基于SolTrace的定日镜光斑成像仿真

□王魏□张津□程松

上海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070

基于SolTrace的定日镜光斑成像仿真

□王魏□张津□程松

上海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070

对塔式光热电站中定日镜所形成的光斑进行特性分析是整个系统设计、优化、控制的基础。应用SolTrace软件对定日镜光斑成像进行了仿真研究，并对仿真过程中的参数设置进行了详细介绍。

1 课题背景

塔式光热发电技术是近年来各国研究的热点之一。在塔式光热电站中，大量定日镜所组成的系统称为聚光系统，这是塔式光热电站中最重要的组成部分[1-2]。定日镜的主要作用是将太阳光线定向反射到塔顶的吸热器上,从而将太阳能转化为热能[3]。对于聚光系统而言，定日镜的光学分析是电站设计、优化、控制必不可少的一环。目前，常用的光学设计分析软件主要有ASAP、DELSOL、HELIOS、MIRVAL、SolTrace等，文献[4]对这些软件进行了详细介绍。其中，SolTrace是一款用于光学系统建模与分析的工具，由美国国家可再生能源实验室（NREL）于2003年开发。这一软件具备良好的通用性，能够仿真各种复杂光学系统，可模拟多种形状的聚光器（如矩形、圆形、三角形等）及多种面型（如平面、抛物面、球面等）,十分适合于定日镜的光学分析。然而由于各种原因，目前SolTrace已经不再更新和维护，最新版本为2012年7月9日更新版。另一方面，关于SolTrace的使用和说明文档并不多[5]，示例也较少，而其参数设置则较为复杂，笔者首先对SolTrace进行概述，然后通过一个实例说明其应用过程及注意事项。

2 SolTrace概述

图1为SolTrace的主窗口，最上端为菜单栏，左侧为仿真各阶段用的选项卡，右侧为对应于各个选项卡的设置窗口。

SolTrace将整个仿真过程分为五个阶段。

第一个阶段为太阳位置及形状设置。可通过单击软件左侧Sun Shape选项卡来打开设置窗口。这一阶段主要用于定义太阳的位置及太阳的形状。太阳的位置主要用于表征太阳的入射光线，可通过两种方式来指定：①输入当地的纬度、年积日[6]（即仿真日期为当年的第几天）及时间；②直接指定太阳在全局坐标系中的坐标。太阳形状主要用于引入太阳光线不平行度及辐射能量不均匀的影响。太阳辐射穿过地球大气层时，会与大气中半径大于光波波长的粒子相互作用，产生散射现象，使太阳圆盘的直径拓宽，形成太阳周边区域。太阳辐射的能量不是均匀分布的,而是从太阳圆盘到其周边区域逐渐衰减的[7]。软件中提供了Gaussian及Pillbox两种分布方法，并且可以通过用户自定义来输入实测的数据，从而定义太阳形状。

图1 SolTrace主窗口

第二阶段为光学特性定义。这一阶段用于定义仿真中涉及到的实物（如定日镜、吸热器）的表面光学特性，包括反射率、透射率、表面误差、形状误差等，并且可以选择误差的类型，如Gaussian还是Pillbox等。

第三阶段为系统定义。这一阶段用于定义仿真中设计实物的具体位置、姿态等。这一阶段尤为重要，也是整个软件使用中比较难的一环，涉及三种不同坐标系之间的转换关系：全局坐标系、阶段坐标系、元素坐标系。首先需要定义阶段坐标系在全局坐标系中的原点及目标点位置，从而定义阶段坐标系的Z轴方向，而后定义阶段坐标系绕Z轴的旋转方向，从而定义XOY平面。同理，需要定义元素坐标系在阶段坐标系中的原点及目标点位置，从而定义元素坐标系的Z轴方向，而后定义元素坐标系绕Z轴的旋转方向，从而定义XOY平面。

第四阶段为仿真设置。这一阶段主要是设置光线追踪的点数、条数，以及仿真时中央处理器（CPU）的使用数等。这一阶段的参数一般不用更改。

第五阶段为仿真结果输出。这一阶段主要是显示仿真结果，如光线追踪的整个过程、能流密度分布图，以及整个仿真过程所生成的数据。数据可以复制和导出。

图2所示为应用SolTrace仿真的操作流程图。

图2 SolTrace仿真操作流程图

3 仿真实例

以下通过一个实例来说明SolTrace的应用过程及注意事项。

3.1 实例说明

选用西班牙PSA电站的一款名为C2的定日镜。西班牙经纬度设置为（-2.37,36.84），经纬度设置规则详见文献[6]。定日镜规格为：长6.677 8 m，宽6.819 m，焦距166.7 m。测试及仿真时间为2004年9月7日12：53：35。测量时定义的镜场坐标系如下：正东方向为X轴正方向，正北方向为Y轴正方向，天顶方向为Z轴正方向，此坐标系符合右手定则。则定日镜在此镜场坐标系下的坐标为（-50, 155,6.23），目标靶在此镜场坐标系下的坐标为（0,0.74,35.16）[8]。

基于以上数据，计算并设置SolTrace中的参数。

3.2 太阳参数设置

首先设置太阳位置，按第一种设置方法可为：

其中Day为年积日，当年为平年时：

当年为闰年时：

式中：floor为向下取整标记；m为月份，D为月中的日序，即第几日。

Hour的计算方法为：

式中：H为小时数；Min为分钟数；Sec为秒数。

按第二种方法，可设置为：

设置这三个参数，首先需要计算出太阳的方位角、高度角，计算方法详见文献[9]，然后根据以下公式计算出太阳在全局坐标系中的位置：

式中：αS为太阳高度角，以平行于地平面为0°；γS为太阳方位角，以正南方向为0°，上午为负，下午为正。

此处太阳形状选择Pillbox分布。

3.3 光学特性

本实例涉及两个表面，一个是定日镜表面，一个是目标靶表面。需要单击Optical Properties选项卡来生成两个表面的光学特性设置界面，分别命名为Heliostat和Receive。这部分的参数设置比较好理解，笔者不再详述。

3.4 系统设计

此部分为SolTrace设置中最复杂的。本实例涉及两个实物，光路也经历两个过程：①从太阳出发，入射至定日镜表面；②从定日镜表面反射至目标靶。针对这两个光线过程，通过SystemStages选项卡生成两个过程的设计，同样分别命名为Heliostat和Receive。

3.4.1 全局坐标系

SolTrace中全局坐标系的定义为：正西方向为X轴正方向，正北方向为Z轴正方向，天顶方向为Y轴正方向，坐标原点可以自行定义，如图3所示。本实例中，原测量时镜场坐标系为图3中的X’Y’Z’坐标系，在此坐标系下，定日镜中心点（图3中镜面标红的圆点）及目标靶中心点（图3中靶面标红的圆点）的坐标分别为（-50,155,6.23）及（0,0.74,35.16）。由此可以看出，在XYZ坐标系中，定日镜和目标靶的坐标分别为：定日镜坐标LocH=（XH，YH，ZH）=（50，6.23，155），目标靶坐标LocR=（XR，YR，ZR）=（0，35.16，0.74）。

图3 全局坐标系

3.4.2 阶段坐标系

分别对定日镜及目标靶建立阶段坐标系，如图4所示。定日镜的阶段坐标系以镜面法向量为Z轴，以镜面两根几何中心线为X轴及Y轴。

图4 定日镜阶段坐标系

对于定日镜阶段坐标系而言,坐标系原点为定日镜中心点,则此原点在全局坐标系中的位置为（50,6.23,155），即CoorH，o=（50，6.23，155），CoorH，o为定日镜阶段坐标系的原点。从阶段坐标系的原点到目标点的一个向量即为此坐标系的Z轴方向，即：

式中：CoorH，A为定日镜阶段坐标系的目标点，nH为定日镜阶段坐标系的Z轴方向或法向方向。

如图5所示，定日镜的Z轴方向计算方法如下[10]：

图5 定日镜阶段坐标系Z轴方向计算

这里的nH可以不是单位向量，则：

对于目标靶阶段坐标系而言,其坐标系原点为目标靶中心点,即CoorR，o=（0，35.16，0.74）。定义其Z轴方向为目标靶朝向定日镜且靶面垂直于地面的方向。目标靶阶段坐标系的Z轴方向计算方法如下[7]：目标靶指向定日镜的向量为(50，-28.93，154.26)，如图6所示，将此向量移至全局坐标系的原点，并得到此向量在XOZ平面的投影nR，从nR分别向X、Z轴作垂线，可以得到相应坐标。靶面的法线为nR向Y轴平移至靶面中心点，因此靶面的法向量为（50,0,154.26），则目标靶阶段坐标系的目标点在全局坐标系中的位置为：

图6 目标靶阶段坐标系Z轴方向计算

3.4.3 元素坐标系

元素坐标系主要用于复杂表面，如某一面定日镜由很多小子镜面组成，那么在对定日镜建立一个阶段坐标系后，可以针对每个小子镜面分别建立元素坐标系（一个子面镜作为一个元素）。元素坐标系在阶段坐标系中的原点位置和目标点位置与阶段坐标系在全局坐标系中的定义类似，计算方法也类似，此处不再详述。对于本实例，将定日镜作为一个整体，目标靶也作为一个整体，因此设置定日镜的元素坐标系与阶段坐标系是同一个坐标系，目标靶的元素坐标系与阶段坐标系也是同一个坐标系。

定日镜元素坐标系的坐标原点在其阶段坐标系下的坐标为（0，0，0），目标点坐标为（0，0，1）；同理，目标靶元素坐标系在其阶段坐标系中的原点为（0，0，0），目标点坐标为（0，0，1）。

3.4.4 定日镜与目标靶设置

定日镜的反射过程是一个物理作用过程，因此在Stage Properties选项卡中选择Multiple Hits Per Ray（光学）。Global Coordinates选项卡中的参数设置如下：

在Element Editing选项卡中选择Insert Element来插入新的元素，如一个定日镜由50个子面镜构成，需要对每个子面镜进行描述，就需要插入50个元素，也就相当于新建了50个元素坐标系。本实例中，定日镜只有一个元素坐标系，就是定日镜表面本身，则其参数设置为：

单击Aperture以设置每个元素的表面形状及尺寸，如图7所示。本实例中定日镜形状选择为矩形，长宽如前所述，单击Surface选择定日镜的面型为圆形，焦距为166.7 m，因此参数设置为1/166.7= 0.006。

图7 定日镜面型及尺寸设置

针对定日镜的元素，设置光线的相互作用为Reflection，并且需要将元素与前一个光学特性相对应。本实例中，定日镜元素的光学特性对应Optical Properties选项卡中的Heliostat，图8为定日镜参数设置窗口。

图8 定日镜参数设置窗口

同理，设置目标靶的参数，这里需要特别注意的是，图8中红框部分必须与蓝框部分相连接，否则整个程序无法运行。

3.5 仿真设计及结果分析

在仿真设计界面，参数可以选择为默认参数。其中的Optical Errors选项卡用于设置误差，需要特别关注，如图9所示。

图9 误差设置

Include Sun Shape指的是引入太阳形状带来的误差，误差类型在第一步Sun Shape中定义，本实例选择考虑太阳形状误差，误差类型为Pillbox。Include Optical Errors为引入镜面光学误差，本实例中选择考虑此误差，误差类型为Gaussian。单击界面中的Start NewTrace可以进行仿真，并得出仿真结果。

在Results界面可以查看光线追踪的过程、能流密度分布图，并可以进行数据导出等处理。图10为本实例光线追踪的过程。

图10 光线追踪过程

图10中左侧可以选择需要显示的元素，本实例中设置定日镜及目标靶均进行显示。Plot Paths of Ray选项可以选择光线的光路，值得注意的是，示例中设置为1-100的含义是显示1～100条光线的路线。DNI for Calculations指当前仿真所用的太阳直射辐射值。

如图11所示为光斑能流密度分布情况。

图11 光斑能流密度分布情况

4 结束语

笔者利用一个实例详细介绍了应用SolTrace软件仿真定日镜成像的过程及注意事项，并得出了仿真结果。从结果可知，SolTrace设置灵活，描述精确，能够满足定日镜光学仿真的要求。

[1]周振捷，廖文俊.塔式光热电站定日镜场的发展现状及技术创新趋势[J].装备机械，2012（2）：68-72.

[2]余强，徐二树，常春，等.塔式太阳能电站定日镜场的建模与仿真[J].中国电机工程学报，2012，32（23）：90-97.

[3]王魏，程松，谢文韬.塔式太阳能定日镜聚光策略及其应用仿真[J].上海电气技术，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，郭丽军，王普，等.SOLTRACE入门与应用[J].太阳能，2011（21）：17-21，46.

[6]王魏.光伏发电双轴跟踪系统的轨迹设计与控制[D].上海：上海交通大学，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.定日镜正北方向的校正算法及仿真分析[J].上海电气技术，2015，8（4）：56-61.

（编辑：尔东）

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.

定日镜；光斑；计算机；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，硕士，助理工程师，主要从事太阳能光热发电系统控制技术、工业过程控制方法等研究工作。