太阳能热发电中的光能传递模拟

摘要

太阳能热发电是一种清洁、可再生能源获取技术，它通过定日镜场将太阳光汇聚到接收器，从而将光能转化为热能进行发电。针对其中的光能传递高效模拟问题，本文提出了一个高效、准确且适应性强的大规模太阳能热发电定日镜场模拟系统。
　　 该系统通过对太阳光源进行建模，使用消隐算法对镜场中每一个镜面上的阴影进行预计算，同时对镜面的微表面反射模型进行优化，利用蒙特卡洛光线跟踪准确计算接收器在镜场中的接收效率。上述算法以大规模并行的方式在CPU和GPU上实现，并根据CPU和GPU不同的特点进行了细节优化，以充分发掘CPU多线程单指令多数据流的并行性以及GPU上CUDA大规模并行计算的能力，从而适应不同的计算机硬件平台。实验结果表明，此模拟系统可以胜任大规模数据与计算的实时模拟需求，对定日镜场的设计布局优化和收集能量效率进行准确的估计预算。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 能源现状

1．2 太阳能热发电

1．2．1 太阳能发电特点

1．2．2 太阳能热发电分类

1．2．3 太阳能热发电国内外研究现状

1．2．4 太阳能热发电模拟工作现状

1．2．5 本文的主要工作

1．3 本章小结

第2章 太阳定位与定日镜场建模

2．1 太阳跟踪方式建模

2．1．1 太阳位置计算建模

2．1．2 太阳形状建模

2．1．3 太阳辐射强度

2．2 定日镜建模

2．3 本章小结

第3章 定日镜阴影面积的计算

3．1 遮挡与屏蔽

3．2 特定定日镜场的改进消隐算法

3．2．1 算法流程

3．2．2 分离轴定理

3．2．3 二维平面的多边形布尔运算

3．3 本章小结

第4章 定日镜反射光线跟踪模拟

4．1 蒙特卡洛光线跟踪

4．1．1 太阳能热发电模拟系统建模

4．2 光源计算

4．3 辐射能量计算

4．3．1 气象学辐射模型

4．3．2 余弦效应

4．3．3 大气衰减因子

4．4 定日镜反射建模

4．4．1 双向反射分布函数

4．4．2 微平面反射模型

4．4．3 反射模型反射光辐射度计算

4．5 本章小结

第5章 基于CPU与GPU的算法实现

5．1 CPU实现

5．1．1 单指令多数据流

5．1．2 基于SIMD的3DDDA算法

5．1．3 多线程SIMD的kd树空间分割结构

5．2 GPU实现

5．2．1 CUDA

5．2．2 实现细节

5．3 本章小结

第6章 结果显示与评估

6．1 演示程序

6．1．1 定义定日镜场信息

6．1．2 定义太阳信息

6．1．3 镜面网格和采样设置

6．2 运行结果

6．2．1 阴影预处理

6．2．2 接收器接收辐射量

6．2．3 定日镜场有效辐射量年效率

6．2．4 时间变化对镜场效率的影响

6．2．5 接收器的能流显示

6．3 结果对比

6．3．1 单定日镜面结果与性能对比

6．3．2 全定日镜场结果与性能对比

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 总结

7．2 展望

7．3 本章小结

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢