SOLTRACE入门与应用

■ 杜春旭 郭丽军 王普 吴玉庭 马重芳

(1.北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室；2.中国机械工业信息研究院)

一 简介

太阳能聚光热发电系统(CSP)的优化与设计必须分析其聚光镜场光学子系统的性能。大量实验性工作证明，熟练掌握用户界面友好的相关仿真软件对设计、仿真以及优化CSP系统的各个组件是非常必要的。当前，主要用于CSP系统分析仿真的软件被分成两类，一种致力于系统优化，另一种用于进行详细的系统光学性能分析。当前国际上常用的软件代码主要有UHC、DELSOL、HFLCAL、MIRVAL、FIAT LUX和SOLTRACE。其中UHC、DELSOL、HFLCAL可用于系统优化，而MIRVAL、FIAT LUX和SOLTRACE则常用于系统光学性能分析[1,2]。

SolTrace是一款由美国国家可再生能源实验室(NREL)开发，用于太阳能发电光学系统建模与性能分析的软件工具，是现有该类软件中为数不多的能够仿真各种复杂光学系统的仿真分析工具。目前，SolTrace可从网络免费下载[3]。尽管SolTrace软件开发初期主要是用于太阳能应用，但是也可用于通用光学系统的仿真与性能分析。SolTrace运用射线追踪法可快速准确地给出仿真结果，以散点图、热流密度分布图及光学性能图的格式进行仿真结果数据的显示与存储。SolTrace已被美国能源部(DOE)的相关研究人员用于对新型、复杂的太阳能光学设计进行仿真与性能预测。

SolTrace光学分析原理是利用射线追踪法[4]。射线追踪法是从表面1随机选择一组射线，然后观察哪些射线到达表面2，基本辐照度与收集的射线数量成线性比例关系。对于只有一个反射面的聚光器，这种算法需要用两次，第一次在太阳与反射表面之间，运用与能量相关的分布。第二次在反射表面与接收器之间，运用由于反射表面各种误差引起的误差统计法则。用户可选择被追踪的射线数量，每条射线在整个光学系统中被跟踪，当遇到不同的光学元件会产生相应的相互作用，这些相互作用可通过概率分布的方式描述，如从太阳辐射强度的角度概率分布中选择太阳射线的入射角度，也可以是确定性描述，如计算射线与光学面的交点以及射线转向结果等[5]。

射线追踪法的优点是再现了光子的运动轨迹，能对复杂的、不便建模的光学系统进行精确的仿真，缺点是处理时间过长。仿真精度取决于被追踪的射线数量，数量越大，精度越高，但处理时间也越长，另外，复杂的坐标变换将消耗更长的运行时间。当然，射线数量选取与仿真目的有关，如果需要讨论太阳能聚光系统在不同太阳位置条件下光学效率的相对变化问题，则可以少一些射线；若需要分析接收器的热流密度分布，则需要更多的射线。因此，用户需要根据自身的分析目的，对射线数量进行合理有效的选择。

二 使用方法

1 软件概述

SolTrace下载完成后为可执行的setup文件，双击文件进行安装，安装后产生可执行程序、用户使用文档和应用样例。软件最小运行条件为Win2000操作系统、128M系统内存和1024×768的显示器。

在SolTrace软件中，光学系统在全局坐标系统内以进程的方式进行组织。一个进程就是一个光学几何部分，太阳射线按进程序号先后进入进程中，根据光学特性改变射线轨迹。一旦射线退出某一进程，在剩下的轨迹中将不再进入该进程。一个完整的光学系统可能包括一个或多个进程。建立进程概念是为了高效执行光线追踪，节省运行计算时间。同时，进程也可被保存并被其他光学系统应用，而不必重新定义一些繁杂的几何位置参量。进程由元素组成，而元素由光学表面、与射线的相互作用类型、孔径形状以及一系列的光学特性组成。进程的位置和方向在全局坐标系统中定义，元素的位置和方向在相应的进程坐标系统中指出。

进程分为两种类型——光学类型和虚拟类型。光学类型进程是指射线在该进程中会与进程包含的元素有实质上的光学作用，如反射、折射等，也就是说，光学进程中的元素可改变射线轨迹，具有一定的光学特性。相反，虚拟类型进程中的元素与射线没有实质上的相互作用，设置虚拟类型进程是为了方便观察射线在光路中位置和方向，并不会影响射线轨迹，所以虚拟类型进程中定义的元素也没有光学特性。除了上述特点外，光学进程与虚拟类型进程在软件中的定义与使用均相同。进程可被复制、移动、保存并能在其他光学几何系统中调用。

SolTrace使用三个右手规则的坐标系统，分别为全局坐标系统、进程坐标系统与元素坐标系统。三个坐标系可通过平移与旋转相互转换。全局坐标的设置至关重要，代表镜场的绝对方位，太阳位置与绝对方位有关，当全局坐标确定后，太阳位置矢量的表述也将确定。SolTrace所使用的全局坐标系统中，X轴指向正西，Y轴指向天顶，Z轴指向正北，如图1所示。

图中S为单位太阳位置矢量；i、j、k分别为正西、天顶、正北方向单位矢量；α为高度角；γ为方位角，规定方位角由正南算起；向西为正，向东为负，取值范围为(−180¡～180¡)。下标s表示太阳矢量。由此可以用太阳高度角和方位角以矢量的形式表述单位太阳矢量S，如式(1)。

2 软件使用

SolTrace以项目管理的方式来组织系统仿真，首先启动SolTrace主窗口。通过下拉菜单Project，选择New Project，新建一个项目，将打开项目窗口。项目窗口包括两个子窗口——项目定义子窗口与追踪处理子窗口。通过对项目设计子窗口中相关参数的输入，完成几何光学系统设计，然后通过追踪处理子窗口，对该几何光学系统利用基于蒙特卡洛射线追踪法，进行可视化的数据处理与存储。

项目定义分两个步骤，首先单击“Sun”，打开与太阳有关的参数设计项，如图2所示。

SolTrace中相关太阳的设置定义主要分为两部分，太阳辐射能量分布(Sunshape)定义与太阳位置定义。其中为太阳辐射能量分布定义提供3个选项，分别为高斯正态分布、均匀分布和基于用户数据的其他分布。太阳辐射能量分布主要由大气微观颗粒散射造成，使得太阳中心区域辐照度高于太阳轮廓的边缘区域，选择不同太阳轮廓区域，太阳辐照度呈现一定的分布规律[6]。一般认为在太阳的半张角δ=4.65mrads范围内，太阳辐照度恒定，用户也可选择符合高斯正态分布或通过输入自己的实测数据来进一步完善，细化太阳辐射能量分布设计。因太阳辐射能量分布问题本身复杂多变，所以本文不予详述，一般选择图中选项即可。其中Half-width为太阳半张角16'，换算为弧度单位为4.65mrads。

SolTrace中太阳位置可通过两种方法定义，选择Global Coordinates选项，太阳位置由用户以全局坐标的形式给出，在这种方式下，用户可不用拘泥于软件中对全局坐标方位的具体定义，只需在应用中坐标统一便可，但在仿真结果显示方面会以软件默认方向显示。选择Latitude、Day of Year、Local Hour选项，太阳位置以默认形式给出，X轴指向正西，Y轴指向天顶，Z轴指向正北，该选项由当地纬度、一年中的日序以及当地时间组成，由于输入没有考虑当地地理经度，所以输入的时间是指标准世界时，即格林尼治时间。如想考虑当地经度，则在时间输入时应计算当地时差，本文不作详细论述，可参考相关文献[7,8]。有关太阳的参数输入完成后点击Done，该窗口关闭，相应的项目设计窗口会做出标记。

第二步需要对系统光学几何参数进行设置，单击项目设计窗口中Optical Geometry…键，打开项目中聚光/吸热器几何参数输入窗口，然后单击输入数据栏中的Define System Geometry按钮，打开相应窗口。

光学几何参数定义窗口中首先确定系统的进程数以及每一进程所包含的元素个数，同时通过点击相应进程类型单选项选择进程类型为光学类型或虚拟类型。如图3中指定一个进程，相应类型为光学类型。窗口中部为进程、元素等项的编辑窗口，可以对进程、元素进行删除、插入、保存等操作。该窗口中，几何参数的正确设置是关系系统能否正确仿真的重要参数。首先设置进程的坐标系统，如图中蓝色部分，第1行指定进程坐标原点在全局坐标系统中的位置，图中设定进程坐标原点为全局坐标原点，第2行指定全局坐标内一点，由进程坐标原点与该点的射线指定进程坐标系的Z轴方向Zstage，第2行第4列设置进程Z轴的逆时针旋转角度(面向Z轴)，图中设为180¡。进程坐标系统设置完后，接下来设置进程内元素的光学几何性质参数。元素设置栏前三列为元素坐标系原点在进程坐标系统中的位置，接下来三列指定进程坐标系内一点，元素坐标系原点与该点的射线为元素坐标系的Z轴方向Zelement。图4为依图3中坐标参数设置后，各个坐标系统的示意图。

用户也可根据自身的需求以及实际系统的相对几何关系进行更加复杂的设计。坐标系设置完成后，便可进一步细化元素的其他参数。首先设置孔径类型(Aperture Type)和表面类型(Surface Type)两项。孔径与表面是两个不同的概念，简单地说，孔径是指光学元素有效接受太阳辐射的开口形状，除非表面是平面，多数情况下孔径不是物理实际存在的。表面是指元素的实际光学表面形状。选中元素设置栏中的孔径类型项，相应Define栏中的Aperture按钮高亮显示，单击后弹出孔径定义窗口，通过孔径类型的下拉选项可以选择元素的孔径类型。SolTrace提供了多种孔径类型可供用户选择，如圆形、六边形、三角形、矩形等，用户可根据实际仿真具体定义。

下一步选中元素的光学表面类型项，相应Define栏中的Surface按钮高亮显示，单击后弹出光学表面定义窗口，可详细描述元素的光学表面形状，SolTrace提供多种表面类型，如抛物面、椭圆面、平面等，用户可以对其参数进行详细定义。

选中元素设置栏中的光学类型项(optic type)，相应Define栏中的optic type按钮高亮显示，单击后弹出光学类型选择窗口。目前SolTrace提供折射型(1)与反射型(2)，选中所需的单选项，按Done键确认，在相应的元素设置栏中以数字的方式表示，也可在光学类型项中直接输入相应数字。

元素设置栏中的最后一项为元素的光学性质项(properties)，选中后，Define栏中的OPT Data按钮高亮显示，单击后弹出光学性质定义窗口。元素光学性质的设置包括正面(Front)与背面(Back)，主要是设置表面的折射率(Refraction indices)、反射率(Reflectivity)与透射率(Transmissivity)以及元素的相关误差。光学元件的光学特性可由反射率、透射率与吸收率描述，三者的和为1。对于理想的镜反射元素，可以设置反射率为1，透射率为0，则镜面的吸收率为0。元素误差可以分为外形误差(slope)与镜反射误差(specularity)，简单地说，外形误差表征元素在光学系统中的宏观误差，而镜反射误差表征系统的微观特性。详细论述可参考相关文献[9,10]。元素的光学性质设置完成后需要保存退出，保存文件的后缀为.opt文件，用户可选择文件保存路径。

光学几何参数设置完成后，单击Done，系统将提示用户保存文件，文件的后缀为.geo文件。保存后，系统返回项目窗口，此时，项目定义窗口将做出相应的标记。

项目定义完成后，便可利用射线追踪法进行仿真分析。首先单击Trace/Results窗口中的Trace按钮，打开项目追踪定义窗口。

Number of Rays栏用于输入射线数量，射线数量一般由用户定义，数量越多，仿真精度越高，但耗时也越长。当用于分析照亮区域、阴影等问题时，射线数量可以少些；用于分析吸热器热流密度时，射线数量应该多一些。Direct Mormal Insol.栏用于输入法线直接辐照度，一般输入1000，表示1kW/m2，当然也可以输入当地的实测值。Seed for RNG栏用于产生随机射线，可以直接选择系统默认值。在窗口中Includ:后提供两个选项，分别为SunShape与Optical Errors，表示仿真时是否考虑太阳能量分布与元素的光学误差，用户可根据仿真需求精度选中或取消。Description栏显示系统光学几何设置后所保存的.geo文件名，输入完成后，单击Trace按钮，开始仿真计算，仿真完毕后，Done按钮高亮显示，单击Done按钮，软件返回项目窗口。然后点击Plot…按钮，出现仿真结果图形分析窗口(图5)。在Stages栏中选择进程编号，然后在Elements栏中选择相应的元素，单击Plot Surface Intersection Points按钮，在窗口左侧将显示仿真结果。仿真结果图形分析窗口中有多个选项栏可供用户选择，用以提供用户需求的结果图形显示方式，如显示结果的坐标系选择、显示射线的数量等，同时还可对元素的辐射通量密度进行分析，如Surface Plot of Flux按钮与Contour Plot of Flux按钮，点击后将会显示所选元素的表面辐射通量分布或辐射通量分布的等高图。

三 仿真应用

结合上述对SolTrace软件的介绍，就线性菲涅耳太阳能聚光系统仿真举例应用。由文献[11]可得到线性菲涅耳镜场的相关几何矢量计算公式。对于东经116.478¡E、北纬39.8751¡N的某实际地理位置，首先由太阳位置算法计算当地太阳高度角、方位角，然后由公式(1)计算太阳矢量。如计算当地时间为2009年1月1日12时，该地的单位太阳矢量方向余弦分别为：

Xs=−0.012367，Ys=0.47465，Zs=−0.88009

在图2中选用全局坐标系，将上述值分别写入相应坐标栏内。在图3中的光学几何参数窗口中，设置2个进程，均为光学类型进程。进程1为菲涅耳反射镜场，包含20个元素，每个元素的具体设置如图6，元素孔径设为10×0.4矩形，表面类型为平面，其中坐标参数的计算可用矢量法得到。进程2包含1个元素，表示吸热器，置于镜场中央上方7.4m高处，元素孔径设为10×0.4矩形，表面类型为平面。射线数量设置为100000，仿真结果显示第1～50条射线。

仿真结果如图7所示，可以看到，每个菲涅耳镜元将入射光反射至吸热器。

图8显示吸热器表面的热流密度分布，在直接法线辐照度为1000W/m2的条件下，吸热器表面热流密度峰值为18kW/m2，均值为13.5kW/m2。由图8可知，吸热器上光斑宽度略有增加，且随着光斑宽度的增加，热流密度阶梯状减少，这与线性菲涅耳镜场的特点完全相符。

四 结语

综上所述，SolTrace是一款用于太 阳能发电系统的免费的仿真分析工具软件，用户界面友好，能适用于各种太阳能电厂光学组件的性能分析，目前已被广泛应用。但是，它需要对各种镜场的几何外形及坐标进行精确描述，所以，对没有实际经验的用户，使用起来相对繁琐。它不仅能用于塔式、槽式、线性菲涅耳等光学性能分析，还可根据用户自身需求，设计仿真各种未知的复杂光学系统。该程序用Delphi高级语言编写，基于射线追踪法，计算效率与精度均较高，是一款非常灵活实用、值得推荐的太阳能利用仿真分析工具。

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