CN103676962A - 用于在大区域的地面上映射云遮蔽的方法和设备 - Google Patents

Abstract

云的遮蔽可以影响定日镜上的通量的数量，该通量的数量相应地可以影响由太阳能装置所生成的能量。实时监视定日镜中的至少一些定日镜的云遮蔽可以允许整个太阳能系统的更有效的操作。例如，可以在该场的特定部分中测量散射日射和总体水平辐射，以估计在太阳能场中的任何点处的直接辐射。基于取得的云图像所生成的云映射可以用于计算直接辐射。通过知道太阳能场中的任何点处的直接辐射的数量，可以改变或者维护太阳能系统。例如，操作参数可以包括用于一个或多个定日镜的瞄准方向。

Description

用于在大区域的地面上映射云遮蔽的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年9月24日提交的美国临时申请号61/704,704的权益，通过引用方式将其全部内容并入本文中。

技术领域

概括而言，本发明涉及太阳能系统，并且更具体而言，涉及监视太阳场内的云遮蔽，以使太阳能系统的操作最大化。

发明内容

在定日镜领域中，云的遮蔽可以影响定日镜上的通量的数量，该通量的数量相应地可以影响由太阳能装置所生成的能量。实时监视定日镜中的至少一些定日镜的云遮蔽可以允许整个太阳能系统的更有效的操作。在期望知道在大的地理区域（例如，在该地理区域之上的云覆盖）之内气象状况（例如，在该地理区域之上的云覆盖）是怎样的情况下，可以在大区域之内或附近提供气象站。然而，由该气象站预测的气象状况可能没有表明仅遮蔽该大区域的一部分的云的路径。与该大区域的整体部分有关的更精确的辐射信息将是有益的。

描述了用于监视大区域中的云遮蔽的系统和方法。大区域的大小可以从小于一平方公里变化到数十平方公里。例如，该大区域可以包括太阳能场的太阳能系统，其中，该太阳能场具有太阳跟踪元件。该太阳能场的大小可以从几百平方米到数十平方公里。根据一些实施例，测量该大区域中的地表或地表附近的日射量（辐照度或者辐射亮度）。所测量的辐照度的示例为总体水平辐射、散射水平辐射和直接辐射（DNR）。用于测量和计算DNR的装置的示例包括但不限于日温计和旋转影带辐射计。用于测量总或总体水平辐照度的装置的示例包括但不限于日射强度计和光敏装置，例如具有可测量输出的光伏模块。

日温计和散射水平辐射测量器提供高日射量分辨率和低空间分辨率。这种装置可能是相当昂贵的，并且因此可以在该大区域之内（例如，以相对稀疏的分布）被少量地放置，以构建第一空间点分布。与日温计相比，相对便宜的日射强度计可以以更密集的分布地配置在该大区域之内，以构建第二空间点分布。密集地放置的日射强度计提供高空间分辨率和低日射量分辨率。

通过下面的等式约束不同的辐射特征：

GH=DH+DNR×cos(θ_z)

其中：

GH=总体水平辐射

DH=散射水平辐射

DNR=直接辐射

θ_z=太阳位置矢量与天顶的角度或者90°减去太阳的仰角。

通过解答上面提及的等式，从DH和GH得到DNR。因此，两个传感器类型的组合允许作为第三（更密集）空间点分布的更高空间分辨率点分布。

可以附加地使用数字光响应的成像设备来获得更密集的第三空间分辨率。例如，数字成像装置可以为相机，例如云相机。该云相机可以为鱼眼相机或者被配置为用于捕获地面上的云图像的相机，例如安装在高架位置（例如，在塔上、在飞行器中等）的相机。

天空中的云的数字图像用于估计或者计算从天空到地面上的云图像的投影。例如，可以通过使用至少两个云相机来捕获云图像并且通过使用立体视觉、气象信息和/或云高计来获得用于天空成像的云高估计。特别是在天空的图像用于获得DNR时，使用太阳的角度可能也是有用的。本领域的熟练技术人员已知的大量用于获得天空中的太阳的角度的方法，例如存在通过使用太阳能定位算法（SPA）并且/或者通过使用可用的气象情报信息。根据一个或多个预期的实施例，用于获得太阳的角度的其它方法也是可能的。

通过使用具有不同空间采样频率（传感器之间的距离）的散射采样和总体采样来得到2D区域上的DNR测量。使用地面上的成像装置和多个传感器的组合，允许在辐射域和空间域两者中的云位置的高分辨率的确定和该云之下的DNR的高准确度的确定。

还可以使用DNR测量仪表代替或者结合测量散射水平辐射来执行针对大区域的上述云和/或DNR监视。换言之，根据一些实施例，与更多总体水平辐射装置耦合的、更少的DNR测量装置可以用于获得具有良好空间分辨率和辐射分辨率的、用于大区域的DNR测量/矩阵。

根据一些实施例，该方法用于预测云移动并且因此在大区域例如太阳能场的一部分上的遮蔽或者日射量的不足。基于该预测，可以调节太阳能系统的操作以导致太阳能场上的云遮蔽移动。

根据一些实施例，用于在大区域中的地面上云遮蔽的方法可以包括以下步骤：测量在大区域中的第一空间点分布处所接收的散射的日射以生成在该大区域的至少一部分上的散射水平辐射（DH）的分布的估计；测量在大区域中的第二空间点分布处所接收的总体日射以生成在该大区域的至少一部分上的总体水平辐射（GH）的分布的估计，其中，该第二分布比该第一分布具有更高的点密度；接收响应于来自天空或者地面的光的图像以生成在该大区域的至少一部分中的地面上的云的空间分布（“云映射”）的估计；并且组合DH、GH，并且使用云映射来估计太阳的角度，以生成在大区域中的第三空间点分布处的直接辐射（DNR）的估计。在一些实施例中，第三分布具有比第二分布更高密度。

在一些实施例中，该方法还可以包括确定云的高度。可以通过使用以下之中的至少一个来确定云的高度：至少两个相机、云高计和云气象信息。

在这些实施例中的任何一个实施例中，该组合可以包括从等式

中获得DNR，并且/或者得出在第二点分布处DNR的初始估计并且外推到第三点分布。该外推可以包括响应于云映射，根据来自太阳的直接辐射在第三分布的点处是否被云遮蔽，把第三分布的点分类。

在这些实施例中的任何一个实施例中，大区域包括一个或多个用于朝向太阳目标重定向日射量的定日镜，并且该方法还可以包括响应于DNR的估计，控制定日镜。

根据其它的实施例，用于在大区域中的地面上映射云遮蔽的方法可以包括以下步骤：测量在大区域中的第一空间点分布处所接收的直接辐射以生成在该大区域上的直接辐射（DNR）的分布的估计；测量在大区域中的第二空间点分布处所接收的总体日射以生成在该大区域上的总体水平辐射（GH）的分布的估计，其中，该第二分布比该第一分布具有更高的密度；接收响应于来自天空或者地面的光的图像以生成云的空间分布（云映射）的估计；并且组合DNR和GH，并且使用云映射来估计太阳的角度，以生成在大区域中的第三点分布处的直接辐射（DNR）的估计。在这些其它实施例中的一些实施例中，第三分布比第一分布和/或第二分布具有更高密度。在这些其它实施例中的一些实施例中，该组合可以包括得出在所述第二点分布处的DNR的初始估计并且外推到所述第三点分布，并且，该外推可以包括响应于云映射，根据来自太阳的直接辐射在第三分布的点处是否被云遮蔽，把第三分布的点分类。

在这些其它实施例中的一些实施例中，该大区域可以包括太阳能场，其中，该太阳能场包括一个或多个用于朝向太阳目标重定向日射量的定日镜，并且该方法还可以包括响应于DNR的估计，控制定日镜。该方法还可以包括确定云的高度以及当图像为天空时太阳的角度的估计。可以通过使用以下之中的至少一个来确定云的高度：至少两个相机、云高计和云气象信息。

在可替换的实施例中，用于在太阳能场中的地面上映射云遮蔽的方法可以包括以下步骤：测量在由太阳能场之内的第一空间点分布所限定的区域处所接收的散射日射（DH）和直接辐射（DNR）中的至少一个，以生成在该太阳能场的至少部分上的DH和/或DNR的分布的估计；测量在由太阳能场之内的第二空间点分布所限定的区域处所接收的总体日射（GH），以生成GH的分布的估计，其中，该第二点分布比该第一点分布具有更高的点密度；并且组合由DH和/或DNR和GH所测量的日射，并且估计太阳的角度，以生成在太阳能场中的第三点分布处的直接辐射（DNR）的估计。在一些实施例中，该方法还可以包括接收响应于来自天空或者地面的光的图像以生成在太阳能场的至少部分中的地面上的云的空间分布（云映射）的估计，其中，太阳能场的所遮蔽的区域由所估计的云的空间分布所限定。该太阳能场上的所遮蔽的区域可以不包括或者包括少数第一点分布和/或第二点分布。

该方法还可以包括以下任意步骤：使用云映射来确定应当使用来自第一分布和第二分布的点中的哪个点来计算第三点分布中的每个点的日射值；将DH和/或DNR日射和GH与云映射组合，以生成太阳能场中的第三点分布处的直接辐射（DNR）的估计；并且确定云的高度。

当结合附图来考虑时，所公开主题的实施例的目的和优点从下面的描述变得显而易见。

附图说明

参照附图来在下文中描述这些实施例，其中，这些附图未必按比例绘制。在适当的情况下，一些特征可以不被说明，以助于基础特征的说明和描述。在整个附图中，相同的参考数字表示相同的元素。

图1是根据所公开主题的一个或多个实施例的定日镜控制系统的示意图。

图2示出根据所公开主题的一个或多个实施例用于示出独立的定日镜、塔和云的太阳能塔系统。

图3-图5示出根据所公开主题的一个或多个实施例随着云移动越过太阳能场，云遮蔽定日镜。

图6是根据所公开主题的一个或多个实施例的具有第一辐射测量装置分布和第二辐射测量装置分布的大区域的示意图。

图7示出根据所公开主题的一个或多个实施例的具有空中云的大区域的直接辐射图。

图8示出根据所公开主题的一个或多个实施例的具有空中云的大区域的散射水平辐射图。

图9示出根据所公开主题的一个或多个实施例的太阳能塔系统和该塔上的图像捕获装置，其中，该太阳能塔系统的定日镜场的一部分被一个或多个云遮蔽。

图10-图12示出根据所公开主题的一个或多个实施例的具有辐射测量装置的太阳能塔系统中的三个太阳能场和该太阳能场的云遮蔽部分。

具体实施方式

描述了用于监视大区域中的云遮蔽的系统和方法。本公开内容的实施例通常涉及包括至少一个太阳能场和大量用于重定向朝向太阳目标的日射量的装置（例如，定日镜）的太阳能系统。太阳能目标可以被配置为将日射量转化为另一种形式的能量，例如电流（例如，通过使用光伏电池）、热能（例如，通过使用太阳能热能系统）或生物燃料。多个定日镜可以跟踪太阳以将入射阳光反射到太阳能目标上或中（例如，位于或靠近太阳能塔的顶点）的接收机上。太阳能接收机可以被构造为使用从定日镜接收的日射量来加热水和/或蒸汽和/或超临界蒸汽和/或另一种类型的传热流体。例如，太阳能塔可以具有至少25米、至少50米、至少100米、至少150米或甚至更高的尺寸。

定日镜可以调节它们的方向以随着太阳移动越过天空跟踪太阳，由此继续反射太阳光到与太阳能接收机系统相关联的一个或多个瞄准点上。该接收机上的瞄准点就可以限定为该接收机的这样一种区域，其中，定日镜在将光反射到该区域上。瞄准点未必是接收机上的限定的点或区域并且可以根据系统的操作需求而变化。

根据一些实施例，响应由控制计算机所生成并且经过通信系统传输到定日镜的指令来瞄准定日镜。瞄准指令和用于生成那些指令的优化方法可以响应于通过在本文的任何一个实施例中所公开的方法和设备所获得的云数据。该响应可以包括导致定日镜从未在接收机上的瞄准点移动到在接收机上的瞄准点、从在接收机上的瞄准点移动到未在接收机上的瞄准点、从在接收机上的一个瞄准点移动到在相同的接收机上的另一个瞄准点，或者从在一个接收机上的瞄准点移动到在另一个接收机上的瞄准点，或者到/从任何其它位置。

可以例如通过如图1所示的中心定日镜场控制系统91来控制该场中定日镜。例如，中心定日镜场控制系统91可以通过数据通信网络与独立定日镜的控制器分层次地进行通信。虽然图1示出包括三个控制层次等级的分层次控制系统91，但是在其它实现中，可以存在更多或更少的层次等级，并且仍然在其它的实现中，例如，在使用对等通信协议的分布式处理配置中，全部的数据通信网络可以没有分层次。

在本说明中的最低控制层次等级（即，由定日镜控制器提供的等级）上，提供可编程的定日镜控制系统（HCS）65，其中，该HCS65例如随着定日镜（未显示）跟踪太阳的移动控制定日镜的两轴（方位角和仰角）的移动。在较高控制层次等级上，提供了定日镜阵列控制系统（HACS）92、93，其中，每个HACS通过经由使用网络操作系统的多点数据网络94如CAN、设备网、以太网等等等跟与定日镜场96、97中的定日镜（未示出）相关联的可编程定日镜控制系统95进行通信，控制那些定日镜的操作。在更高的控制层次等级上，提供了主控制系统（MCS）95，其中，该主控制系统通过经由网络94与定日镜阵列控制系统92、93进行通信，间接地控制定日镜场96、97中的定日镜的操作。主控制系统95还通过经由网络94到接收机控制系统（RCS）99的通信，控制太阳能接收机（未示出）的操作。

在图1中，网络94的、在具有大区域的定日镜场96中提供的部分可以基于铜线连接或光纤连接，并且在定日镜场96中提供的每个可编程的定日镜控制系统65配备有有线通信适配器，主控制系统95、定日镜阵列控制系统92和有线网络控制总线路由器100，其中，该有线网络控制总线路由器100可选择地被部署在网络94中以更有效地处理到定日镜场96中的可编程的定日镜控制系统65以及在定日镜场96中的可编程的定日镜控制系统65之间的通信业务。此外，在定日镜场97中提供的可编程的定日镜控制系统65借助于无线通信，通过网络94与定日镜阵列控制系统93进行通信。为了这个目的，定日镜场97中的每个可编程的定日镜控制系统65配备有无线通信适配器102，无线网络路由器101也配备有无线通信适配器102，其中，无线网络路由器101可选择地被部署在网络94中以更有效地处理到定日镜场97中的可编程的定日镜控制系统65以及在定日镜场97中的可编程的定日镜控制系统65之间的网络业务。此外，主控制系统95可选择地配备有无线通信适配器（未示出）。

如图2所示，定日镜场可以包括一个或多个定日镜，例如瞄准目标的太阳跟踪镜，其中该目标用于使用所反射的太阳光加热在该目标中的材料。例如，加热的材料可以为水、熔盐或任何其它材料。可以将该场内的定日镜70a、70b和70c瞄准目标即安装在塔50上的太阳能接收系统500。在操作中，来自太阳300的太阳光光束310、320、330可以分别打向定日镜镜子70a、70b和70c的反射表面。定日镜然后可以朝向接收机500反射光束311、321、331。反射线311、321、331外加从该场中的其他定日镜发射的光束可以将接收机500之内的材料加热到400℃到800℃之间的温度。

在定日镜领域中，云的进行遮蔽可以影响每个定日镜上的通量的数量，该通量的数量可以相应地影响由太阳能系统所生成的能量。实时监视定日镜中的至少一些定日镜的云遮蔽可以允许整个太阳能系统的更有效的操作。当云经过太阳与定日镜之间时，暂时地中断或者减少直接的日射量。因此，反射到太阳能接收机上的辐射可能不同于理想的或期望的通量分布。这可以导致温度或通量的、可能损害接收机的局部变化。而且，通量的变化可能导致低于理想的操作条件，例如，所产生的蒸汽或者过热蒸汽的温度的降低。

图2示出当云遮蔽定日镜时的实例。可以由将太阳300从定日镜70a和70c遮蔽的云192看出日射量的中断，同时定日镜70b继续接收未中断的日射量。

在一些实施例中，通过监视在太阳能场中的定日镜上或定日镜附近的入射日射量，可以计算遮蔽参数。例如，如图3-图5所示，可以基于在三个连续的时间t₁、t₂和t₃期间移动越过场的一个或多个云192的轨迹来计算遮蔽参数。该时间序列图像可以帮助预测关于定日镜场的未来遮蔽状态。

云阴影移动的特征可以包括确定阴影的形状、辐照度值、阴影的平移速度和/或阴影的旋转速度，以确定并且/或者预测关于太阳能系统的定日镜或者其它组件的场的云阴影的移动。所确定的阴影可以取决于多个因素，包括但不限于根据天文数据（例如，当年日期、当日时间和地理位置）预先确定的太阳的位置。因此，遮蔽参数可以包括未来的遮蔽参数。因此可以至少部分地基于未来的遮蔽参数抢先地实施操作。

在一些实施例中，该抢先的操作可能与源自化石燃料的蒸汽有关。例如，在云图像分析指示定日镜场的蒸发器区域（即，定日镜场的这样一种区域，其中在该区域中定日镜瞄准接收机的蒸发器部分）即将在所指定的时间周期内被遮蔽的情况中，使天然气锅炉待命可能是有利的。当遮蔽导致蒸发器上的日射量的减少时，天然气锅炉可以产生蒸汽，该蒸汽被注入到与蒸发器/锅炉相关联的蒸汽分离鼓中以补偿所减少的日射量条件。可选地或此外，抢先的操作涉及定日镜的重瞄准。因为定日镜到可能需要特定数量的行进时间来重瞄准，所以在定日镜被遮蔽之前，预计预测的或未来的遮蔽条件以重瞄准定日镜可能是有利的。

在一些实施例，确定在由天空中的云在地平面上或地平面附近所产生的阴影的位置和/或在由该云在地平面上或地平面附近所产生的所遮蔽区域的形状或大小。

在一些实施例中，少量的散射水平（DH）辐射测量器和大量的总体辐射传感器被放置在大区域中监视该大区域中的辐射。每个用于测量辐射的装置的位置可以构成点，并且DH辐射测量器（稀疏放置的）的点分布可以构成第一空间点分布。可选地或者此外，大量的稀疏放置的直接辐射（DNR）测量装置被放置在大区域中，并且可以作为第一空间点分布。

总体水平（GH）辐射测量装置的位置形成第二空间点分布。第二空间分布中的分布密度高于第一空间点分布的分布密度。图6示出具有第一点分布24和第二更密集点分布26的大区域22的非限制示例。相对稀疏的第一点分布表示用于测量DH和/或DNR的装置，并且更密集的第二点分布表示相对便宜的GH测量装置。

如图7所示，DNR图（黑色所示的云遮蔽）为具有高空间分辨率和良好准确度的矩阵。不必使用大量的DNR和/或散射辐照度测量装置就可以创建该图，因而减少基于传统配置的成本。可以在日射强度计的辅助下测量总体辐射。

由下面的等式约束散射辐射、直接辐射和总体辐射：

GH=DH+DNR×cos(θ_z)    （1）

其中：

GH=总体水平辐射

DH=散射水平辐射

DNR=直接辐射

θ_z=天顶角——太阳的位置和本地的顶点之间的角。

可以通过使用诸如日射表之类的专用装置来测量并且计算DNR。在日射表中，太阳光通过具有狭小视野的窗口进入到仪器并且被导向到热电堆上，该热电堆将热量转化为可以被记录的电信号。经由公式转化信号电压以测量每平方米的瓦特。可以结合太阳跟踪系统一起使用日射表以保持仪器瞄准太阳。测量总体辐射的日射强度计可以用于通过遮蔽日射强度计免受直接辐射来测量散射辐照度。然后可以通过计算机程序计算直射太阳光（DNR）。市场上存在大量可用于测量并且计算DNR、DH和GH的装置。

测量总体水平辐照度的装置例如日射强度计可能是相对便宜的。根据一个或多个实施例，日射强度计可以相对密集地被放置在横跨大型场例如太阳能场的点中。测量散射水平辐射或直接水平辐射的装置例如日射表可能比日射强度计更昂贵，并且根据一个或多个实施例，可以更稀疏地被布置在该大区域中。

为了检测云并且监视遮蔽该大区域例如太阳能场的至少一部分的一片或多片云的路径，可以测量入射在该场中的尽可能多点上的直接辐射。这尤其涉及具有定日镜的太阳能场，因为定日镜反射日射量（直射太阳光）到一个或多个接收机上。用于直接测量DNR或用于散射辐射的装置可能是昂贵的。此外，这种装置可能限于仅用于它们所位于的单个点的辐射检测。而且，由于在云覆盖时间期间空间中的DNR值的锐利边缘，在大规模表面区域上创建DNR图可能需要DNR值的许多采样点，在基本投资和维护方面可能需要巨额的费用。

相反，总体辐射传感器（例如，日射强度计）虽然仍然在单个点处进行测量，但是可能比这些传感器更便宜，主要由于不需要跟踪太阳位置。总体辐射传感器可以比DNR和/或DH测量/计算装置更密集地被布置在大区域中。然而，GH测量装置不区分直射太阳光和总辐射。直接日射量的数量是用于定日镜的最重要的数据。在一些实施例中，具有可测量的输出的其它光敏装置（例如，不必专用于测量GH的装置）可以用于测量GH并且生成第二点分布的至少一部分。例如，与定日镜相关联的光伏板可以具有与GH成正比的可测量的输出。

第一空间分布和第二空间分布的点可以来源于多种类型的装置，并且为大区域的复合辐射矩阵的一部分。根据实施例，用于测量并且计算散射水平辐射（DH）的装置可以用于第一点分布。散射辐射测量器的示例为由德尔塔T设备公司（Delta-T Devices）制造的BF5阳光传感器^TM。

与DNR测量装置相反，使用用于测量第一分布的DH的装置的优势在于DH在空间上更缓慢地变化。因此可以基于大区域完成内插同时如图8所示对误差维持良好的限制。随着从第一点分布收集DH测量值，可以内插关于整个场的DH，以便于根据第二点分布中的GH来计算DNR。如果使用直接DNR测量代替从DH测量装置收集辐射数据，则当云覆盖测量装置时，测量值将示出非常迅速的下降。在没有使用许多这种装置的情况下，数据的内插变得非常困难。与较少的DH装置相反，对于将反映在大区域中的云遮蔽的插值而言需要大量DNR装置。在使用第一点分布中的DNR装置的情况中，在第一点分布中还可以包括GH测量装置，以计算第一点分布中的DH并且基于所计算的DH值来内插数据。

在具有定日镜的太阳能场中，知道在太阳能场中的任意点的直射太阳光数量可能有助于监视在大区域上的云移动。如图8所示，散射辐射图是相对平滑的并且具有低的空间频率，其使散射辐射层的较低空间分辨率（例如，传感器相对远离它们的邻居）的散射测量成为可能。DNR和总体辐射图具有锐利边缘，意味着它们将需要高采样率以获得良好的准确度。可以使用上面的等式（1），以高空间分辨率从散射辐射层和GH辐射层中提取DNR层。

为了进一步减少锐利边缘的采样点的数量，可以利用响应于光的成像装置例如通过使用云相机估计或者计算云在地面上的投影，捕获天空中云图像或者地面上的云图像。云相机的示例是鱼眼相机或广角相机。成像装置因此可以提供关于云的精确位置及其边界的更精确的信息，即较高空间分辨率。当仅使用相机时，除了与地面上特定处的云覆盖相关的正或负之外，即使存在辐射分辨率该辐射分辨率也非常小。改为由辐射测量装置提供辐射分辨率。

在图9的实施例中，配置本地部署的成像系统198，从而实质上获取用于指示在大区域例如定日镜场70的至少一部分上（或者在大区域例如定日镜场70的至少一部分附近）的云覆盖192的本地图像。为了获得这种图像，成像装置198可以被配置为例如通过具有瞄准地面的视野193A，成像定日镜场的至少一部分，由此获得由经过的云192的投影的图像。可替换地或者此外，成像装置可以被配置为例如通过具有视野193B把天空的至少一部分成像，以确定定日镜场中的阴影的位置。实施例可以包括瞄准定日镜场和天空的成像装置的组合。

如图9所示，成像系统可以包括配置例如在如所示的塔50上的一个或多个成像装置198。例如，成像装置198可以为电荷耦合装置（CCD）、互补金属氧化物半导体（CMOS）或任何其它类型的成像器。成像装置198可以被配置在塔50的顶部处或顶部附近，例如，在太阳能接收系统500之上或者邻近于太阳能接收系统500。可替换地或此外，一个或多个成像装置198可以被配置在定日镜场之内、定日镜场之上或者定日镜场之外的不同塔上（未示出）。成像装置198可以被配置在定日镜场范围之内或者在距离定日镜场一定距离，该距离例如小于20km，或者小于10km，或者小于5km，或者小于500m。

所获得的图像可以用于确定定日镜场的遮蔽参数。此外，成像装置198可以被配置为在不同的时刻提供一个或多个图像，例如，提供时移成像（图3-图5）。可以例如由处理器（未示出）分析来自一个或多个成像装置198的图像以确定遮蔽参数。遮蔽参数的示例包括但不限于：（i）定日镜场中基本上被云遮蔽或者基本上没被云遮蔽的定日镜的子集，（ii）覆盖定日镜场的一部分的一个或多个阴影的尺寸，和（iii）在定日镜场之内的一个或多个不同的位置处的相对遮蔽强度。

云边界具有锐利边缘的假设使得能够在模型中基于该边缘之内的单个点中的单个传感器的测量值来确定每个云区域或者无云区域的值。作为使用的示例，图10示出包括多个太阳能场60的大区域，其中该太阳能场可以包括大量的接收塔50和多个定日镜70。在太阳能场中，在第一空间点分布处存在相对少量的DH测量/计算装置24，并且在第二空间点分布处存在更多的GH测量装置（26所描述的示例）。GH测量装置的实际的分布可以大于图10中所示出的示例26。图10-图12中的测量装置24、26的数量可能小于或者大于所使用的装置的实际的数量。

示出了遮蔽一些太阳能场60的云106。在云106的遮蔽之内描述了一个DH测量装置以及两个GH测量装置26。如上所述，来自云遮蔽之内的装置的测量可以用于计算点28的DNR值。云阴影之内的第三点分布以及由云相机取得的天空的图像和天空中的云的数字图像（例如，用于估计或者计算从天空到地面上的云图像的投影）或者从高处取得的地面的图像可以用于限定所计算的DNR值的边界区域。可以根据上面的等式（1）来完成该计算。第一点分布可以为最稀疏的，即最少数量的DH或DNR测量装置。因为GH测量装置的数量可以大于DH和DNR测量装置的数量，所以第二点分布可以比第一点分布更密集。因为第三点分布可以在太阳能场106的遮蔽部分之内的任何地方，所以第三分布的密度潜在地或者实际上大于第一空间点分布或第二空间点分布的密度。

虽然上面的操作参数设计定日镜场操作，但是可用的操作参数不限制于此。在实施例中，可以根据遮蔽参数来修改、创建并且/或者维持太阳能系统的除了定日镜场之外的部分的操作参数。在非限制的示例中，塔的北表面可以具有蒸发器/锅炉，并且塔的南表面可以具有过热器。在所计算的和所预测的DNR和所取得的图像指示通常向北端反射日射量的定日镜被遮蔽或者将要被遮蔽的情况中，如果没有到过热器所位于的南边的实质性遮蔽，则将蒸汽注入到部署在锅炉和过热器之间的蒸汽分离鼓中可能是有利的。在所计算的和所预测的DNR和所取得的图像指示通常向南端反射日射量的定日镜被遮蔽或者将要被遮蔽的情况中，如果没有到蒸发器/锅炉上位于的北边的实质性遮蔽，则例如在即将到来的阴影的之前减少涡轮操作压力可能是有利的。

在一些实施例中，可以取得时间序列的图像以估计例如图3-5所示的一片或多片云的轨迹。时间序列图像可以帮助预测关于定日镜场的未来的遮蔽状态。如图所示出的，云192在定日镜场70之上前进，并且在三个连续时刻t₁（图3）、t₂（图4）和t₃（图5）处示出云192，由向量v₁和v₂描绘了两个云的平移速度。

遮蔽参数可以包括未来的遮蔽参数，并且可以抢先地实施操作。在实施例中，抢先的操作可以与源自化石燃料的蒸汽有关。例如，在云图像分析指示定日镜场的蒸发器区域（即定日镜场的这样一种区域，其中在该区域中定日镜瞄准接收机的蒸发器部分）即将在所指定的时间周期内被遮蔽的情况中，使天然气锅炉待命可能是有利的。当日射量水平下降时，可以将源自天然气的蒸汽注入到与蒸发器/锅炉相关联的蒸汽分离鼓中。可替换地，在未来的多云条件之前逐渐地重瞄准定日镜远离接收机以避免在云到达时在接收机表面上的通量的突然损失是有利的。

在一些实施例中，抢先的操作涉及定日镜的重瞄准。因为定日镜可能需要特定数量的行进时间来重瞄准，所以在定日镜被遮蔽之前，预计预测的或未来的遮蔽条件以重瞄准定日镜可能是有利的。

在一些实施例中，确定在由天空中的云在地平面上或地平面附近所产生的阴影的位置和/或在由该云所产生的在地平面上或地平面附近的所产生的遮蔽区域的形状或大小。例如，数字阴影移动越过定日镜70，可以如图3-5所示跟踪阴影（即云）的移动。该移动的特征可以包括确定阴影的形状、阴影的平移速度V₁和V₂和/或阴影的旋转速度，从而确定并且/或者预测云阴影关于太阳能系统的定日镜或者其它组件的场的移动。所确定的阴影可以取决于多个因素，包括但不限于根据天文数据（例如，当年日期、当天时间和地理位置）预先确定的太阳的位置。

所公开主题的实施例可以利用成像装置来监视云和/或由云所导致的阴影，例如如在2011年9月15日公布的、题目为“Methods and Apparatus for Operatinga Solar Energy System to Account for Cloud Shading”的美国公布号No.2011/0220091中详细描述的，通过引用方式将该出公布的全部内容并入本文中。根据实施例，成像装置用于补充或者增大辐射测量装置的结果。辐射测量装置提供辐射测量值，并且图像向云遮蔽增加边缘。

为了精确地估计或者计算天空成像装置在地面上的投影，关于云的更多信息可能是有益的。例如，天空中的太阳的角度组合天空中的云的高度可以确定地面上的云的阴影的大小、形状和位置。例如可以通过使用下面描述的方法中的任一方法获得该信息。由于两个或更多的天空相机从不同地方对相同的云成像，所以多个天空成像装置可用于估计或者计算从天空到地面上的云的图像的投影。立体视觉成像可以用于估计云高度。用于估计云高度的另一种方法是使用环境气象条件和气象预报来确定可能的云高度并且使用与云的类型有关的信息来估计云高度。用于估计云高度的另一种方法是通过使用测量云高度的云高计或类似的装置。对于云高度估计而言，云高计是昂贵的但是非常准确的。它们发射脉冲（例如激光脉冲）到大气层中并且分析反向散射。根据一个或多个预期的实施例，用于估计/计算云在地面上的投影和/或云的高度的其它方法也是可能的。

天空中的太阳的角度可用于计算用于上面的等式（1）的DNR。例如存在大量本领域的那些技术人员已知的、用于例如通过使用太阳能定位算法（SPA）并且/或者通过使用可用的气象情报信息来获得天空中的太阳的角度的方法。

通过使用基于云成像装置图像和辐射图的预测算法，可以预测云的移动，其中，云的移动可用于太阳能场中的定日镜的操作。

根据所公开主题的一个或多个实施例，用于表示关于定日镜场的云阴影的图像可以用于调节太阳能系统的操作。例如，可以获得定日镜场和由云所产生的阴影的图像。此外或可替换地，可以获得天空和云的图像。可以分析该图像以确定遮蔽参数。基于遮蔽参数，可以改变或者维持太阳能系统的操作参数。例如，操作参数可以包括定日镜场中一个或多个未遮蔽的定日镜的瞄准方向。除了云阴影的位置之外的云特征也可以用于确定遮蔽参数。该特征可以用于确定是否并且/或者如何改变太阳能系统的操作参数。对于特定云特征而言，可以确定维持太阳能系统的当前操作而不管阴影。

图11示出包括太阳能场60的大区域，其中该太阳能场可以包括大量的接收塔50和多个的定日镜70。在太阳能场中，可以存在大量的DH测量/计算装置（在第一点分布处）24和大量的GH测量装置（在第二点分布处）26。GH测量装置的数量可以远远大于DH测量装置的数量。将云阴影106示出为遮蔽最右边的太阳能场的一部分。在云遮蔽的区域106中示出一个DH测量装置24和两个GH测量装置26。根据云映射，第三点分布中感兴趣的点28处于云阴影106之内。可以根据等式（1）计算云的DNR值。在一些实施例中，风可以吹动云越过多个太阳能场。箭头W示出把云从右边吹到左边的风，因而云移动到图12中所示出的位置。

图12描绘了云106遮蔽的新位置。在该图中，云主要在存在有限数量的辐射测量装置的三个场的中间场之上。最靠近的DH测量装置24和GH测量装置26（其在该时间点不位于云遮蔽之内）可以用于通过使用在图11中描绘的以前的时间点由这些传感器从云106收集的数据，基于时间和空间内插的遮蔽数据。虽然在图10-图12中仅示出表示第三点分布的一个点28，但是只要第三点分布中的点位于云的阴影的区域之内，第三点分布中的点数量就不受限制，并且假定具有大约相同的辐射值。第三点分布可能因此比第一点分布和第二点分布更密集，这与测量装置的位置有关。

可以在本发明的范围之内将所公开实施例的特征组合、重新布置、省略等以产生附加实施例。此外，有时可以在没有其它特征的相应使用的情况下有利地使用某些特征。

因此，显而易见的是根据本公开内容提供了用于在大区域中的地面上映射云遮蔽的系统、方法和装置。本公开内容能够实现许多替换、修改以及变更。虽然已经示出并且详细地描述具体的实施例来示出本发明的原理的应用，但是应当理解的是可以另外在不脱离此类原理的情况下体现本发明。因此，申请人意图涵盖在本发明的精神和范围之内的所有此类替换、修改、等价物以及变更。

Claims (23)

1.一种用于在大区域中的地面上映射云遮蔽的方法，包括：

测量在大区域中的第一空间点分布处所接收的散射日射以生成在所述大区域的至少一部分上的散射水平辐射（DH）的分布的估计；

测量在所述大区域中的第二空间点分布处所接收的总体日射以生成在所述大区域的至少一部分上的总体水平辐射（GH）的分布的估计；

接收响应于来自所述天空或者所述地面的光的图像以生成在所述大区域的至少一部分中的地面上的云的空间分布（云映射）的估计；并且

组合DH、GH，并且使用云映射来估计所述太阳的角度，以生成在所述大区域中的第三空间点分布处的直接辐射（DNR）的估计，

其中，所述第二分布具有比所述第一分布更高的点密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三分布具有比所述第二分布更高的密度。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括确定所述云的高度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过使用以下之中的至少一个确定云的高度：至少两个相机、云高计和云气象信息。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述组合包括从等式： $\mathrm{DNR}=\frac{\mathrm{GH}-\mathrm{DH}}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)}$ 得出DNR。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组合包括得出在所述第二点分布处所述DNR的初始估计并且外推到所述第三点分布。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述外推包括响应于所述云映射，根据来自所述太阳的直接辐射在第三分布的点处是否被云遮蔽，把第三分布的点分类。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述大区域包括一个或多个用于朝向太阳目标重定向日射量的定日镜。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括响应于DNR的所述估计，控制所述定日镜。

10.一种用于在大区域中的地面上映射云遮蔽的方法，包括：

测量在大区域中的第一空间点分布处所接收的直接辐射以生成在所述大区域上的直接辐射（DNR）的分布的估计；

测量在所述大区域中的第二空间点分布处所接收的总体日射以生成在所述大区域上的总体水平辐射（GH）的分布的估计；

接收响应于来自所述天空或者所述地面的光的图像以生成云的空间分布（云映射）的估计；并且

组合DNR、GH，并且使用所述云映射来估计所述太阳的角度，以生成在所述大区域中的第三点分布处的直接辐射（DNR）的估计，

其中，所述第二分布具有比所述第一分布更高的密度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第三分布具有比所述第一分布或第二分布更高的密度。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述组合包括得出在所述第二点分布处所述DNR的初始估计并且外推到所述第三点分布。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述外推包括响应于所述云映射，根据来自所述太阳的直接辐射在第三分布的点处是否被云遮蔽，把第三分布的点分类。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，大区域包括太阳能场，其中，所述太阳能场包括一个或多个用于朝向太阳目标重定向日射量的定日镜。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，还包括响应于DNR的所述估计，控制所述定日镜。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括确定所述云的高度以及当所述图像为天空时太阳的角度的估计。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，通过使用以下之中的至少一个来确定云的高度：至少两个相机、云高计和云气象信息。

18.一种用于在太阳能场中的地面上映射云遮蔽的方法，包括：

测量在由所述太阳能场之内的第一空间点分布所限定的区域处所接收的散射日射（DH）和直接辐射（DNR）中的至少一个，以生成在所述太阳能场的至少一部分上的DH和/或DNR的分布的估计；

测量在由所述太阳能场之内的第二空间点分布所限定的区域处所接收的总体日射（GH），以生成GH的分布的估计，其中，所述第二点分布具有比所述第一分布更高的点密度；并且

组合由DH和/或DNR和GH所测量的日射，并且估计太阳的角度，以生成在所述太阳能场中的第三点分布处的直接辐射（DNR）的估计。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

接收响应于来自所述天空或者所述地面的光的图像，以生成在所述太阳能场的至少一部分中的地面上的云的空间分布（云映射）的估计，

其中，由所估计的云的空间分布所限定所述太阳能场的遮蔽区域。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在所述太阳能场上的所述遮蔽区域不包括或者包括少数第一点分布和/或第二点分布。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括使用所述云映射来确定应该使用来自所述第一分布和第二分布的点中的哪个点来计算所述第三点分布中的每个点的日射值。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括将DH和/或DNR日射和GH与云映射组合来生成所述太阳能场中的第三点分布处的直接辐射（DNR）的估计。

23.根据权利要求19所述的方法，还包括确定所述云的高度。

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