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

上海電氣集團股份有限公司中央研究院上海200070

對塔式光熱電站中定日鏡所形成的光斑進行特性分析是整個系統設計、優化、控制的基礎。應用SolTrace軟件對定日鏡光斑成像進行了仿真研究，并對仿真過程中的參數設置進行了詳細介紹。

1 課題背景

塔式光熱發電技術是近年來各國研究的熱點之一。在塔式光熱電站中，大量定日鏡所組成的系統稱為聚光系統，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光線定向反射到塔頂的吸熱器上,從而將太陽能轉化為熱能[3]。對于聚光系統而言，定日鏡的光學分析是電站設計、優化、控制必不可少的一環。目前，常用的光學設計分析軟件主要有ASAP、DELSOL、HELIOS、MIRVAL、SolTrace等，文獻[4]對這些軟件進行了詳細介紹。其中，SolTrace是一款用于光學系統建模與分析的工具，由美國國家可再生能源實驗室（NREL）于2003年開發。這一軟件具備良好的通用性，能夠仿真各種復雜光學系統，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分析。然而由于各種原因，目前SolTrace已經不再更新和維護，最新版本為2012年7月9日更新版。另一方面，關于SolTrace的使用和說明文檔并不多[5]，示例也較少，而其參數設置則較為復雜，筆者首先對SolTrace進行概述，然后通過一個實例說明其應用過程及注意事項。

2 SolTrace概述

圖1為SolTrace的主窗口，最上端為菜單欄，左側為仿真各階段用的選項卡，右側為對應于各個選項卡的設置窗口。

SolTrace將整個仿真過程分為五個階段。

第一個階段為太陽位置及形狀設置。可通過單擊軟件左側Sun Shape選項卡來打開設置窗口。這一階段主要用于定義太陽的位置及太陽的形狀。太陽的位置主要用于表征太陽的入射光線，可通過兩種方式來指定：①輸入當地的緯度、年積日[6]（即仿真日期為當年的第幾天）及時間；②直接指定太陽在全局坐標系中的坐標。太陽形狀主要用于引入太陽光線不平行度及輻射能量不均勻的影響。太陽輻射穿過地球大氣層時，會與大氣中半徑大于光波波長的粒子相互作用，產生散射現象，使太陽圓盤的直徑拓寬，形成太陽周邊區域。太陽輻射的能量不是均勻分布的,而是從太陽圓盤到其周邊區域逐漸衰減的[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測的數據，從而定義太陽形狀。

圖1 SolTrace主窗口

第二階段為光學特性定義。這一階段用于定義仿真中涉及到的實物（如定日鏡、吸熱器）的表面光學特性，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。

第三階段為系統定義。這一階段用于定義仿真中設計實物的具體位置、姿態等。這一階段尤為重要，也是整個軟件使用中比較難的一環，涉及三種不同坐標系之間的轉換關系：全局坐標系、階段坐標系、元素坐標系。首先需要定義階段坐標系在全局坐標系中的原點及目標點位置，從而定義階段坐標系的Z軸方向，而后定義階段坐標系繞Z軸的旋轉方向，從而定義XOY平面。同理，需要定義元素坐標系在階段坐標系中的原點及目標點位置，從而定義元素坐標系的Z軸方向，而后定義元素坐標系繞Z軸的旋轉方向，從而定義XOY平面。

第四階段為仿真設置。這一階段主要是設置光線追蹤的點數、條數，以及仿真時中央處理器（CPU）的使用數等。這一階段的參數一般不用更改。

第五階段為仿真結果輸出。這一階段主要是顯示仿真結果，如光線追蹤的整個過程、能流密度分布圖，以及整個仿真過程所生成的數據。數據可以復制和導出。

圖2所示為應用SolTrace仿真的操作流程圖。

圖2 SolTrace仿真操作流程圖

3 仿真實例

以下通過一個實例來說明SolTrace的應用過程及注意事項。

3.1 實例說明

選用西班牙PSA電站的一款名為C2的定日鏡。西班牙經緯度設置為（-2.37,36.84），經緯度設置規則詳見文獻[6]。定日鏡規格為：長6.677 8 m，寬6.819 m，焦距166.7 m。測試及仿真時間為2004年9月7日12：53：35。測量時定義的鏡場坐標系如下：正東方向為X軸正方向，正北方向為Y軸正方向，天頂方向為Z軸正方向，此坐標系符合右手定則。則定日鏡在此鏡場坐標系下的坐標為（-50, 155,6.23），目標靶在此鏡場坐標系下的坐標為（0,0.74,35.16）[8]。

基于以上數據，計算并設置SolTrace中的參數。

3.2 太陽參數設置

首先設置太陽位置，按第一種設置方法可為：

其中Day為年積日，當年為平年時：

當年為閏年時：

式中：floor為向下取整標記；m為月份，D為月中的日序，即第幾日。

Hour的計算方法為：

式中：H為小時數；Min為分鐘數；Sec為秒數。

按第二種方法，可設置為：

設置這三個參數，首先需要計算出太陽的方位角、高度角，計算方法詳見文獻[9]，然后根據以下公式計算出太陽在全局坐標系中的位置：

式中：αS為太陽高度角，以平行于地平面為0°；γS為太陽方位角，以正南方向為0°，上午為負，下午為正。

此處太陽形狀選擇Pillbox分布。

3.3 光學特性

本實例涉及兩個表面，一個是定日鏡表面，一個是目標靶表面。需要單擊Optical Properties選項卡來生成兩個表面的光學特性設置界面，分別命名為Heliostat和Receive。這部分的參數設置比較好理解，筆者不再詳述。

3.4 系統設計

此部分為SolTrace設置中最復雜的。本實例涉及兩個實物，光路也經歷兩個過程：①從太陽出發，入射至定日鏡表面；②從定日鏡表面反射至目標靶。針對這兩個光線過程，通過SystemStages選項卡生成兩個過程的設計，同樣分別命名為Heliostat和Receive。

3.4.1 全局坐標系

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

圖3 全局坐標系

3.4.2 階段坐標系

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

圖4 定日鏡階段坐標系

對于定日鏡階段坐標系而言,坐標系原點為定日鏡中心點,則此原點在全局坐標系中的位置為（50,6.23,155），即CoorH，o=（50，6.23，155），CoorH，o為定日鏡階段坐標系的原點。從階段坐標系的原點到目標點的一個向量即為此坐標系的Z軸方向，即：

式中：CoorH，A為定日鏡階段坐標系的目標點，nH為定日鏡階段坐標系的Z軸方向或法向方向。

如圖5所示，定日鏡的Z軸方向計算方法如下[10]：

圖5 定日鏡階段坐標系Z軸方向計算

這里的nH可以不是單位向量，則：

對于目標靶階段坐標系而言,其坐標系原點為目標靶中心點,即CoorR，o=（0，35.16，0.74）。定義其Z軸方向為目標靶朝向定日鏡且靶面垂直于地面的方向。目標靶階段坐標系的Z軸方向計算方法如下[7]：目標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系的原點，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，可以得到相應坐標。靶面的法線為nR向Y軸平移至靶面中心點，因此靶面的法向量為（50,0,154.26），則目標靶階段坐標系的目標點在全局坐標系中的位置為：

圖6 目標靶階段坐標系Z軸方向計算

3.4.3 元素坐標系

元素坐標系主要用于復雜表面，如某一面定日鏡由很多小子鏡面組成，那么在對定日鏡建立一個階段坐標系后，可以針對每個小子鏡面分別建立元素坐標系（一個子面鏡作為一個元素）。元素坐標系在階段坐標系中的原點位置和目標點位置與階段坐標系在全局坐標系中的定義類似，計算方法也類似，此處不再詳述。對于本實例，將定日鏡作為一個整體，目標靶也作為一個整體，因此設置定日鏡的元素坐標系與階段坐標系是同一個坐標系，目標靶的元素坐標系與階段坐標系也是同一個坐標系。

定日鏡元素坐標系的坐標原點在其階段坐標系下的坐標為（0，0，0），目標點坐標為（0，0，1）；同理，目標靶元素坐標系在其階段坐標系中的原點為（0，0，0），目標點坐標為（0，0，1）。

3.4.4 定日鏡與目標靶設置

定日鏡的反射過程是一個物理作用過程，因此在Stage Properties選項卡中選擇Multiple Hits Per Ray（光學）。Global Coordinates選項卡中的參數設置如下：

在Element Editing選項卡中選擇Insert Element來插入新的元素，如一個定日鏡由50個子面鏡構成，需要對每個子面鏡進行描述，就需要插入50個元素，也就相當于新建了50個元素坐標系。本實例中，定日鏡只有一個元素坐標系，就是定日鏡表面本身，則其參數設置為：

單擊Aperture以設置每個元素的表面形狀及尺寸，如圖7所示。本實例中定日鏡形狀選擇為矩形，長寬如前所述，單擊Surface選擇定日鏡的面型為圓形，焦距為166.7 m，因此參數設置為1/166.7= 0.006。

圖7 定日鏡面型及尺寸設置

針對定日鏡的元素，設置光線的相互作用為Reflection，并且需要將元素與前一個光學特性相對應。本實例中，定日鏡元素的光學特性對應Optical Properties選項卡中的Heliostat，圖8為定日鏡參數設置窗口。

圖8 定日鏡參數設置窗口

同理，設置目標靶的參數，這里需要特別注意的是，圖8中紅框部分必須與藍框部分相連接，否則整個程序無法運行。

3.5 仿真設計及結果分析

在仿真設計界面，參數可以選擇為默認參數。其中的Optical Errors選項卡用于設置誤差，需要特別關注，如圖9所示。

圖9 誤差設置

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

在Results界面可以查看光線追蹤的過程、能流密度分布圖，并可以進行數據導出等處理。圖10為本實例光線追蹤的過程。

圖10 光線追蹤過程

圖10中左側可以選擇需要顯示的元素，本實例中設置定日鏡及目標靶均進行顯示。Plot Paths of Ray選項可以選擇光線的光路，值得注意的是，示例中設置為1-100的含義是顯示1～100條光線的路線。DNI for Calculations指當前仿真所用的太陽直射輻射值。

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 結束語

筆者利用一個實例詳細介紹了應用SolTrace軟件仿真定日鏡成像的過程及注意事項，并得出了仿真結果。從結果可知，SolTrace設置靈活，描述精確，能夠滿足定日鏡光學仿真的要求。

[1]周振捷，廖文俊.塔式光熱電站定日鏡場的發展現狀及技術創新趨勢[J].裝備機械，2012（2）：68-72.

[2]余強，徐二樹，常春，等.塔式太陽能電站定日鏡場的建模與仿真[J].中國電機工程學報，2012，32（23）：90-97.

[3]王魏，程松，謝文韜.塔式太陽能定日鏡聚光策略及其應用仿真[J].上海電氣技術，2014，7（3）：35-40.

[4]HOC K.Software and Codes for Analysis of Concentrating Solar Power Technologies[R].Albuquerque&Livermore：Sandia National Laboratories,2008.

[5]杜春旭，郭麗軍，王普，等.SOLTRACE入門與應用[J].太陽能，2011（21）：17-21，46.

[6]王魏.光伏發電雙軸跟蹤系統的軌跡設計與控制[D].上海：上海交通大學，2013.

[7]NEUMANN A,WITZKE A.JONES S A,et al.Representative Terrestrial Solar Brightness Profiles[J].Journal of Solar Energy Engineering，2002,124（2）：198-204.

[8]COLLADOF.One-point Fittingofthe FluxDensityProduced bya Heliostat[J].Solar Energy，2010,84（4）：673-684.

[9]REDA I，ANDREAS A.Solar Position Algorithm for Solar Radiation Applications[J].Solar Energy，2004,76（5）：577-589.

[10]王魏.定日鏡正北方向的校正算法及仿真分析[J].上海電氣技術，2015，8（4）：56-61.

（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；計算機；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，主要從事太陽能光熱發電系統控制技術、工業過程控制方法等研究工作。