

圖3 全局坐標(biāo)系

3.4.2 階段坐標(biāo)系

分別對(duì)定日鏡及目標(biāo)靶建立階段坐標(biāo)系，如圖4所示。定日鏡的階段坐標(biāo)系以鏡面法向量為Z軸，以鏡面兩根幾何中心線為X軸及Y軸。

圖4 定日鏡階段坐標(biāo)系

對(duì)于定日鏡階段坐標(biāo)系而言,坐標(biāo)系原點(diǎn)為定日鏡中心點(diǎn),則此原點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的位置為（50,6.23,155），即CoorH，o=（50，6.23，155），CoorH，o為定日鏡階段坐標(biāo)系的原點(diǎn)。從階段坐標(biāo)系的原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的一個(gè)向量即為此坐標(biāo)系的Z軸方向，即：

式中：CoorH，A為定日鏡階段坐標(biāo)系的目標(biāo)點(diǎn)，nH為定日鏡階段坐標(biāo)系的Z軸方向或法向方向。

如圖5所示，定日鏡的Z軸方向計(jì)算方法如下[10]：

圖5 定日鏡階段坐標(biāo)系Z軸方向計(jì)算

這里的nH可以不是單位向量，則：

對(duì)于目標(biāo)靶階段坐標(biāo)系而言,其坐標(biāo)系原點(diǎn)為目標(biāo)靶中心點(diǎn),即CoorR，o=（0，35.16，0.74）。定義其Z軸方向?yàn)槟繕?biāo)靶朝向定日鏡且靶面垂直于地面的方向。目標(biāo)靶階段坐標(biāo)系的Z軸方向計(jì)算方法如下[7]：目標(biāo)靶指向定日鏡的向量為(50，-28.93，154.26)，如圖6所示，將此向量移至全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并得到此向量在XOZ平面的投影nR，從nR分別向X、Z軸作垂線，可以得到相應(yīng)坐標(biāo)。靶面的法線為nR向Y軸平移至靶面中心點(diǎn)，因此靶面的法向量為（50,0,154.26），則目標(biāo)靶階段坐標(biāo)系的目標(biāo)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的位置為：

圖6 目標(biāo)靶階段坐標(biāo)系Z軸方向計(jì)算

3.4.3 元素坐標(biāo)系

元素坐標(biāo)系主要用于復(fù)雜表面，如某一面定日鏡由很多小子鏡面組成，那么在對(duì)定日鏡建立一個(gè)階段坐標(biāo)系后，可以針對(duì)每個(gè)小子鏡面分別建立元素坐標(biāo)系（一個(gè)子面鏡作為一個(gè)元素）。元素坐標(biāo)系在階段坐標(biāo)系中的原點(diǎn)位置和目標(biāo)點(diǎn)位置與階段坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中的定義類似，計(jì)算方法也類似，此處不再詳述。對(duì)于本實(shí)例，將定日鏡作為一個(gè)整體，目標(biāo)靶也作為一個(gè)整體，因此設(shè)置定日鏡的元素坐標(biāo)系與階段坐標(biāo)系是同一個(gè)坐標(biāo)系，目標(biāo)靶的元素坐標(biāo)系與階段坐標(biāo)系也是同一個(gè)坐標(biāo)系。

定日鏡元素坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)在其階段坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（0，0，0），目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，1）；同理，目標(biāo)靶元素坐標(biāo)系在其階段坐標(biāo)系中的原點(diǎn)為（0，0，0），目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，1）。

3.4.4 定日鏡與目標(biāo)靶設(shè)置

定日鏡的反射過程是一個(gè)物理作用過程，因此在Stage Properties選項(xiàng)卡中選擇Multiple Hits Per Ray（光學(xué)）。Global Coordinates選項(xiàng)卡中的參數(shù)設(shè)置如下：

在Element Editing選項(xiàng)卡中選擇Insert Element來插入新的元素，如一個(gè)定日鏡由50個(gè)子面鏡構(gòu)成，需要對(duì)每個(gè)子面鏡進(jìn)行描述，就需要插入50個(gè)元素，也就相當(dāng)于新建了50個(gè)元素坐標(biāo)系。本實(shí)例中，定日鏡只有一個(gè)元素坐標(biāo)系，就是定日鏡表面本身，則其參數(shù)設(shè)置為：

單擊Aperture以設(shè)置每個(gè)元素的表面形狀及尺寸，如圖7所示。本實(shí)例中定日鏡形狀選擇為矩形，長(zhǎng)寬如前所述，單擊Surface選擇定日鏡的面型為圓形，焦距為166.7 m，因此參數(shù)設(shè)置為1/166.7= 0.006。

圖7 定日鏡面型及尺寸設(shè)置

針對(duì)定日鏡的元素，設(shè)置光線的相互作用為Reflection，并且需要將元素與前一個(gè)光學(xué)特性相對(duì)應(yīng)。本實(shí)例中，定日鏡元素的光學(xué)特性對(duì)應(yīng)Optical Properties選項(xiàng)卡中的Heliostat，圖8為定日鏡參數(shù)設(shè)置窗口。

圖8 定日鏡參數(shù)設(shè)置窗口

同理，設(shè)置目標(biāo)靶的參數(shù)，這里需要特別注意的是，圖8中紅框部分必須與藍(lán)框部分相連接，否則整個(gè)程序無法運(yùn)行。

3.5 仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

在仿真設(shè)計(jì)界面，參數(shù)可以選擇為默認(rèn)參數(shù)。其中的Optical Errors選項(xiàng)卡用于設(shè)置誤差，需要特別關(guān)注，如圖9所示。

圖9 誤差設(shè)置

Include Sun Shape指的是引入太陽(yáng)形狀帶來的誤差，誤差類型在第一步Sun Shape中定義，本實(shí)例選擇考慮太陽(yáng)形狀誤差，誤差類型為Pillbox。Include Optical Errors為引入鏡面光學(xué)誤差，本實(shí)例中選擇考慮此誤差，誤差類型為Gaussian。單擊界面中的Start NewTrace可以進(jìn)行仿真，并得出仿真結(jié)果。

在Results界面可以查看光線追蹤的過程、能流密度分布圖，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出等處理。圖10為本實(shí)例光線追蹤的過程。

圖10 光線追蹤過程

圖10中左側(cè)可以選擇需要顯示的元素，本實(shí)例中設(shè)置定日鏡及目標(biāo)靶均進(jìn)行顯示。Plot Paths of Ray選項(xiàng)可以選擇光線的光路，值得注意的是，示例中設(shè)置為1-100的含義是顯示1～100條光線的路線。DNI for Calculations指當(dāng)前仿真所用的太陽(yáng)直射輻射值。

如圖11所示為光斑能流密度分布情況。

圖11 光斑能流密度分布情況

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者利用一個(gè)實(shí)例詳細(xì)介紹了應(yīng)用SolTrace軟件仿真定日鏡成像的過程及注意事項(xiàng)，并得出了仿真結(jié)果。從結(jié)果可知，SolTrace設(shè)置靈活，描述精確，能夠滿足定日鏡光學(xué)仿真的要求。

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（編輯：爾東）

The characteristic analysis of the light spot formed by the heliostat in the tower-type optothermal power station is the basis in design,optimization and control of the whole system.The SolTrace software was used to simulate imaging of the heliostat light spot,and the parameter setting in the simulation process was introduced in detail.

定日鏡；光斑；計(jì)算機(jī)；仿真

Heliostat；Light Spot；Computer；Simulation

TH122；TM651+.1

A

1672-0555（2017）02-044-05

2016年8月

王魏（1986—），女，碩士，助理工程師，主要從事太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)、工業(yè)過程控制方法等研究工作。