CN103778331B - 一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，所述计算方法包括计算区域网格化、计算各个计算点单时点在不考虑遮挡时获取的太阳能辐射强度值、获取各个计算点在单时点的太阳能资源数值、获取各个计算点全年的太阳能资源和绘制太阳能资源栅格图等步骤。最终得到的太阳能资源栅格图直观的体现了建筑物上各个计算区域接收的太阳能资源，为光伏方阵在建筑物上的布置提供依据，最大化的利用太阳能资源。

Description

一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法

技术领域

本发明涉及建筑光伏系统领域，具体的说是一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法。

背景技术

随着节能减排的日益推进及新能源技术的快速发展，光伏发电在能源利用中的比例逐年提高。光伏发电是利用光伏方阵将太阳光能直接转化为电能的一种技术，光伏方阵是指由若干个光伏组件或光伏板在机械和电气上按一定方式组装在一起并且具有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。

建筑光伏系统是一种将光伏方阵集成到建筑上来提供电力的技术。建筑光伏系统可分为两种形式：一种形式是光伏方阵与建筑的结合，这种形式是将光伏方阵依附于建筑物上，将建筑物作为光伏方阵的载体；另一种形式是光伏方阵与建筑的集成，这种形式是将光伏方阵以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵为建筑物不可分割的一部分。在这两种形式中，光伏方阵与建筑的结合是目前建筑光伏系统的常用形式。建筑光伏系统中，光伏方阵的发电量与建筑物所能接收到的太阳能资源相关。由于不同建筑物的高低、位置和形状各不相同，因此不同的建筑物所能接收的太阳能资源也不同，在进行建筑光伏系统的设计时，需要首先考虑太阳能资源的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，为光伏方阵在建筑物上的布置提供依据，使建筑物上的光伏方阵有效利用太阳能资源。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，所述计算方法包括以下步骤：

步骤1)、计算区域网格化：在计算机中构建建筑模型，在建筑模型上选取计划进行太阳能资源计算的计算区域，设计一包含计算区域的理论计算框，将理论计算框划分成若干个小的网格，选择每个网格的中心点作为计算点；

步骤2)、计算各个计算点在单时点时并且在不考虑遮挡时获取的太阳能辐射强度值：所述单时点是指将全年按时间间隔平均划分成的若干个时间段，以单时点为基础计算单元，根据各计算点在单时点的大气透明度P和光学大气质量m，通过理论计算公式得出各个计算点单时点获取的太阳能辐射强度值；

步骤3)、获取各个计算点在单时点的太阳能资源数值：通过天文计算得出在单时点的太阳高度角el和太阳方位角az，确定单时点时各个计算点的入射光线，当入射光线与周围建筑物相交叉时，该计算点在这一单时点的太阳能资源取值为0；当入射光线与周围建筑没有交叉点，该计算点在单时点的太阳能资源取值为由步骤2)计算的太阳能辐射强度值；

步骤4)、获取各个计算点全年的太阳能资源：根据步骤3)得到各个计算点的单时点的太阳能资源数值，对各个计算点进行全年太阳能资源的求和，得到各个计算点全年的太阳能资源数值；

步骤5)、绘制太阳能资源栅格图：根据步骤4)得到的各个计算点的太阳能资源数值，在理论计算框中将太阳能资源数值相等的计算点相连，相邻两个数值相等的计算点之间采用插值法补充数据，绘制得到计算区域的太阳能资源栅格图。

本发明的进一步改进之处在于：所述步骤2)中，太阳能辐射强度值的理论计算公式为：I＝ε₀×ISC×P×m，公式中，ε₀—地球轨道的偏心修正系数；ISC—太阳常数，定义为1367W/m²；P—大气透明度；m—光学大气质量。

本发明的进一步改进之处在于：所述步骤2)中的时间间隔为一小时。

本发明的进一步改进之处在于：确定太阳高度角和太阳方位角的天文计算的步骤为：

a1、根据计算公式JD＝2432916.5+年数增量×365+年数增量中的闰年数+日+小时/24计算得到当前日期JD；

其中，常数2432916.5是1949年1月1日为0000的当前日期JD；年数增量＝年-1949，此处年是指当前的年份；日是指一年中的第几天；小时是指世界时UT表示的小时；年数增量中的闰年数为年数增量/4之后的整数部分；

a2、根据a1中计算的当前日期JD，利用公式逐步计算得到单时点太阳的黄道经度和黄道倾角，所述公式包括：

计算参数n＝JD-2451545，

平均经度L＝280.460+0.985647×n，其中0≤L<360°，

平均近点角g＝357.528+0.9856003×n，其中0≤g<360°，

黄道经度λ＝L+1.915×sin(g)+0.020×sin(2g)，其中0≤λ<360°，

黄道倾角ep＝23.439-0.0000004×n；

a3、根据a2中计算的黄道经度λ和黄道倾角ep，计算出单时点的天球坐标的赤经ra和赤纬dec：

ra＝arctan[cos(ep)×sin(λ)/cos(λ)]，

dec＝arcsin[sin(ep)×sin(λ)]；

a4、将天球坐标转换成地方坐标：根据公式逐步计算得到时角ha，所述公式包括：

格林威治平均恒星时GMST＝6.697375+0.0657098242×n+小时，其中0≤GMST<24h；

地方平均恒星时LMST＝GMST+东经/15；

时角ha＝LMST-ra，其中，-12≤ha<12h，在太阳到达子午线之前，ha取负 值；

a5、将由步骤a3得到的赤经ra和赤纬dec及由步骤4得到的时角ha通过下面的公式转换成太阳高度角el和太阳方位角az，

el＝arcsin[sin(dec)×sin(lat)+cos(dec)×cos(lat)×cos(ha)]，

az＝arcsin[-cos(dec)×sin(ha)/cos(el)]，

其中，太阳方位角正北为0；通过东方为正。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明通过在建筑模型上对计算区域进行网格化处理，并采用时间序列全年积分的方法计算出网格中各个计算点全年的太阳能资源数值，整理绘制得到太阳能资源栅格图。太阳能资源栅格图体现了建筑物上各个计算区域接收的太阳能资源，为光伏方阵在建筑物上的布置提供依据。

本发明通过阴影分析考虑了障碍物对计算区域的太阳能资源的影响，使光伏方阵与建筑物的结合达到最优布置，最大化的利用太阳能资源。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是本发明计算区域网格化的示意图，图中粗线为计算区域；

图3是本发明阴影分析的流程框图；

图4是本发明得到的太阳能资源栅格图示例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，所述计算方法的流程如图1所示，通过在建筑模型上对计算区域进行网格化处理，在网格中选取计算点，并采用时间序列全年积分的方法计算出各个计算点全年的太阳能资源数值，整理绘制得到太阳能资源栅格图，包括以下步骤：

步骤1)、计算区域网格化：在建筑模型中选取计划进行太阳能资源计算的计算区域，将选取的计算区域进行网格化处理，所述网格化处理包括以下步骤：

a、输入建筑模型：在计算机中构建建筑模型，所述建筑模型包括需要布置光伏方阵的建筑以及与该建筑相距300m以内可能会对该建筑的太阳入射光线形成遮挡的周围建筑。建筑模型可分为若干个与水平面相垂直的平面，建筑模型的各个顶点在三维坐标系中均具有一一对应的坐标值，将建筑模型处于同一个平面上的顶点的坐标值按组输入至计算机中，每个平面的顶点的坐标值在输入时，首先输入这个平面共包含几个顶点，之后分别输入各个顶点所对应的坐标值，建筑模型的坐标值输入格式示例如下：

4

891，927，24.2

913，925，24.2

915，943，24.2

893，944，24.2

4

938，945，8.1

1007，945，8.1

1008，960，8.1

939，964，8.1

6

992，965，5.1

1011，965，5.1

1011，977，5.1

1005，977，5.1

1005，972，5.1

992，972，5.1

……

b、将选取的计算区域进行网格化处理：以计算区域为基础，设置一理论计算框，所述理论计算框能够包含计算区域的所有顶点，如图2所示，本实施例中的计算区域为abcde，包含计算区域abcde的理论计算框为ABCD。将理论计算框划分成若干个小的网格，选择每个网格的中心点作为计算点。

步骤2)、计算各个计算点在单时点并且在不考虑遮挡时获取的太阳能辐射强度值：所述单时点是指将全年按时间间隔平均划分为若干个时间段，本实施例中所述时间间隔为1小时。

以单时点为基础计算单元，利用理论计算公式I＝ε₀×ISC×P×m计算得出太阳能辐射强度值，

公式中，ε₀—地球轨道的偏心修正系数；ISC—太阳常数，定义为1367W/m²；P—大气透明度；m—光学大气质量。其中ε₀和ISC为恒定常数，P和m这两个数值为变量，数值根据时间和地点的不同而改变。

各个计算点在单时点的太阳能辐射强度值除了可以通过理论计算公式计算得出外，还可以利用太阳能辐射测量仪在已有建筑的各个计算点进行现场检测得出。在实际计算太阳能辐射强度值时，可以单独采用理论计算公式计算得出或者单独进行现场检测得到，也可以采用两种方法相结合获得。

步骤3)、分析各个计算点在单时点获取的太阳能资源数值：

对各个计算点在单时点进行阴影分析，所述阴影分析是进行单时点太阳能资源计算的基础，阴影分析采用光线跟踪的方法，确定计算点是否被遮挡、能否正常获取太阳能资源。当通过阴影分析得出某个计算点在单时点时被遮挡，则不管通过理论计算公式得到的太阳能辐射强度值是多少，该计算点在此单时 点的太阳能资源数值都为0。阴影分析的流程如图3所示，包括以下步骤：

a、天文计算：通过天文计算得到单时点的太阳高度角和太阳方位角，确定各个计算点在单时点时的太阳光线的入射角度。所述天文计算的步骤为：

a1、首先在计算机中输入下列数值：1)年：所述年为当前的年份；2)日：所述日为一年中的第几天，如2月1日为第32天；3)小时：所述小时为以世界时UT表示的小时，将分、秒等全部转换为小时进行计算；4)以度表示的纬度lat，其中北为正；5)以度表示的经度lon，其中东为正。

根据公式JD＝2432916.5+年数增量×365+年数增量中的闰年数(只计整数)+日+小时/24计算得到当前日期JD；

在上述JD的公式中，年数增量＝年-1949；

年数增量中的闰年数＝(年数增量/4)的整数部分；

常数2432916.5是1949年1月1日为0000的当前日期JD。

a2、根据得到的当前日期JD，利用公式逐步计算得到单时点太阳的黄道经度和黄道倾角，所述公式包括：

计算参数n＝JD-2451545；

平均经度L＝280.460+0.985647×n，其中0≤L<360°；

平均近点角g＝357.528+0.9856003×n，其中0≤g<360°；

黄道经度λ＝L+1.915×sin(g)+0.020×sin(2g)，其中0≤λ<360°；

黄道倾角ep＝23.439-0.0000004×n，其中得到的数值ep的单位为度；

a3、根据a2得到的黄道经度λ和黄道倾角ep计算出单时点的天球坐标，所述天球坐标包括赤经ra和赤纬dec：其中，

赤经ra＝arctan[cos(ep)×sin(λ)/cos(λ)]；

赤纬dec＝arcsin[sin(ep)×sin(λ)]。

a4、将天球坐标转换成地方坐标：根据下面的公式逐步计算得到时角ha， 所述公式包括：

格林威治平均恒星时GMST＝6.697375+0.0657098242×n+小时(UT)，其中，0≤GMST<24h；

地方平均恒星时LMST＝GMST+东经/15；

时角ha＝LMST-ra，其中，-12≤ha<12h，在太阳到达子午线之前，时角ha取负值。

a5、将由步骤a3得到的赤经ra和赤纬dec及由步骤4得到的时角ha通过下面的公式转换成太阳高度角el和太阳方位角az。

太阳高度角el＝arcsin[sin(dec)×sin(lat)+cos(dec)×cos(lat)×cos(ha)]，

太阳方位角az＝arcsin[-cos(dec)×sin(ha)/cos(el)]，

其中：太阳方位角正北为0；通过东方为正。

b、确定各个计算点单时点的太阳能资源数值：根据得到的太阳高度角el和太阳方位角az，确定单时点时的太阳能入射点，将入射点与各个计算点相连，得到的连线即为太阳的入射光线，若入射光线与周围建筑物相交叉，则在单时点与该入射光线对应的计算点被遮挡住，即此计算点在这一单时点的太阳能资源取值为0。若入射光线与周围建筑没有交叉点，则此计算点在这一单时点的太阳能资源取值为由步骤2)所得到的太阳能辐射强度值。

步骤4)、获取各个计算点全年的太阳能资源：步骤2)中各单时点获取太阳能辐射强度的时间间隔为1小时，本实施例中全年按365天计算，共计8760小时。

根据步骤3)得到各个计算点的单时点的太阳能资源数值，对各个计算点进行全年太阳能资源的求和，即利用公式得到各个计算点全年的太阳能辐射资源数值。

步骤5)、绘制太阳能资源栅格图：根据得到的各个计算点的太阳能资源数值，在理论计算框中将太阳能资源数值相等的计算点连接起来，相邻两个数值相等的计算点之间采用克里金法、最小曲率法、自然邻点法等插值法对数据进行补充，绘制得到计算区域的太阳能资源栅格图，所述太阳能资源栅格图如图4所示。

在得到的太阳能资源栅格图中，将适合布置光伏方阵的区域在计算机中显示出来，反馈到建筑模型上。

Claims (4)

1.一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，其特征在于所述计算方法包括以下步骤：

步骤1)、计算区域网格化：在计算机中构建建筑模型，在建筑模型上选取计划进行太阳能资源计算的计算区域，设计一包含计算区域的理论计算框，将理论计算框划分成若干个小的网格，选择每个网格的中心点作为计算点；

步骤2)、计算各个计算点在单时点时并且在不考虑遮挡时获取的太阳能辐射强度值：所述单时点是指将全年按时间间隔平均划分成的若干个时间段，以单时点为基础计算单元，根据各计算点在单时点的大气透明度P和光学大气质量m，通过理论计算公式得出各个计算点单时点获取的太阳能辐射强度值；

步骤3)、获取各个计算点在单时点的太阳能资源数值：通过天文计算得出在单时点的太阳高度角el和太阳方位角az，确定单时点时各个计算点的入射光线，当入射光线与周围建筑物相交叉时，该计算点在这一单时点的太阳能资源取值为0；当入射光线与周围建筑没有交叉点，该计算点在单时点的太阳能资源取值为由步骤2)计算的太阳能辐射强度值；

步骤4)、获取各个计算点全年的太阳能资源：根据步骤3)得到各个计算点的单时点的太阳能资源数值，对各个计算点进行全年太阳能资源的求和，得到各个计算点全年的太阳能资源数值；

步骤5)、绘制太阳能资源栅格图：根据步骤4)得到的各个计算点的太阳能资源数值，在理论计算框中将太阳能资源数值相等的计算点相连，相邻两个数值相等的计算点之间采用插值法补充数据，绘制得到计算区域的太阳能资源栅格图。

2.根据权利要求1所述的一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，其特征在于：所述步骤2)中，太阳能辐射强度值的理论计算公式为：I＝ε₀×ISC×P×m，公式中，ε₀—地球轨道的偏心修正系数；ISC—太阳常数，定义为1367W/m²；P—大气透明度；m—光学大气质量。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，其特征在于：所述步骤2)中的时间间隔为一小时。

4.根据权利要求3所述的一种建筑光伏系统中太阳能资源的计算方法，其特征在于确定太阳高度角和太阳方位角的天文计算的步骤为：

a1、根据计算公式JD＝2432916.5+年数增量×365+年数增量中的闰年数+日+小时/24计算得到当前日期JD；

其中，常数2432916.5是1949年1月1日为0000的当前日期JD；年数增量＝年-1949，此处年是指当前的年份；日是指一年中的第几天；小时是指世界时UT表示的小时；年数增量中的闰年数为年数增量/4之后的整数部分；

a2、根据a1中计算的当前日期JD，利用公式逐步计算得到单时点太阳的黄道经度和黄道倾角，所述公式包括：

计算参数n＝JD-2451545，

平均经度L＝280.460+0.985647×n，其中0≤L<360°，

平均近点角g＝357.528+0.9856003×n，其中0≤g<360°，

黄道经度λ＝L+1.915×sin(g)+0.020×sin(2g)，其中0≤λ<360°，

黄道倾角ep＝23.439-0.0000004×n；

a3、根据a2中计算的黄道经度λ和黄道倾角ep，计算出单时点的天球坐标的赤经ra和赤纬dec：

ra＝arctan[cos(ep)×sin(λ)/cos(λ)]，

dec＝arcsin[sin(ep)×sin(λ)]；

a4、将天球坐标转换成地方坐标：根据公式逐步计算得到时角ha，所述公式包括：

格林威治平均恒星时GMST＝6.697375+0.0657098242×n+小时，其中0≤GMST<24h；

地方平均恒星时LMST＝GMST+东经/15；

时角ha＝LMST-ra，其中，-12≤ha<12h，在太阳到达子午线之前，ha取负值；

a5、将由步骤a3得到的赤经ra和赤纬dec及由步骤4得到的时角ha通过下面的公式转换成太阳高度角el和太阳方位角az，

el＝arcsin[sin(dec)×sin(lat)+cos(dec)×cos(lat)×cos(ha)]，

az＝arcsin[-cos(dec)×sin(ha)/cos(el)]，

其中，太阳方位角正北为0；通过东方为正。