基于光线追踪与多边形裁剪算法的定日镜场光学性能预测新方法

为解决大规模定日镜场光学效率计算中蒙特卡洛光线追踪法（MCRT）精度高但耗时、几何投影法效率高但误差大的问题，研究人员提出了一种结合光线追踪与多边形裁剪算法的“光斑裁剪法”（LSCM）。该方法通过光线追踪生成光斑确保精度，利用多边形裁剪算法替代传统网格划分提升效率，实现了绝对误差小于±0.15%、计算时间减少99%以上的突破，并优化出“径向渐疏-周向缩放”仿生布局，使年光学效率提升1.06%。

　　

太阳能塔式发电（SPT）作为最具潜力的大规模聚光太阳能技术，其核心组件定日镜场的成本占电站总投资的50%以上，能量损失占比达40%。然而，现有光学效率计算方法面临两难：蒙特卡洛光线追踪法（MCRT）虽精度高，但计算耗时；几何投影法效率虽快，却因假设相邻定日镜平行（实际非平行）导致误差高达1.7%。尤其对于哈密50MW电站14,500面五边形定日镜的大规模场，传统方法难以兼顾精度与效率，严重制约布局优化。

针对这一挑战，中国某高校研究团队在《Renewable Energy》发表研究，提出创新性“光斑裁剪法”（LSCM）。该方法融合光线追踪与多边形裁剪算法：前者精确模拟定日镜实际朝向形成的光斑，后者通过多边形重叠计算替代MCRT的统计步骤与几何投影法的网格划分，不仅支持五边形/六边形等复杂镜面，还将单案例计算时间压缩至1分钟（与几何投影法相当），误差仅±0.15%。

物理模型
研究以哈密50MW电站为对象，其定日镜场由14,500面边长为5.32m的五边形球面镜组成，总反射面积达700,000m²。

数学模型
通过分解光学效率（η_optical=η_cos·η_att·η_shade·η_ref·η_block·η_int），重点优化η_shade（遮挡效率）与η_block（阻挡效率）的计算。LSCM利用光线追踪生成非平行镜面的真实投影，再通过多边形裁剪算法直接计算重叠区域，避免传统方法的网格依赖与平行假设。

结果与讨论
LSCM的绝对误差较几何投影法降低89%，计算效率提升99%。关键参数分析显示，定日镜间距与高度对η_shade影响显著。基于此，团队提出“径向渐疏-周向缩放”仿生布局，使年光学效率提升1.06%，相当于电站年发电量显著增加。

结论
LSCM首次实现大规模定日镜场光学效率的“又快又准”预测，为布局优化提供可靠工具。其创新性在于：1）突破几何投影法的平行镜面假设；2）解决MCRT的海量计算负担；3）兼容复杂镜面形状。该成果对降低CSP电站成本、提升发电效率具有重要工程价值，相关算法可扩展至其他光学系统优化领域。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加外部信息）