CN106919780A - 一种云对太阳辐照度影响的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种云对太阳辐照度影响的确定方法，包括下述步骤：1)确定晴天无云条件下的辐照度；2)确定云的投影位置；3)确定云的消光系数；4)确定云影位置处辐照度。本发明提供的技术方案基于云层特性观测数据，采用日地关系与大气物理学公式，提出了计算云对太阳辐照度影响的物理模型，能够计算太阳高度角、天顶角、方位角，计算了晴天无云条件下大气上界水平面辐照度、日光穿过大气层后地表辐照度，以及云的投影位置、消光系数、云影区域的剩余辐照度等，物理意义明确、计算方法简单、计算结果可靠，能够得到准确的云影位置、辐照度衰减结果。

Description

一种云对太阳辐照度影响的确定方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域的计算方法，具体涉及一种云对太阳辐照度影响的确定方法。

背景技术

随着近年来大规模光伏电站接入电网，光伏功率的随机性和波动性对电网安全稳定和经济运行造成影响，对光伏影响因素的研究日益受到重视。光伏功率的决定因素是太阳辐照度，在辐照度的众多影响要素中，云对辐照度的影响最显著、动态性最强，因而急需构建一种能准确计算云对太阳辐照度影响的模型。

目前，在光伏功率预测方面有一些关于云的研究，少数研究采用统计方法，不构建云的物理模型；此类方法缺乏理论依据与实践检验。多数方法基于全天空成像仪等地基云图照片，采用图像识别技术识别照片中的云，再根据照片中判别为云的像素的灰度值推算云对辐照度消减的程度。此类方法存在以下问题：1)由于云图照片缺乏云层高度信息，因而无法确定云的位置；2)云对辐照度的消减取决于含水量等云的特性，根据单一的照片灰度值无法准确提取云的特性信息；3)全天空成像仪等地基云图观测仪器的镜头为球形表面，导致图像变形较大，难以进行准确还原；4)根据照片中云的位置推算空间中云的投影位置，计算较为复杂。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种云对太阳辐照度影响的确定方法，基于云层特性观测数据，采用日地关系与大气物理学公式，提出了计算云对太阳辐照度影响的物理模型，该模型计算了太阳高度角、天顶角、方位角，计算了晴天无云条件下大气上界水平面辐照度、日光穿过大气层后的地表辐照度，以及云的投影位置、消光系数、云影区域的剩余辐照度等。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种云对太阳辐照度影响的确定方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

1)确定晴天无云条件下的辐照度；

2)确定云的投影位置；

3)确定云的消光系数；

4)确定云影位置处辐照度。

进一步地，所述步骤1)包括：

1.1计算太阳方位：

对于地面上处于纬度和经度λ的观测者而言，在某一时刻观测的太阳天顶角θ和方位角α用下列方程来计算：

其中：δ为太阳赤纬角，即日地中心连线与赤道平面的夹角，变化于±23°27′之间；ω为时角，定义为观测点的经圈与太阳重合后(即当地正午)地球自转的角度，每天从0°变至360°，正午时刻时角为0°；太阳天顶角θ为太阳高度角β的余角；

1.2计算日地距离：

地球以椭圆形轨道绕太阳旋转，一年中每一天地球与太阳的距离并不相同；日地平均距离为149597892±500km，与该距离相对应的太阳辐照度为标准太阳辐照度，在其它日期，大气上界与的太阳辐照度要进行订正，订正采用日地距离订正因数d_m，其定义为：

d_m＝d₀/d

其中：d_m：日地距离订正因数；d₀：日地平均距离；d：日地距离；

1.3计算大气上界面太阳辐照度：

大气上界的太阳辐照度用下式表示：

太阳辐射常数，即与日地平均距离对应的大气上界与日光垂直平面上的辐照度，1367W/m²；S₀：大气上界水平面上的太阳辐照度；d_m：日地距离订正因数；θ：太阳天顶角；

1.4计算地表辐照度：

地表接收到的太阳辐射由直接辐射、散射辐射组成，两者均与日光直接辐射穿过的大气路径长度有关，采用大气量表示；大气量的计算公式如下：

其中：θ：太阳天顶角；M₀：海平面上的大气量；M_h：海拔高度h对应的大气量；p₀：地面标准大气压，1013.25hPa；p_h：海拔高度h对应的大气压；

基于大气量，晴天无云条件下大气直射透明系数τ_b和散射透明系数τ_d，及其对应的直射辐照度、散射辐照度，直射辐照度和散射辐照度之和即为地表接收到的总辐照度；表达式如下：

τ_d＝0.271-0.294×τ_b

S′＝S₀(τ_b+τ_d)

其中：S′：晴天无云条件下，地表水平面上接收到的太阳总辐照度。

进一步地，所述步骤2)包括：

以云团中某一点P为对象，设P在地面的投影为P′，P′相对于P的偏移量计算公式如下：

Δx＝-z×tan(θ)×sinα

Δy＝-z×tan(θ)×cosα

其中：z：云团中P点到地面的垂直距离；θ：太阳天顶角；Δx：阴影P′相对于P偏移量的东西向分量，向东为正；Δy：阴影P′相对于P偏移量的南北向分量，向北为正；α为太阳方位角，其定义为：以目标物的北方向为起始方向，太阳光的入射方向为终止方向，按顺时针方向所测量的角度；

计算云的投影位置公式如下：

x₁＝x₀+Δx

x₁＝x₀-z×tan(θ)×sinα

y₁＝y₀+Δy

y₁＝y₀-z×tan(θ)×cosα

其中：x₀、y₀为云团中P点的坐标位置，x₁、y₁为云团投影中P′点的坐标位置。

进一步地，所述步骤3)包括：

云对太阳辐射的吸收和散射，最终的结果是造成对太阳辐射的削弱与损失，即消光系数，云的含水量与消光系数的关系如下式所示：

k_ex＝128q_w

其中：q_w：云的含水量，单位为g/m³；k_ex：云的消光系数，单位为km^-1。

进一步地，所述步骤4)包括：确定云影位置处辐照度

对于云上某一点P，其阴影位置P′点处的太阳辐照度计算公式如下：

S_L＝S′(1-k_ex)

其中：S′：晴天无云条件下，地表水平面上接收到的太阳总辐照度；k_ex：云中P点的消光系数；S_L：P的投影位置P′点处的太阳辐照度。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1.本方法物理意义明确，通过日地关系与大气物理学公式计算晴空无云条件下的地表辐照度、云的投影位置、消光系数等参数，计算结果可靠，适用于全球任何区域。

2.本方法计算较为简单，无需光谱分析，无需区分不同的光波波长进行分光计算等，易于推广与工程化应用。

3.本方法计算结果准确，能够得到准确的云影位置、辐照度衰减值。克服了地基云图照片缺乏云层高度、图像变形、计算公式复杂、缺乏有效云层特性信息等问题。

附图说明

图1是本发明提供的云的投影位置偏移关系示意图；

图2是本发明提供的云影区域辐照度计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本部分介绍根据日地关系、大气物理学公式、云层特性观测数据计算云影区域辐照度的方法，技术方案如下：

1、计算晴天无云条件下的辐照度

计算云对辐照度的影响，首先需要知道晴天无云条件下，某一地点应该获得的辐照度，称为晴天无云辐照度。晴天无云辐照度主要取决大气上界太阳辐照度及日光穿过大气层的衰减程度。

1.1计算太阳方位

大气上界的辐照度主要取决于日地关系，即从地表坐标系来看太阳的位置，一般采用太阳天顶角/高度角和方位角表示。对于地面上处于纬度和经度λ的观测者而言，在某一时刻观测到的太阳的天顶角θ(太阳高度角β的余角)和方位角α可以用下列方程来计算：

其中δ为太阳赤纬角(日地中心连线与赤道平面的夹角)，变化于±23°27′之间。ω为时角，定义为观测点的经圈与太阳重合后(即当地正午)地球自转的角度，每天从0°变至360°，正午时刻时角为0°。

1.2计算日地距离

地球以椭圆形轨道绕太阳旋转，一年中每一天地球与太阳的距离并不相同。日地平均距离为149 597 892±500km，与该距离相对应的太阳辐照度为标准太阳辐照度，而在其它日期，大气上界与的太阳辐照度要进行订正，订正采用日地距离订正因数d_m，其定义为：

d_m＝d₀/d

式中：d_m：日地距离订正因数；d₀：日地平均距离；d：日地距离；

1.3计算大气上界面太阳辐照度

大气上界的太阳辐照度随日地距离的变化有所不同。此外，大气上界水平面辐照度与太阳天顶角有关，天顶角越小，得到的太阳辐照度越多。

式中：太阳辐射常数，即与日地平均距离对应的大气上界与日光垂直平面上的辐照度，(1367W/m²)；S₀：大气上界水平面上的太阳辐照度；d_m：日地距离订正因数；θ：太阳天顶角。

1.4计算地表辐照度

地表接收到的太阳辐射由直接辐射、散射辐射组成，两者均与日光直接辐射穿过的大气路径长度有关，采用大气量表示。大气量与太阳天顶角、大气压有关，计算公式如下：

式中：θ：太阳天顶角；M₀：海平面上的大气量；M_h：海拔高度h对应的大气量；p₀：地面标准大气压(1013.25hPa)；p_h：海拔高度h对应的大气压。

基于大气量，可以计算晴天无云条件下大气直射透明系数τ_b和散射透明系数τ_d，及其对应的直射辐照度、散射辐照度。两者之和即为地表接收到的总辐照度。需要说明的是，到达地面的总辐射中，有一部分被地面反射回大气，称为地面反射辐射，本计算中不考虑反射辐射。

τ_d＝0.271-0.294×τ_b

S′＝S₀(τ_b+τ_d)

式中：S₀：大气上界水平面上的太阳辐照度；S′：晴天无云条件下，地表水平面上接收到的太阳总辐照度。

2、计算云的投影位置

云的投影位置与云的位置、云的高度及太阳的方位有关。以云团中某一点P为对象，设P在地面的投影为P′，P′相对于P的偏移量计算公式如下，云团的投影偏移关系如图1所示。

Δx＝-z×tan(θ)×sinα

Δy＝-z×tan(θ)×cosα

式中：z：云团中P点到地面的垂直距离；θ：太阳天顶角；Δx：阴影P′相对于P偏移量的东西向分量，向东为正；Δy：阴影P′相对于P偏移量的南北向分量，向北为正。其中，α为太阳方位角，其定义为：以目标物的北方向为起始方向，太阳光的入射方向为终止方向，按顺时针方向所测量的角度。对于中国区域，早、中、傍晚的太阳方位角分别约为90°、180°、270°。

在此基础上，可计算云的投影位置，公式如下所示：

x₁＝x₀+Δx

x₁＝x₀-z×tan(θ)×sinα

y₁＝y₀+Δy

y₁＝y₀-z×tan(θ)×cosα

式中：x₀、y₀为云团中P点的坐标位置，x₁、y₁为云团投影中P′点的坐标位置。

3、计算云的消光系数

云对太阳辐射的吸收和散射，最终的结果是造成对太阳辐射的削弱与损失，即消光系数。关于云的消光系数，研究最多的是云的含水量与消光系数的关系。Chylek给出云的含水量与消光系数的计算公式如下。实际探测结果显示，该公式的适用范围相当广泛。

k_ex＝128q_w

式中：q_w：云的含水量，单位为g/m³；k_ex：云的消光系数，单位为km^-1；

4、计算云影位置处辐照度

基于以上计算，对于云上某一点P，其阴影位置P′点处的剩余辐照度计算公式如下：

S_L＝S′(1-k_ex)

式中：S′：晴天无云条件下，地表水平面上接收到的太阳总辐照度；k_ex：云中P点的消光系数；S_L：P的投影位置P′点处的太阳辐照度。

针对云团中每一点进行计算，即可得到整个云团阴影范围内的太阳辐照度。整体技术方案的计算流程如图2所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种云对太阳辐照度影响的确定方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

1)确定晴天无云条件下的辐照度；

2)确定云的投影位置；

3)确定云的消光系数；

4)确定云影位置处辐照度。

2.如权利要求1所述的云对太阳辐照度影响的确定方法，其特征在于，所述步骤1)包括：

1.1计算太阳方位：

对于地面上处于纬度和经度λ的观测者而言，在某一时刻观测的太阳天顶角θ和方位角α用下列方程来计算：

其中：δ为太阳赤纬角，即日地中心连线与赤道平面的夹角，变化于±23°27′之间；ω为时角，定义为观测点的经圈与太阳重合后地球自转的角度，每天从0°变至360°，正午时刻时角为0°；

1.2计算日地距离：

地球以椭圆形轨道绕太阳旋转，一年中每一天地球与太阳的距离并不相同；日地平均距离为149597892±500km，与该距离相对应的太阳辐照度为标准太阳辐照度，在其它日期，大气上界与的太阳辐照度要进行订正，订正采用日地距离订正因数d_m，其定义为：

d_m＝d₀/d

其中：d_m：日地距离订正因数；d₀：日地平均距离；d：日地距离；

1.3计算大气上界面太阳辐照度：

大气上界的太阳辐照度用下式表示：

$S_0=\stackrel{\‾}{S_0}\×d_m^2\×cos\mathrm{\θ}$

太阳辐射常数，即与日地平均距离对应的大气上界与日光垂直平面上的辐照度，1367W/m²；S₀：大气上界水平面上的太阳辐照度；d_m：日地距离订正因数；θ：太阳天顶角；

1.4计算地表辐照度：

地表接收到的太阳辐射由直接辐射、散射辐射组成，两者均与日光直接辐射穿过的大气路径长度有关，采用大气量表示；大气量的计算公式如下：

$M_0=\sqrt{1229+{\left(614cos\mathrm{\θ}\right)}^2}-614cos\mathrm{\θ}$

$M_h=M_0\frac{p_h}{p_0}$

其中：θ：太阳天顶角；M₀：海平面上的大气量；M_h：海拔高度h对应的大气量；p₀：地面标准大气压，1013.25hPa；p_h：海拔高度h对应的大气压；

基于大气量，晴天无云条件下大气直射透明系数τ_b和散射透明系数τ_d，及其对应的直射辐照度、散射辐照度，直射辐照度和散射辐照度之和即为地表接收到的总辐照度；表达式如下：

${\mathrm{\τ}}_b=0.56(e^{-0.56M_h}+e^{-0.059M_h})$

τ_d＝0.271-0.294×τ_b

S′＝S₀(τ_b+τ_d)

其中：S′：晴天无云条件下，地表水平面上接收到的太阳总辐照度。

3.如权利要求1所述的云对太阳辐照度影响的确定方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

以云团中某一点P为对象，设P在地面的投影为P′，P′相对于P的偏移量计算公式如下：

Δx＝-z×tan(θ)×sinα

Δy＝-z×tan(θ)×cosα

其中：z：云团中P点到地面的垂直距离；θ：太阳天顶角；Δx：阴影P′相对于P偏移量的东西向分量，向东为正；Δy：阴影P′相对于P偏移量的南北向分量，向北为正；α为太阳方位角，其定义为：以目标物的北方向为起始方向，太阳光的入射方向为终止方向，按顺时针方向所测量的角度；

计算云的投影位置公式如下：

x₁＝x₀+Δx

x₁＝x₀-z×tan(θ)×sinα

y₁＝y₀+Δy

y₁＝y₀-z×tan(θ)×cosα

其中：x₀、y₀为云团中P点的坐标位置，x₁、y₁为云团投影中P′点的坐标位置。

4.如权利要求1所述的云对太阳辐照度影响的确定方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

云对太阳辐射的吸收和散射，最终的结果是造成对太阳辐射的削弱与损失，即消光系数，云的含水量与消光系数的关系如下式所示：

k_ex＝128q_w

其中：q_w：云的含水量，单位为g/m³；k_ex：云的消光系数，单位为km^-1。

5.如权利要求1所述的云对太阳辐照度影响的确定方法，其特征在于，所述步骤4)包括：确定云影位置处辐照度

对于云上某一点P，其阴影位置P′点处的太阳辐照度计算公式如下：

S_L＝S′(1-k_ex)

其中：S′：晴天无云条件下，地表水平面上接收到的太阳总辐照度；k_ex：云中P点的消光系数；S_L：P的投影位置P′点处的太阳辐照度。