工程師可以模擬直接和間接太陽模型發出的光線，以設計更高效的聚光太陽能發電系統。MICHAEL GAUVIN，LAMBDA 研究公司。

聚光太陽能市場往往被光伏 (PV) 面板所掩蓋，但到 2020 年，該市場細分市場預計每年增長近 20%。聚光太陽能（或 CSP）與光伏面板相比具有獨特的性能優勢，尤其是與電網。

CSP 系統將太陽輻射轉化為機械能，機械能又轉化為電能。當反射器由應用于安裝到跟蹤系統的拋物線或平面結構上的鏡面組成，其定向將最大太陽輻射聚焦在接收器上時，可以實現這一點——可以是發電塔，也可以是位于反射器上方的局部元件。從那里，傳輸或工作流體被加熱到 1000 °F 并轉化為蒸汽，然后用于為渦輪機提供動力，產生電能。與光伏電池板不同，CSP 由于采用蓄熱技術，可以日夜提供電力。

CSP 工程師非常了解這些系統的操作原理。然而，要實現最大效率，需要將高直接太陽輻照度聚焦在接收器上。拋物面槽式反射器和菲涅爾反射器的相似之處在于它們都使用本地接收器而不是功率塔，盡管在幾何形狀上明顯不同。與電塔不同，這兩種 CSP 類型更具成本效益，并且安裝限制更少，例如物理規模、地理位置和水接入。

拋物面反射器和菲涅爾反射器的設計是許多學術文章的主題，但很少有人將完整的 CSP 系統與其物理位置、已發布的輻照度圖和濁度條件結合起來。作為其安裝設計過程的一部分，CSP 工程師需要一種工具來獲取透鏡和反射器的幾何形狀，并將其與這些外部因素結合起來以確定最大吸收率。

模擬 CSP 系統的理想太陽能分析工具是基于 3D 計算機輔助設計 (CAD) 的光線追蹤引擎，包括一個太陽能實用程序，用于計算集熱器對隨時間變化的直接和間接太陽能貢獻的吸收率，并考慮濁度和瞄準裝置。該工具通過提供直接和間接太陽模型發出的光線的可視化來驗證系統，這些模型通過 CSP 幾何形狀傳播光線，直到它們到達目標太陽能收集。例如，Lambda Research Corp. 的 TracePro 軟件中的正常工作流程是從創建 3D 幾何圖形開始評估 CSP 系統。基本幾何 CAD 原始形狀用于創建 CSP 模型中的光學元件。這些內置元件包括標準透鏡類型、菲涅爾透鏡和錐形或槽形反射器。還包括一個 3D 建模器，用于在 2D 表面輪廓中繪制草圖，并將這些形狀拉伸或旋轉成光學實體圖元。然后用戶添加光學屬性，創建太陽源模型，然后進行光線追跡以執行系統的初始評估并驗證模型（圖 1）。

圖 1.使用太陽能模擬器實用程序的 TracePro 工作流程。由 Lambda Research Corp 提供。

系統驗證后，太陽能公用事業公司可以隨時間對系統進行評估。CSP 的全球位置是使用 Google 地圖定位或直接輸入單位的經度和緯度來指定的（圖 2）。然后，用戶輸入要評估的時間段和間隔、系統相對于地球天頂和方位角的方向、入射光瞳大小、太陽跟蹤選項以及指定時間段內的渾濁條件（如果可用）。

圖 2. Google 地圖在太陽能公用事業中的定位。由 Lambda Research Corp 提供。

為太陽模擬過程創建直接和間接太陽貢獻的標準設置分析程序是指定直接和間接太陽模型。TracePro 擁有完整的國家可再生能源實驗室 (NREL) 太陽光譜模型以及 Igawa 和 Darula & Kittler 間接太陽模型，包括晴天、多云和部分多云天空條件的定義。

交互式對話定義濁度條件以計算變化的大氣條件，例如云量，使用每個時間間隔的用戶定義百分比，并完全支持目標到太陽、單軸和單軸與目標到太陽方法的太陽跟蹤能力。

然后，CSP 工程師輸入入射端口的數據，指定 CSP 的天頂角和方位角方向以及入射光瞳的大小和形狀。接下來，可以設置一個過濾器，指定每個時間間隔內晴天、多云天和多云天數的百分比，以完全定義設備在該時間段內將遇到的渾濁情況。最后，CSP 工程師可以通過輻照度和坎德拉圖可視化結果，以及在計算周期內以圖形和表格格式運行關于總收集能量的通量報告。

圖 4.聚光太陽能發電系統的二維剖面圖。CPC = 復合拋物面聚光器。由 Lambda Research Corp 提供。

系統建模非常簡單，只需截屏現有系統的端部輪廓（圖 4），然后在 2D 草圖繪制實用程序中覆蓋基本表面基元，在現有模型的每個組件頂部添加輪廓。草圖實用程序使用戶能夠向每個草圖輪廓添加線段和控制點，然后拉動這些點，直到表面輪廓與屏幕捕獲的輪廓相匹配。在創建所有表面組件的模型后，這些輪廓將被擠壓或旋轉以制作實體對象。下一步是為表面和實體對象添加光學屬性，以正確反映真實世界的光學行為。

圖 5.現場完成的制造系統。由 Lambda Research Corp 提供。

單個單元的實際工作模型（圖 5）顯示了完整制造系統的雙陣列，在兩個獨立的組中有 12 個管。然后可以對軟件模型進行光線追蹤，以通過可視化通過光學系統的入射光線來驗證虛擬模型是否按預期工作。在模擬模型中，幾乎平行的紅色光線描繪了入射陽光，然后從 CPC 收集器反射并傳播通過光學元件，直到它到達內部吸收區域（圖 6）。

圖 6.在 TracePro 中建模的系統，顯示了射線。由 Lambda Research Corp 提供。

在針對單一時間事件驗證模型后，下一步涉及模擬一個月內的每日結果，然后模擬較長時間內的每月貢獻。

考慮濁度和太陽跟蹤裝置

這是涉及許多艱苦工作的地方。CSP 工程師必須回顧多年的天氣預報，以編制一份平均濁度條件列表。然后將此數據作為每月的時間過濾器輸入，指定該時間段的平均晴天、部分多云和多云條件到軟件的過濾器中。表 1（對頁）顯示了 2014 年臺灣的濁度情況，描述了 4 月至 9 月晴天、多云和多云日期的百分比；右上部分顯示輸入時間和濁度過濾器的數據。

下一步是將渾濁度和太陽跟蹤添加到模擬中。為了正確模擬每日時間段內的濁度條件，該軟件可以針對不同的濁度情況模擬相同的 CSP 系統。例如，當 CSP 系統模擬 100% 晴天條件時，這種情況下的太陽能貢獻峰值將出現在中午左右。在第二種情況下，每天的濁度顯示晴天和多云條件，模擬將顯示白天的雙峰。

如果將每小時和每天的結果合并為全天模擬和每月時段，則編譯結果將表明每日時段對 100% 晴天條件的貢獻（如略微波浪線所示）和不同多云和晴天時段的貢獻（如廣泛描繪）變化的線圖。

要將太陽跟蹤添加到模擬中，用戶必須指定收集器系統使用的跟蹤類型：瞄準太陽、單軸或組合單軸與瞄準太陽跟蹤。每日多次模擬將表明，太陽跟蹤系統越準確，結果就越好。

一旦周期性性能規范被仿真，CSP 工程師現在可以迭代設計以提高性能。設計工程師了解功率如何流過其收集系統中的光學組件至關重要。3D 可視化對于了解通過收集器光學器件的功率流至關重要，并且只有通過功率流的可視化，設計人員才能了解太陽通量如何通過系統傳播。典型的 CSP 系統具有拋物線槽設置，將太陽能反射到包含流體的管中，以通過功率流進行熱能傳輸，以偽彩色格式顯示（圖 7）。

圖 7.聚光太陽能系統中光學器件功率流的 3D 輻照度偽彩色圖。由 Lambda Research Corp 提供。

雖然太陽能與傳統能源相比已變得更具競爭力，但仍必須克服財務和技術障礙，才能讓公用事業和能源當局相信對該技術進行投資的可行性。通過根據真實世界的信息生成模擬結果，CSP 工程師可以減少這些反對意見，并展示他們的安裝最終將如何使消費者受益。



本文由 Lambda Research（馬薩諸塞州利特爾頓）銷售和營銷副總裁 Michael Gauvin 撰寫。擁有超過 30 年的光學工程經驗。TracePro? 軟件國內代理:上海復瞻智能科技有限公司。訪問 https://www.fulllightcn.com