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。 【关键词】：太阳能热发电 定日镜场 阴影 微平面反射模型 蒙特卡洛光线跟踪 图形处理器 单指令多数据集
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题背景10-12
• 1.1.1 能源现状10-12
• 1.2 太阳能热发电12-22
• 1.2.1 太阳能发电特点12-13
• 1.2.2 太阳能热发电分类13-18
• 1.2.3 太阳能热发电国内外研究现状18-20
• 1.2.4 太阳能热发电模拟工作现状20-21
• 1.2.5 本文的主要工作21-22
• 1.3 本章小结22-23
• 第2章 太阳定位与定日镜场建模23-33
• 2.1 太阳跟踪方式建模23-29
• 2.1.1 太阳位置计算建模23-25
• 2.1.2 太阳形状建模25-27
• 2.1.3 太阳辐射强度27-29
• 2.2 定日镜建模29-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第3章 定日镜阴影面积的计算33-38
• 3.1 遮挡与屏蔽33
• 3.2 特定定目镜场的改进消隐算法33-37
• 3.2.1 算法流程34-35
• 3.2.2 分离轴定理35-36
• 3.2.3 二维平面的多边形布尔运算36-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第4章 定日镜反射光线跟踪模拟38-51
• 4.1 蒙特卡洛光线跟踪38-41
• 4.1.1 太阳能热发电模拟系统建模39-41
• 4.2 光源计算41-44
• 4.3 辐射能量计算44-46
• 4.3.1 气象学辐射模型44-46
• 4.3.2 余弦效应46
• 4.3.3 大气衰减因子46
• 4.4 定日镜反射建模46-49
• 4.4.1 双向反射分布函数46-47
• 4.4.2 微平面反射模型47-49
• 4.4.3 反射模型反射光辐射度计算49
• 4.5 本章小结49-51
• 第5章 基于CPU与GPU的算法实现51-65
• 5.1 CPU实现51-57
• 5.1.1 单指令多数据流51
• 5.1.2 基于SIMD的3DDDA算法51-54
• 5.1.3 多线程SIMD的kd树空间分割结构54-57
• 5.2 GPU实现57-64
• 5.2.1 CUDA58-59
• 5.2.2 实现细节59-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第6章 结果显示与评估65-78
• 6.1 演示程序65-68
• 6.1.1 定义定日镜场信息65-67
• 6.1.2 定义太阳信息67-68
• 6.1.3 镜面网格和采样设置68
• 6.2 运行结果68-73
• 6.2.1 阴影预处理68-69
• 6.2.2 接收器接收辐射量69-70
• 6.2.3 定日镜场有效辐射量年效率70-71
• 6.2.4 时间变化对镜场效率的影响71-72
• 6.2.5 接收器的能流显示72-73
• 6.3 结果对比73-77
• 6.3.1 单定日镜面结果与性能对比74-75
• 6.3.2 全定日镜场结果与性能对比75-77
• 6.4 本章小结77-78
• 第7章 结论与展望78-80
• 7.1 总结78
• 7.2 展望78-79
• 7.3 本章小结79-80
• 参考文献80-84
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果84-85
• 致谢85

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