CN110535436B - 测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法及系统，包括如下步骤：采用多个太阳辐射测量仪分别以不同的角度采集太阳全局辐射GHI数据，建立全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型；建立太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型；将太阳辐射测量仪采集的太阳全局辐射GHI数据、全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型、误差模型进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据；根据直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，测算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，具体地，涉及一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法及系统，尤其是一种低成本高精度的测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法及系统。
背景技术
我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能产业发展具有非常光辉的前景。太阳能利用主要包括：光伏发电利用、光热发电利用、光热利用、光化学利用、光生物利用和光热光电综合利用等技术领域。针对太阳能利用方式的不同，需要对太阳能直接辐射，散射辐射和地面反射能量进行精确地测算来评估和优化太阳能转化系统的优化设计和优化运行。
太阳辐照量的测量涉及到太阳日射光转换、响应时间、累积记录等因素。要达到较高精度的测量效果，需要采用高精度的辐射强度仪、积算仪和记录仪，基于这些分立仪器组成的系统，需要花费高昂的成本。而采用一些低成本的太阳辐射测量仪，测量精度又难以达到要求，对于一些地面跟踪式光伏电站和光热发电站这样的大规模系统应用的设计和运行优化，低成本高精度的辐照测量方法显得尤为重要。
公开号为CN205483261U的专利文献公开了一种太阳辐射七要素测量仪，包括太阳直接辐射表，用于测量太阳直接辐射；太阳总辐射传感器一，用于测量太阳散射辐射；太阳总辐射传感器二，用于测量太阳总辐射；太阳总辐射传感器三，用于测量太阳反射辐射；太阳长波辐射传感器一，用于测量大气长波辐射；太阳长波辐射传感器二，用于测量地面长波辐射；以及光平衡传感器、平板、驱动装置和微机控制器。采用上述结构后，能够同时对太阳辐射七要素进行测量，能自动调整方位，对太阳实现全天候自动实时追踪，太阳辐射七要素包括太阳总辐射、散射辐射、直接辐射、反射辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净全辐射，且操作简单，跟踪速度快，测量精度高，无需每天繁琐的调试。但是该方案成本太高且测量的数据有仅在传感器位置附近有效，如果要在大型地面太阳能系统中应用，需要多个系统密集部署。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法及系统。
根据本发明的一个方面，提供的一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法，包括如下步骤：
步骤1：采用多个太阳辐射测量仪分别以不同的角度采集太阳全局辐射GHI数据，建立全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型；
步骤2：建立太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型；
步骤3：将太阳辐射测量仪采集的太阳全局辐射GHI数据、全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型、误差模型进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据；
步骤4：根据直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，测算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI。
优选地，所述步骤1具体为：
将n个太阳辐射测量仪进行编号，将编号记为i，i∈[1，2，3，...，n]，n≥2，记太阳辐射测量仪自身平面法向与水平面的夹角为θi，θi∈[0°，180°]，i∈[1，2，3，...，n]，记太阳方位角为φsun，太阳高度角为θsun，则第i号太阳辐射测量仪测量的全局辐射GHIi与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系表示为：
GHIi＝DNI·α(θi，φsun，θsun)+DHI·β(θi，φsun，θsun)+GAI·γ(θi，φsun，θsun)+errori(θi) (1)
其中，α(θi，φsun，θsun)，β(θi，φsun，θsun)，γ(θi，φsun，θsun)分别表示因夹角θi的存在导致的直接辐射DNI、散射辐射DHI、地面反射GAI在第i号太阳辐射测量仪上的转化系数，取值范围均在[0，1]；errori(θi)表示第i号太阳辐射测量仪的测量误差。
优选地，当太阳辐射测量仪水平放置时，即θi＝90°时，
α(θi，φsun，θsun)＝1
β(θi，φsun，θsun)＝1
γ(θi，φsun，θsun)＝1。
优选地，所述步骤2具体为：
将n个太阳辐射测量仪在同一个位置测得的全局辐射值进行两两校正，所述校正的误差模型为：
Δerrorij＝GHIi(θi)-GHIj(θj)，
θi＝θj，
i，j∈[1，2，3，...，n]，
θi，θj∈[0°，180°] (2)
其中，GHIi(θi)表示第i号太阳辐射测量仪在θi位置时测得的全局辐射值，GHIj(θj)表示第j号太阳辐射测量仪在θj位置时测得的全局辐射值；θi和θj分别表示第i号和第j号太阳辐射测量仪自身平面法向与水平面的夹角；Δerrorij表示第i号和第j号太阳辐射测量仪在同一位置，即θi＝θj时，测得的全局辐射值之间的差值。
优选地，所述步骤3具体为：
将全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型，即公式(1)，太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型，即公式(2)，以及各太阳辐射测量仪的角度θi和测得的全局辐射GHIi值进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的值。
优选地，所述数据融合的方法采用如下任一种或任多种方法：
-卡尔曼滤波
-贝叶斯滤波
-粒子滤波。
优选地，所述步骤4具体为：
根据计算的直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI值，采用如下公式计算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI：
根据计算的直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI值，采用如下公式计算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI：
其中，
表示太阳能转化部件自身平面与水平面的夹角；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件正面对直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的转换效率，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件反面对散射辐射DHI、地面反射GAI的转换效率，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件正面对直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的吸收比例，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件反面对散射辐射DHI以及地面反射GAI的吸收比例，取值范围均在[0，1]。
根据本发明的另有一个方面，提供一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的系统，包括如下模块：
-太阳辐射测量仪：以不同的角度采集太阳全局辐射GHI数据；
-数据采集单元：将多个太阳辐射测量仪采集的数据进行汇总处理后传输到中央处理单元；
-中央处理单元：根据数据采集单元采集的数据，建立全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型；建立太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型；将太阳辐射测量仪采集的太阳全局辐射GHI数据、全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型、误差模型进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据；根据直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，测算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用低成本太阳辐射测量仪采集初始全局辐照数据作为计算的原始数据，能够有效地降低成本。
2、本发明基于多个低成本太阳辐射测量仪的相互校正偏差，将全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型，太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型，以及各太阳辐射测量仪的角度θi和测得的全局辐射GHI值进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的值，能够有效还原高精度辐照值。
3、本发明能够一次性同时测量全局辐射、直接辐射、散射辐射、地面反射以及设备误差，十分高效。
4、本发明通过将计算得到直接辐射、散射辐射、地面反射直接用于计算太阳转化部件的太阳能吸收量，不仅实现了低成本，还具有高精度，高效率的优点。
5、基于本发明，通过TAI在太阳能部件不同安放角度下的测试值的优化，可实现单面组件跟踪系统，双面组件跟踪系统，光热跟踪系统的最优跟踪角度的实时优化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明太阳辐照测量方法流程图。
图2为本发明水平放置的太阳辐射测量仪的方位示意图。
图3为本发明倾斜放置的太阳辐射测量仪的方位示意图。
图4为本发明中太阳方位角与太阳高度角的方位示意图。
图5为本发明太阳各辐照值得计算步骤流程图。
图6为本发明计算的太阳各辐照值所在得置信区间图。
图7为本发明太阳各辐照与太阳能转化部件之间的方位图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个方面，提供一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法，如图1-7所示，包括如下步骤：
步骤1：采用多个太阳辐射测量仪分别以不同的角度采集太阳全局辐射GHI(Global Horizontal Irradiance)数据，建立全局辐射GHI与直接辐射DNI(Direct NormalIrradiance)、散射辐射DHI(Diffuse Horizontal Irradiance)以及地面反射GAI(GroundAlbedo Irradiance)之间的关系模型，优选地，太阳辐射测量仪采用低成本辐照测量仪；
步骤2：建立太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型；
步骤3：将太阳辐射测量仪采集的太阳全局辐射GHI数据、全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型、误差模型进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，优选地，通过中央计算单元进行数据融合；
步骤4：根据直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，测算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI(Total Absorbed Irradiance)。
优选地，所述步骤1具体为：
将n个太阳辐射测量仪进行编号，将编号记为i，i∈[1，2，3，...，n]，n≥2，记太阳辐射测量仪自身平面法向与水平面的夹角为θi，θi∈[0°，180°]，i∈[1，2，3，...，n]，记太阳方位角(azimuth)为φsun，太阳高度角(elevation)为θsun，则第i号太阳辐射测量仪测量的全局辐射GHIi与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系表示为：
GHIi＝DNI·α(θi，φsun，θsun)+DHI·β(θi，φsun，θsun)+GAI·γ(θi，φsun，θsun)+errori(θi) (1)
其中，α(θi，φsun，θsun)，β(θi，φsun，θsun)，γ(θi，φsun，θsun)分别表示因夹角θi的存在导致的直接辐射DNI、散射辐射DHI、地面反射GAI在第i号太阳辐射测量仪上的转化系数，取值范围均在[0，1]；errori(θi)表示第i号太阳辐射测量仪的测量误差。
优选地，当太阳辐射测量仪水平放置时，即θi＝90°时，
α(θi，φsun，θsun)＝1
β(θi，φsun，θsun)＝1
γ(θi，φsun，θsun)＝1。
优选地，所述步骤2具体为：
将n个太阳辐射测量仪在同一个位置测得的全局辐射值进行两两校正，所述校正的误差模型为：
Δerrorij＝GHIi(θi)-GHIj(θj)，
θi＝θj，
i，j∈[1，2，3，...，n]，
θi，θi∈[0°，180°] (2)
其中，GHIi(θi)表示第i号太阳辐射测量仪在θi位置时测得的全局辐射值，GHIj(θj)表示第j号太阳辐射测量仪在θj位置时测得的全局辐射值；θi和θj分别表示第i号和第j号太阳辐射测量仪自身平面法向与水平面的夹角；Δerrorij表示第i号和第j号太阳辐射测量仪在同一位置，即θi＝θj时，测得的全局辐射值之间的差值。
优选地，所述步骤3具体为：
将全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型，即公式(1)，太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型，即公式(2)，以及各太阳辐射测量仪的角度θi和测得的全局辐射GHIi值进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的值。
优选地，所述数据融合的方法采用如下任一种或任多种方法：
-卡尔曼滤波及其变种方法
-贝叶斯滤波及其变种方法
-粒子滤波及其变种方法。
优选地，所述步骤4具体为：
根据计算的直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI值，采用如下公式计算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI：
根据计算的直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI值，采用如下公式计算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI：
其中，
表示太阳能转化部件自身平面与水平面的夹角；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件正面对直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的转换效率，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件反面对散射辐射DHI、地面反射GAI的转换效率，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件正面对直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的吸收比例，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件反面对散射辐射DHI以及地面反射GAI的吸收比例，取值范围均在[0，1]。
根据本发明的另有一个方面，提供一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的系统，包括如下模块：
-太阳辐射测量仪：以不同的角度采集太阳全局辐射GHI数据；
-数据采集单元：将多个太阳辐射测量仪采集的数据进行汇总处理后传输到中央处理单元；
-中央处理单元：根据数据采集单元采集的数据，建立全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型；建立太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型；将太阳辐射测量仪采集的太阳全局辐射GHI数据、全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型、误差模型进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据；根据直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，测算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI。
实施例：
取n＝4，当φsun＝226.156，θsun＝60.51时，四个太阳辐射测量仪的安装角度分别为150°、0°、30°、60°。四个太阳辐射测量仪的读数分别为614.1W/m2、853.9W/m2、937.9W/m2、842.8W/m2。通过步骤1-3测算出来的各部分光照辐射强度为直接辐射DNI＝668.6W/m2，散射辐射DHI＝272.0W/m2，地面反射GAI＝256.2W/m2。
太阳能转化部件为太阳能双面组件，与水平的夹角为20度。
c1＝0.21；当散射辐射DHI在太阳能转化部件的电池板正面时，
当散射辐射DHI在太阳能转化部件的电池板反面时，
当地面反射GAI在太阳能转化部件的电池板正面时，
当地面反射GAI在太阳能转化部件的电池板反面时，
φ1＝0.99，当散射辐射DHI在太阳能转化部件的电池板正面时，
当散射辐射DHI在太阳能转化部件的电池板反面时，
当地面反射GAI在太阳能转化部件的电池板正面时，
当地面反射GAI在太阳能转化部件的电池板反面时，
将上述数据带入公式(3)，计算得TAI＝244.25W/m2。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用多个太阳辐射测量仪分别以不同的角度采集太阳全局辐射GHI数据，建立全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型；
步骤2：建立太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型；
步骤3：将太阳辐射测量仪采集的太阳全局辐射GHI数据、全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型、误差模型进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据；
步骤4：根据直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，测算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI；
所述步骤1具体为：
将n个太阳辐射测量仪进行编号，将编号记为i，i∈[1，2，3，...，n]，n≥2，记太阳辐射测量仪自身平面法向与水平面的夹角为θi，θi∈[0°，180°]，i∈[1，2，3，...，n]，记太阳方位角为φsun，太阳高度角为θsun，则第i号太阳辐射测量仪测量的全局辐射GHIi与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系表示为：
GHIi＝DNI·α(θi，φsun，θsun)+DHI·β(θi，φsun，θsun)+GAI·γ(θi，φsun，θsun)+errori(θi) (1)
其中，α(θi，φsun，θsun)，β(θi，φsun，θsun)，γ(θi，φsun，θsun)分别表示因夹角θi的存在导致的直接辐射DNI、散射辐射DHI、地面反射GAI在第i号太阳辐射测量仪上的转化系数，取值范围均在[0，1]；errori(θi)表示第i号太阳辐射测量仪的测量误差；
所述步骤2具体为：
将n个太阳辐射测量仪在同一个位置测得的全局辐射值进行两两校正，所述校正的误差模型为：
Δerrorij＝GHIi(θi)-GHIj(θj)，
θi＝θj ，
i，j∈[1，2，3，...，n]，
θi，θj∈[0°，180°] (2)
其中，GHIi(θi)表示第i号太阳辐射测量仪在θi位置时测得的全局辐射值，GHIj(θj)表示第j号太阳辐射测量仪在θj位置时测得的全局辐射值；θi和θj分别表示第i号和第j号太阳辐射测量仪自身平面法向与水平面的夹角；Δerrorij表示第i号和第j号太阳辐射测量仪在同一位置，即θi＝θj时，测得的全局辐射值之间的差值；
所述步骤3具体为：
将全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型，即公式(1)，太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型，即公式(2)，以及各太阳辐射测量仪的角度θi和测得的全局辐射GHIi值进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的值；
所述步骤4具体为：
根据计算的直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI值，采用如下公式计算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI：
其中，
表示太阳能转化部件自身平面与水平面的夹角；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件正面对直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的转换效率，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件反面对散射辐射DHI、地面反射GAI的转换效率，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件正面对直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI的吸收比例，取值范围均在[0，1]；
分别表示因夹角
导致的太阳能转化部件反面对散射辐射DHI以及地面反射GAI的吸收比例，取值范围均在[0，1]。
2.根据权利要求1所述的测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法，其特征在于，当太阳辐射测量仪水平放置时，即θi＝90°时，
α(θi，φsun，θsun)＝1
β(θi，φsun，θsun)＝1
γ(θi，φsun，θsun)＝1。
3.根据权利要求1所述的测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法，其特征在于，所述数据融合的方法采用如下任一种或任多种方法：
-卡尔曼滤波
-贝叶斯滤波
-粒子滤波。
4.一种测算太阳能转化部件太阳能吸收量的系统，其特征在于，采用权利要求1所述的测算太阳能转化部件太阳能吸收量的方法，包括如下模块：
-太阳辐射测量仪：以不同的角度采集太阳全局辐射GHI数据；
-数据采集单元：将多个太阳辐射测量仪采集的数据进行汇总处理后传输到中央处理单元；
-中央处理单元：根据数据采集单元采集的数据，建立全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型；建立太阳辐射测量仪两两之间进行全局辐射GHI数据校正的误差模型；将太阳辐射测量仪采集的太阳全局辐射GHI数据、全局辐射GHI与直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI之间的关系模型、误差模型进行数据融合，得到直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据；根据直接辐射DNI、散射辐射DHI以及地面反射GAI数据，测算太阳能转化部件的太阳能吸收量TAI。
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