[论文解读] Heliostat blocking and shadowing efficiency in the video-game era

Alberto Venegas Ramos, F. Ramos|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2014

solar cell performance optimization参考文献 4被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新颖且高度高效的算法，通过利用视频游戏计算机图形中的2D多边形裁剪技术，计算聚光太阳能热发电塔电站中定日镜的遮挡与阴影效率。该方法从太阳和接收器的视角，将所有定日镜的图像投影到目标定日镜的平面上，将问题建模为使用Greiner-Hormann算法的裁剪操作，实现了在标准硬件上对1000台定日镜电站的亚秒级计算时间，具有高精度且无需几何假设。

ABSTRACT

Blocking and shadowing is one of the key effects in designing and evaluating a thermal central receiver solar tower plant. Therefore it is convenient to develop efficient algorithms to compute the area of an heliostat blocked or shadowed by the rest of the field. In this paper we explore the possibility of using very efficient clipping algorithms developed for the video game and imaging industry to compute the blocking and shadowing efficiency of a solar thermal plant layout. We propose an algorithm valid for arbitrary position, orientation and size of the heliostats. This algorithm turns out to be very accurate, free of assumptions and fast. We show the feasibility of the use of this algorithm to the optimization of a solar plant by studying a couple of examples in detail.

研究动机与目标

• 解决在大型太阳能热力电站优化过程中，因需反复评估遮挡与阴影损失而产生的计算瓶颈。
• 克服传统光线追踪与三角剖分方法速度过慢、难以用于优化的局限性。
• 消除现有解析公式中因几何假设（如定日镜平行）而影响精度的问题。
• 开发一种通用、无假设的计算方法，适用于任意定日镜位置、朝向、尺寸及非平坦地形。
• 实现在电站布局优化过程中对遮挡与阴影效率的实时或近实时评估。

提出的方法

• 从太阳和接收器的视角，将所有定日镜的3D图像投影到目标定日镜的平面上。
• 在目标定日镜的坐标系中，将每个投影后的定日镜表示为2D多边形。
• 应用Greiner-Hormann 2D多边形裁剪算法，计算可见（未被遮挡/未被阴影覆盖）区域。
• 使用链表表示多边形，以在裁剪操作中高效地插入和删除顶点。
• 通过未被遮挡区域面积与定日镜总面积的比值计算遮挡效率，类似地从太阳视角计算阴影效率。
• 通过多边形裁剪过程自然处理多个定日镜的重叠贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以有效复用视频游戏工业优化的2D多边形裁剪算法，实现对太阳能电站中定日镜遮挡与阴影的快速且精确计算？
• RQ2 与传统的光线追踪或基于三角剖分的方法相比，该基于裁剪的算法在速度和精度方面表现如何？
• RQ3 该算法在处理任意定日镜配置（包括非平行、不同尺寸及非平坦地形布局）方面的能力有多强？
• RQ4 当定日镜被建模为平面时，尽管现实中存在倾斜设计，该算法是否仍能保持高精度？
• RQ5 该方法是否能高效集成到需要数千次效率评估的优化工作流中？

主要发现

• 该算法在标准笔记本电脑上对1000台定日镜的太阳能电站完成全部遮挡与阴影效率计算的时间小于1秒，全天不同时段的平均执行时间为523毫秒。
• 计算时间在不同太阳位置或一天中不同时段保持稳定，表明其在各种工况下具有鲁棒性。
• 该方法无需几何假设即可实现高精度，正确建模了多个定日镜对遮挡与阴影的叠加贡献。
• 该算法对任意定日镜的朝向、位置、尺寸及非平坦地形均无性能损失。
• 使用链表表示多边形显著提升了性能，通过减少裁剪操作中的数据移动实现。
• 由于其速度、精度和通用性，该算法非常适合集成到优化流水线中。