SOLTRACE入门与应用

术与产品[阳能SOL TRACE入门与应用■杜春旭’郭丽军2王普'吴玉庭'马重芳1(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摘要:详细描述了 SolTrace的各项功能及使用方法,最后以线性菲涅耳聚光反射系统为例给出具体的应用。关键词:太阳能; Soltrace,光学仿真;线性菲涅耳简介源部DOE)的相关研究人员用于对新型、复杂的太太阳能聚光热发电系统(CSP)的优化与设计必阳能光学设计进行仿真与性能预测须分析其聚光镜场光学子系统的性能。大量实验SolTrace光学分析原理是利用射线追踪法。性工作证明,熟练掌握用户界面友好的相关仿真射线追踪法是从表面l随机选择一组射线,然后观软件对设计、仿真以及优化CSP系统的各个组件察哪些射线到达表面2,基本辐照度与收集的射线是非常必要的。当前,主要用于CSP系统分析仿数量成线性比例关系。对于只有一个反射面的聚真的软件被分成两类,一种致力于系统优化,另一光器,这种算法需要用两次,第一次在太阳与反射种用于进行详细的系统光学性能分析。当前国际表面之间,运用与能量相关的分布。第二次在反射上常用的软件代码主要有UHC、 DELSOL、表面与接收器之间,运用由于反射表面各种误差HFLCAL、 MIRVAL、 FIAT LUX和 SOLTRACE。引起的误差统计法则。用户可选择被追踪的射线其中UHC、 DELSOL、 HFLCAL可用于系统优化,数量,每条射线在整个光学系统中被跟踪,当遇到而MRⅤAL、 FIAT LUX和 SOLTRACE则常用于不同的光学元件会产生相应的相互作用,这些相系统光学性能分析12。互作用可通过概率分布的方式描述,如从太阳辐Solfrace是一款由美国国家可再生能源实验射强度的角度概率分布中选择太阳射线的入射角室(NREL)开发,用于太阳能发电光学系统建模与度,也可以是确定性描述,如计算射线与光学面的性能分析的软件工具,是现有该类软件中为数不交点以及射线转向结果等⑤。多的能够仿真各种复杂光学系统的伤真分析工具。射线迫踪法的优点是再现了光子的运动轨迹,目前, Soltrace可从网络免费下载吲。尽管 SolTrace能对复杂的、不便建模的光学系统进行精确的仿软件开发初期主要是用于太阳能应用,但是也可真,缺点是处理时间过长。仿真精度取决于被追踪用于通用光学系统的伤真与性能分析。 Soltrace运的射线数量,数量越大,精度越高,但处理时间也用射线追踪法可快速准确地给出仿真结果,以散越长,另外,复杂的坐标变换将消耗更长的运行时点图、热流密度分布图及光学性能图的格式进行间。当然,射线数量选取与仿真目的有关,如果需仿真结果数据的显示与存储 SoltraceH被美国能要讨论太阳能聚光系统在不同太阳位置条件下光学中国煤化工SOLAR ENERGY 21/2011HgCNMHG太阳能技术与产效率的相对变化问题,则可以少一些射线;若需要中调用。分析接收器的热流密度分布,则需要更多的射线。Soltrace使用三个右手规则的坐标系统,分因此,用户需要根据自身的分析目的,对射线数量别为全局坐标系统、进程坐标系统与元素坐标系进行合理有效的选择。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,太阳二使用方法位置与绝对方位有关,当全局坐标确定后,太阳位1软件概述置矢量的表述也将确定。 Solfrace所使用的全局坐Soltrace下载完成后为可执行的 setup文件标系统中,X轴指向正西,Y轴指向天顶,Z轴指双击文件进行安装,安装后产生可执行程序用户向正北,如图1所示。使用文档和应用样例。软件最小运行条件为win200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正北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个完整的光学系统可能包括一个或多个进程。建图1 Solfrace全局坐标系示意图立进程概念是为了高效执行光线追踪,节省运行图中S为单位太阳位置矢量;i、j、k分别为计算时间。同时,进程也可被保存并被其他光学系正西、天顶、正北方向单位矢量;a为高度角;y统应用,而不必重新定义一些繁杂的几何位置参为方位角,规定方位角由正南算起:向西为正,向量。进程由元素组成,而元素由光学表面、与射线东为负,取值范围为(-180°~1809)。下标s表示太的相互作用类型、孔径形状以及一系列的光学特阳矢量。由此可以用太阳高度角和方位角以矢量性组成。进程的位置和方向在全局坐标系统中定的形式表述单位太阳矢量S,如式(1)义,元素的位置和方向在相应的进程坐标系统中S=cosasinyi+sina j-cosacosyk指出。2软件使用进程分为两种类型——光学类型和虚拟类型。Solfrace以项目管理的方式来组织系统仿真,光学类型进程是指射线在该进程中会与进程包含首先启动 Soltrace主窗口。通过下拉菜单 Project,的元素有实质上的光学作用,如反射、折射等,也选择 New project,新建一个项目,将打开项目窗就是说,光学进程中的元素可改变射线轨迹,具有口项目窗口包括两个子窗口——项目定义子窗口一定的光学特性。相反,虚拟类型进程中的元素与与追踪处理子窗口。通过对项目设计子窗口中相关射线没有实质上的相互作用,设置虚拟类型进程参数的输入,完成几何光学系统设计,然后通过追是为了方便观察射线在光路中位置和方向,并不踪处理子窗口,对该几何光学系统利用基于蒙特卡会影响射线轨迹,所以虚拟类型进程中定义的元洛射线追踪法,进行可视化的数据处理与存储素也没有光学特性。除了上述特点外,光学进程与项目定义分两个步骤,首先单击“Sun”,打虚拟类型进程在软件中的定义与使用均相同。进开与太阳有关的参数设计项,如图2所示。程可被复制、移动、保存并能在其他光学几何系统StRaceYHa中国煤化工要分为两部CNMHGOLAR ENERGY 21/2011技术与产品太阳能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图2太阳定义窗口型或虚拟类型。如图3中指定一个进程,相应类型分,太阳辐射能量分布( Sunshade定义与太阳位置为光学类型。窗口中部为进程、元素等项的编辑窗定义。其中为太阳辐射能量分布定义提供3个选口,可以对进程、元素进行删除、插入、保存等操项,分别为高斯正态分布、均匀分布和基于用户数作。该窗口中,几何参数的正确设置是关系系统能据的其他分布。太阳辐射能量分布主要由大气微观否正确仿真的重要参数。首先设置进程的坐标系颗粒散射造成使得太阳中心区域辐照度高于太阳统,如图中蓝色部分,第1行指定进程坐标原点在轮廓的边缘区域,选择不同太阳轮廓区域,太阳辐全局坐标系统中的位置,图中设定进程坐标原点照度呈现一定的分布规律。一般认为在太阳的半为全局坐标原点,第2行指定全局坐标内一点,由张角8465 mrads范围内,太阳辐照度恒定,用户进程坐标原点与该点的射线指定进程坐标系的Z也可选择符合高斯正态分布或通过输入自己的实测轴方向Zg,第2行第4列设置进程Z轴的逆时针数据来进一步完善,细化太阳辐射能量分布设计。旋转角度(面向Z轴),图中设为180°。进程坐标系因太阳辐射能量分布问题本身复杂多变,所以本文统设置完后,接下来设置进程内元素的光学几何不予详述,一般选择图中选项即可。其中Half- width性质参数。元素设置栏前三列为元素坐标系原点为太阳半张角16,换算为弧度单位为465 mrads。在进程坐标系统中的位置,接下来三列指定进程Solfrace中太阳位置可通过两种方法定义,坐标系内一点,元素坐标系原点与该点的射线为选择 Global Coordinates选项,太阳位置由用户以元素坐标系的Z轴方向Zm图4为依图3中坐全局坐标的形式给出,在这种方式下,用户可不用标参数设置后,各个坐标系统的示意图拘泥于软件中对全局坐标方位的具体定义,只需用户也可根据自身的需求以及实际系统的相在应用中坐标统一便可,但在仿真结果显示方面对几何关系进行更加复杂的设计。坐标系设置完会以软件默认方向显示。选择 Latitude、 Day of成后,便可进一步细化元素的其他参数。首先设置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。有关太阳的参数输入完成后点击Done,该窗口关闭,相应的可定义窗口中国煤化工CNMHGSOLAR ENERGY 21/2011太阳能术与产■反射元素,可以设置反射率为1,透射率为0,则xylan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图4全局、进程及元素坐标系定义示意图存退出,保存文件的后缀为opt文件,用户可选择孔径类型( Aperture Type)和表面类型( Surface Type)文件保存路径。两项。孔径与表面是两个不同的概念,简单地说,光学几何参数设置完成后,单击Done,系统孔径是指光学元素有效接受太阳辐射的开口形状,将提示用户保存文件,文件的后缀为geo文件。保除非表面是平面,多数情况下孔径不是物理实际存后,系统返回项目窗口,此时,项目定义窗口将存在的。表面是指元素的实际光学表面形状。选中做出相应的标记元素设置栏中的孔径类型项,相应 Define栏中的项目定义完成后,便可利用射线追踪法进行Aperture按钮高亮显示,单击后弹出孔径定义窗仿真分析。首先单击 Trace/Results窗口中的 Trace口,通过孔径类型的下拉选项可以选择元素的孔按钮,打开项目追踪定义窗口,径类型。 SolTrace提供了多种孔径类型可供用户选Number of Rays栏用于输入射线数量,射线择,如圆形、六边形、三角形、矩形等,用户可根数量一般由用户定义,数量越多,仿真精度越高,据实际仿真具体定义但耗时也越长。当用于分析照亮区域、阴影等问题下一步选中元素的光学表面类型项,相应De-时,射线数量可以少些用于分析吸热器热流密度fine栏中的 Surface按钮高亮显示,单击后弹出光学时,射线数量应该多一些。 Direct mormal Insol栏表面定义窗口,可详细描述元素的光学表面形状,用于输入法线直接辐照度,一般输入1000,表示SolTrace提供多种表面类型,如抛物面、椭圆面、kW/m?2,当然也可以输入当地的实测值。 Seed for平面等,用户可以对其参数进行详细定义。RNG栏用于产生随机射线,可以直接选择系统默选中元素设置栏中的光学类型项( optic type),认值。在窗口中 Includ:后提供两个选项,分别为相应 Define栏中的 optic type按钮高亮显示,单击 SunShape与 Optical Errors,表示仿真时是否考虑后弹出光学类型选择窗口。目前 Solfrace提供折太阳能量分布与元素的光学误差,用户可根据仿射型(1)与反射型(2),选中所需的单选项,按DOne真需求精度选中或取消。 Description栏显示系统键确认,在相应的元素设置栏中以数字的方式表光学几何设置后所保存的geo文件名,输入完成示,也可在光学类型项中直接输入相应数字。后,单击 Trace按钮,开始仿真计箅,仿真完毕后,元素设置栏中的最后一项为元素的光学性质Done按钮高亮显示,单击Done按钮,软件返回项项( properties),选中后, Define栏中的 OPT Data按日窗口。然后点击Plot…按钮,出现仿真结果图形钮高亮显示,单击后弹岀光学性质定义窗口。元素分析窗口(图5)。在 Stages栏中选择进程编号,然光学性质的设置包括正面( Front)与背面(Back),主后在 Elements栏中选择相应的元素,单击Plot要是设置表面的折射率( Refraction indices)、反射 Surface Intersection Points按钮,在窗口左侧将显率( Reflectivity)与透射率( Transmissivity)以及元素仿真结果。仿真结果图形分析窗口中有多个选的相关误差。光学元件的光学特性可由反射率、透项栏可供用户选择,用以提供用户需求的结果图射率与吸收率描述,三者的和为。对f理想的镜形量示方式,如中国煤化工显示射线CNMHGSOLAR ENERGY 21/2011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74m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10000,真结果显示第1~50条射线。仿真结果如图7所示,可以看到,每个菲涅耳邮如,镜元将入射光反射至吸热器。图5分析结果图形显示窗口的数量等,同时还可对元素的辐射通量密度进行5分析,如 Surface Plot of Flux按钮与 Contour Plotof 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。仿真应用结合上述对 Solfrace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[9876543210-122.3.4-5-6-7-8-9-10-11-12得到线性菲涅耳镜场的相关几何矢量计算公式。图7仿真结果对于东经116478°E、北纬39,8751N的某实际地图8显示吸热器表面的热流密度分布,在直接理位置,首先由太阳位置算法计算当地太阳高度法线辐照度为1000W/m2的条件下,吸热器表面热角、方位角,然后由公式(1)计算太阳矢量。如计流密度峰值为18kW/m2,均值为13.kW/m2。由图算当地时间为200年1月1日12时,该地的单位8可知,吸热器上光斑宽度略有增加,且随着光斑太阳矢量方向余弦分别为:宽度的增加,热流密度阶梯状减少,这与线性菲涅X=0.012367,￥=0.47465,Z=0.88009耳镜场的特点完全相符。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10×04矩形,表面类型为“:厂二=图8吸热器表面热流密度分布四结语图6线性菲涅耳镜场光学几何定义综上所述,款用干太(转第46页中国煤化工CNMHGSOLAR ENERGY 21大阳能术与产超四数据分析与结果例如:某日的冷水供水温度tm为20℃,热水经过大量的测试,有12组有日照测试数据如供水温度L为40℃,环境温度为26℃,供热量表3所示Q1s为60MJ,辐照量H为19MJ/m2。根据式(3)计太阳能保证率的计算公式为:算出有效环境温度L=+(t-t-an)2=29℃。(t t)( a-t)将以上数据代入式(2),可得出当天的太阳能将表3中的数据带入公式(1)得12组方程,利用保证率为最小二乘法得到a2=23159,a2=15698,a3=0.12692.31591.569829-/60+0129(4029)29)119将a1、a2和a3带入式(1),得到:0.592315915684Hasas+01269a(2)则当天的辅助能源消耗量为:式中,t为热水供水温度;t为有效环境温度CAUs=Qs(1-f)=60(1-0.59)=246MJQs为日供热量;H为辐照量。有效环境温度t的计算公式为:五结论te=t +( -tmin)/2(3)通过以上内容得出太阳能保证率的长期预测式中,l为环境温度;t为冷水供水温度。及相应辅助能源的消耗量计算方法,但是本文的再根据太阳能保证率∫和日供热量,通过结果是只针对一台热水系统,因此本文的结果只式(4)计算出辅助能源QAux5的消耗量,从而实现能代表与之相同系列的热水系统,对于其他类别辅助能源消耗量的预测。的热水系统,我们可用相同的方法来对其进行太QAUX.S阳能保证率的测试及其长期性能预测。因(接第21页)阳能发电系统的免费的仿真分析工具软EB/OL.htp;/www.nrel.gov/esp/troughnet/models_toolsdce件,用户界面友好,能适用各种太阳能电厂光学[4] Spencer G H, Murty M VRK. General ray-tracing procedure组件的性能分析,目前已被广泛应用。但是,它需 []. Journal of the Optical Society of America,1962,52(6):672要对各种镜场的几何外形及坐标进行精确描述,6785]Wendelin T. SolTRACE: a new optical modeling tool for concen-所以,对没有实际经验的用户,使用起来相对繁 trating solar optics[A]. American Society of Mechanical Enginee琐。它不仅能用于塔式、槽式、线性菲涅耳等光学 Proceedings of the ISEC00: nternational! Solar Energy Conference[C],US: New York,2003:253-260性能分析,还可根据用户自身需求,设计仿真各种[6]Buie D, Monger A G. The cffect of circumsolar radiation on a solar未知的复杂光学系统。该程序用 Delphi高级语言 concentrating system[. Solar Energy,200,761:181-185编写,基于射线追踪法,计算效率与精度均较高,Rt. areas. plar position algorithm for solar radiationapplications[]. Solar Energy, 2004, 76(5): 577-589是一款非常灵活实用、值得推荐的太阳能利用仿[8]Duffie J A Solar engineering of thermal processes[M].Beckman真分析工具。WA. New York: Jone Wiley Sons, 2006: 326[9]Rabl A. Active Solar Collectors and Their Applications(M).New参考文献York: Oxford. 1985: 19-120[11 Garcia P, FerriereA, Jacques Bezian J Codes for solar flux[1O] Damien charles william Buie Optical considerations in solarcalculation dedicated to central receiver system applications: Aconcentrating systems[D]. The University of Sydney, 2004comparative review[J]. Solar Energy, 2008, 82(3): 189-197ll杜社春旭,王普,马重芳,等,线性菲涅耳聚光系统无遮挡镜场[2] HoCK. Software and codes for analysis of concentrating solar布置的光学几何方法光学学报,2010,3011):3276-3282power technologies[R]. Sandia National Laboratories SAND20088053,2008基金项目:家重点基础研宄发長(973)计划(2010CB227103)[3] NREL. Parabolic trough technology models and software tools興家自然科季基金重点项日(50736005)尿中国煤化工CNMHGSOLAR ENERGY 21/2011