工程师可以模拟直接和间接太阳模型发出的光线，以设计更高效的聚光太阳能发电系统。MICHAEL GAUVIN，LAMBDA 研究公司。

聚光太阳能市场往往被光伏 (PV) 面板所掩盖，但到 2020 年，该市场细分市场预计每年增长近 20%。聚光太阳能（或 CSP）与光伏面板相比具有独特的性能优势，尤其是与电网。

CSP 系统将太阳辐射转化为机械能，机械能又转化为电能。当反射器由应用于安装到跟踪系统的抛物线或平面结构上的镜面组成，其定向将最大太阳辐射聚焦在接收器上时，可以实现这一点——可以是发电塔，也可以是位于反射器上方的局部元件。从那里，传输或工作流体被加热到 1000 °F 并转化为蒸汽，然后用于为涡轮机提供动力，产生电能。与光伏电池板不同，CSP 由于采用蓄热技术，可以日夜提供电力。

CSP 工程师非常了解这些系统的操作原理。然而，要实现最大效率，需要将高直接太阳辐照度聚焦在接收器上。抛物面槽式反射器和菲涅尔反射器的相似之处在于它们都使用本地接收器而不是功率塔，尽管在几何形状上明显不同。与电塔不同，这两种 CSP 类型更具成本效益，并且安装限制更少，例如物理规模、地理位置和水接入。

抛物面反射器和菲涅尔反射器的设计是许多学术文章的主题，但很少有人将完整的 CSP 系统与其物理位置、已发布的辐照度图和浊度条件结合起来。作为其安装设计过程的一部分，CSP 工程师需要一种工具来获取透镜和反射器的几何形状，并将其与这些外部因素结合起来以确定最大吸收率。

模拟 CSP 系统的理想太阳能分析工具是基于 3D 计算机辅助设计 (CAD) 的光线追踪引擎，包括一个太阳能实用程序，用于计算集热器对随时间变化的直接和间接太阳能贡献的吸收率，并考虑浊度和瞄准装置。该工具通过提供直接和间接太阳模型发出的光线的可视化来验证系统，这些模型通过 CSP 几何形状传播光线，直到它们到达目标太阳能收集。例如，Lambda Research Corp. 的 TracePro 软件中的正常工作流程是从创建 3D 几何图形开始评估 CSP 系统。基本几何 CAD 原始形状用于创建 CSP 模型中的光学元件。这些内置元件包括标准透镜类型、菲涅尔透镜和锥形或槽形反射器。还包括一个 3D 建模器，用于在 2D 表面轮廓中绘制草图，并将这些形状拉伸或旋转成光学实体图元。然后用户添加光学属性，创建太阳源模型，然后进行光线追迹以执行系统的初始评估并验证模型（图 1）。

图 1.使用太阳能模拟器实用程序的 TracePro 工作流程。由 Lambda Research Corp 提供。

系统验证后，太阳能公用事业公司可以随时间对系统进行评估。CSP 的全球位置是使用 Google 地图定位或直接输入单位的经度和纬度来指定的（图 2）。然后，用户输入要评估的时间段和间隔、系统相对于地球天顶和方位角的方向、入射光瞳大小、太阳跟踪选项以及指定时间段内的浑浊条件（如果可用）。

图 2. Google 地图在太阳能公用事业中的定位。由 Lambda Research Corp 提供。

为太阳模拟过程创建直接和间接太阳贡献的标准设置分析程序是指定直接和间接太阳模型。TracePro 拥有完整的国家可再生能源实验室 (NREL) 太阳光谱模型以及 Igawa 和 Darula & Kittler 间接太阳模型，包括晴天、多云和部分多云天空条件的定义。

交互式对话定义浊度条件以计算变化的大气条件，例如云量，使用每个时间间隔的用户定义百分比，并完全支持目标到太阳、单轴和单轴与目标到太阳方法的太阳跟踪能力。

然后，CSP 工程师输入入射端口的数据，指定 CSP 的天顶角和方位角方向以及入射光瞳的大小和形状。接下来，可以设置一个过滤器，指定每个时间间隔内晴天、多云天和多云天数的百分比，以完全定义设备在该时间段内将遇到的浑浊情况。最后，CSP 工程师可以通过辐照度和坎德拉图可视化结果，以及在计算周期内以图形和表格格式运行关于总收集能量的通量报告。

图 4.聚光太阳能发电系统的二维剖面图。CPC = 复合抛物面聚光器。由 Lambda Research Corp 提供。

系统建模非常简单，只需截屏现有系统的端部轮廓（图 4），然后在 2D 草图绘制实用程序中覆盖基本表面基元，在现有模型的每个组件顶部添加轮廓。草图实用程序使用户能够向每个草图轮廓添加线段和控制点，然后拉动这些点，直到表面轮廓与屏幕捕获的轮廓相匹配。在创建所有表面组件的模型后，这些轮廓将被挤压或旋转以制作实体对象。下一步是为表面和实体对象添加光学属性，以正确反映真实世界的光学行为。

图 5.现场完成的制造系统。由 Lambda Research Corp 提供。

单个单元的实际工作模型（图 5）显示了完整制造系统的双阵列，在两个独立的组中有 12 个管。然后可以对软件模型进行光线追踪，以通过可视化通过光学系统的入射光线来验证虚拟模型是否按预期工作。在模拟模型中，几乎平行的红色光线描绘了入射阳光，然后从 CPC 收集器反射并传播通过光学元件，直到它到达内部吸收区域（图 6）。

图 6.在 TracePro 中建模的系统，显示了射线。由 Lambda Research Corp 提供。

在针对单一时间事件验证模型后，下一步涉及模拟一个月内的每日结果，然后模拟较长时间内的每月贡献。

考虑浊度和太阳跟踪装置

这是涉及许多艰苦工作的地方。CSP 工程师必须回顾多年的天气预报，以编制一份平均浊度条件列表。然后将此数据作为每月的时间过滤器输入，指定该时间段的平均晴天、部分多云和多云条件到软件的过滤器中。表 1（对页）显示了 2014 年台湾的浊度情况，描述了 4 月至 9 月晴天、多云和多云日期的百分比；右上部分显示输入时间和浊度过滤器的数据。

下一步是将浑浊度和太阳跟踪添加到模拟中。为了正确模拟每日时间段内的浊度条件，该软件可以针对不同的浊度情况模拟相同的 CSP 系统。例如，当 CSP 系统模拟 100% 晴天条件时，这种情况下的太阳能贡献峰值将出现在中午左右。在第二种情况下，每天的浊度显示晴天和多云条件，模拟将显示白天的双峰。

如果将每小时和每天的结果合并为全天模拟和每月时段，则编译结果将表明每日时段对 100% 晴天条件的贡献（如略微波浪线所示）和不同多云和晴天时段的贡献（如广泛描绘）变化的线图。

要将太阳跟踪添加到模拟中，用户必须指定收集器系统使用的跟踪类型：瞄准太阳、单轴或组合单轴与瞄准太阳跟踪。每日多次模拟将表明，太阳跟踪系统越准确，结果就越好。

一旦周期性性能规范被仿真，CSP 工程师现在可以迭代设计以提高性能。设计工程师了解功率如何流过其收集系统中的光学组件至关重要。3D 可视化对于了解通过收集器光学器件的功率流至关重要，并且只有通过功率流的可视化，设计人员才能了解太阳通量如何通过系统传播。典型的 CSP 系统具有抛物线槽设置，将太阳能反射到包含流体的管中，以通过功率流进行热能传输，以伪彩色格式显示（图 7）。

图 7.聚光太阳能系统中光学器件功率流的 3D 辐照度伪彩色图。由 Lambda Research Corp 提供。

虽然太阳能与传统能源相比已变得更具竞争力，但仍必须克服财务和技术障碍，才能让公用事业和能源当局相信对该技术进行投资的可行性。通过根据真实世界的信息生成模拟结果，CSP 工程师可以减少这些反对意见，并展示他们的安装最终将如何使消费者受益。



本文由 Lambda Research（马萨诸塞州利特尔顿）销售和营销副总裁 Michael Gauvin 撰写。拥有超过 30 年的光学工程经验。TracePro® 软件国内代理:上海复瞻智能科技有限公司。访问 https://www.fulllightcn.com