CN112035540A - 一种复杂地形太阳能资源测量方法 - Google Patents

一种复杂地形太阳能资源测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能光伏发电应用技术领域，公开了一种复杂地形太阳能资源测量方法，所述复杂地形太阳能资源测量方法为：使用角度仪测量周边山体轮廓的拐点角度坐标，绘制地平线图并建立三维模型；收集场址周边参考太阳能辐射观测站全年逐小时太阳能辐射测量数据并分离出直射、散射辐射量；代入直射与散射数据，计算逐小时经山体遮挡后的辐射量；累加、统计、汇总测量分析结果。本发明涉及建设场址周边山体阴影遮挡影响，提高了光伏发电项目前期太阳能资源评估的准确性，有利于降低光伏发电站的投资风险；能够解决复杂地形条件下，因周边山体阴影遮挡导致光伏发电站场址太阳能辐射无法准确测量的问题。

Description

一种复杂地形太阳能资源测量方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电应用技术领域，尤其涉及一种复杂地形太阳能资源测量方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：
现有的光伏发电站太阳能资源测量及评估方法主要有：
1)通过卫星遥感技术对光伏发电站场址进行地表面辐照强度观测，对时间累积后取值形成月份和年份数据；
2)选取离光伏发电站最近的气象观测站作为参证气象站，将参证气象站数据作为场址的代表数据。
综上所述，现有技术存在的问题是：
卫星遥感技术对地表辐照强度的观测是基于大气顶层辐射叠加气溶胶特性影响后的数据，未考虑地球表面地形地貌的影响。
参证气象站通常选址在地势宽阔的地点，周边无明显山体遮挡，与光伏建设场址复杂的地形地貌可能存在明显差异。
以上可知，基于卫星遥感和气象站观测的数据均未考虑到建设场址周边山体的遮挡，无法定量评估复杂地形地貌对辐射的影响，太阳能资源数据对建设场址的代表性较差。
解决上述技术问题的难度：
1)因周边山体对阳光的遮挡左右，复杂地形地表太阳能辐射量受地形影响较大；
2)山体地形轮廓复杂，遮挡后的太阳能辐射量难以定量计算。
解决上述技术问题的意义：
发明一种计及建设场址周边山体阴影遮挡影响的太阳能辐射量测量和评估方法，可大幅提高光伏发电项目前期太阳能资源评估的准确性，有利于降低光伏发电站的投资风险。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种复杂地形太阳能资源测量方法。
本发明是这样实现的，一种复杂地形太阳能资源测量方法，所述复杂地形太阳能资源测量方法为：使用角度仪测量周边山体轮廓的拐点角度坐标，绘制地平线图并建立三维模型；收集场址周边参考太阳能辐射观测站全年逐小时太阳能辐射测量数据并分离出直射、散射辐射量；代入直射与散射数据，计算逐小时经山体遮挡后的辐射量；累加、统计、汇总测量分析结果。
进一步，所述复杂地形太阳能资源测量方法具体包括：
第一步，在测量现场使用测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角，并记录坐标；
第二步，依据步骤一记录的坐标绘制测量区域的地平线图，并建立地形三维模型；
第三步，拟合场址附近有代表性气象观测站全年逐小时辐射观测数据，采用气候学方法分离出直射辐射与散射辐射数据；
第四步，代入直射与散射数据，计算全年逐小时经山体遮挡后的直射辐射量；
第五步，累加、统计、汇总散射辐射数据，形成场址全年逐小时总辐射数据。
进一步，步骤一中，所述测绘仪器角度仪设置有：底座；
所述底座通过转轴连接方位角刻度盘，所述方位角刻度盘的中心连接垂直标杆，并且所述垂直标杆固定在所述底座上；
所述垂直标杆上垂直固定有高度角测量仪。
进一步，所述高度角测量仪包括水平标杆、高度角刻度盘和影子指针；
所述高度角刻度盘通过水平标杆固定在垂直标杆上，且所述高度角刻度盘与所述水平标杆垂直；
所述高度角刻度盘上刻有刻度线；
所述影子指针的一端套接在所述水平标杆的根部，另一端向所述高度角刻度盘上的刻度线方向延伸。
进一步，步骤一中，所述在测量现场使用测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角，具体为：
通过方位角刻度盘得到方位角；将影子指针中的中线与垂直标杆的影子重合；
高度角刻度盘上显示影子的高度，通过三角函数计算出该时刻测量地的太阳高度角。
进一步，步骤二中，所述建立地形三维模型，具体包括：
步骤一，将记录的坐标转换为相应的点云数据；
步骤二，判断点云数据中的错点和坏点并进行修正；
步骤三，利用三维建模软件Revit来创建设计模型；
步骤四，创建设计模型将与修正后的点云数据进行整合处理，输出带有三维地形的BIM模型。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述复杂地形太阳能资源测量方法的复杂地形太阳能资源测量系统。
进一步，所述复杂地形太阳能资源测量系统包括：
角度测量模块，与中央控制模块连接，用于通过测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角；
坐标确定模块，与角度测量模块、中央控制模块连接，用于通过坐标确定程序确定测量区域坐标；
中央控制模块，与角度测量模块、坐标确定模块、地平线图绘制模块、三维模型构建模块、数据采集模块、数据分离模块、辐射量计算模块、总辐射量计算模块连接，用于通过主控机控制各个模块正常运行。
地平线图绘制模块，与中央控制模块连接，用于通过地平线图绘制程序依据测量区域坐标绘制测量区域的地平线图；
三维模型构建模块，与中央控制模块连接，用于通过三维模型构建程序构建地形三维模型；
数据采集模块，与中央控制模块连接，用于通过数据采集程序采集场址附近有代表性气象观测站全年逐小时辐射观测数据；
数据分离模块，与中央控制模块连接，用于通过数据分利程序采用气候学方法分离出直射辐射与散射辐射数据；
辐射量计算模块，与中央控制模块连接，用于通过辐射量计算程序计算全年逐小时经山体遮挡后的直射辐射量；
总辐射量计算模块，与中央控制模块连接，用于通过总辐射量计算程序对散射辐射数据进行累加、统计、汇总，形成场址全年逐小时总辐射数据。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
基于现场测绘的周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角数据，对太阳能辐射观测站数据进行修正，得到计及周边山体阴影遮挡后的太阳能辐射数据。涉及了建设场址周边山体阴影遮挡影响，提高了光伏发电项目前期太阳能资源评估的准确性，有利于降低光伏发电站的投资风险。本发明旨在解决复杂地形条件下，因周边山体阴影遮挡导致光伏发电站场址太阳能辐射无法准确测量的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的复杂地形太阳能资源测量方法流程图。
图2是本发明实施例提供的测绘仪器角度仪的示意图；
图中：1、底座；2、方位角刻度盘；3、影子指针；4、垂直标杆；5、高度角测量仪。
图3是本发明实施例提供的复杂地形太阳能资源测量系统的结构框图；
图中：1、角度测量模块；2、坐标确定模块；3、中央控制模块；4、地平线图绘制模块；5、三维模型构建模块；6、数据采集模块；7、数据分离模块；8、辐射量计算模块；9、总辐射量计算模块。
图4是本发明实施例提供的复杂地形太阳能资源测量方法原理图。
图5是本发明实施例提供的根据拐点坐标绘制的地平线图。
图6是本发明实施例提供的附近地形平坦的气象站修正后的逐小时总辐射及直射数据图。
图7是本发明实施例提供的通过太阳能直接辐射表将逐小时的直射数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明旨在解决复杂地形条件下，因周边山体阴影遮挡导致光伏发电站场址太阳能辐射无法准确测量的问题。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明实施例提供的复杂地形太阳能资源测量方法为：使用角度仪测量周边山体轮廓的拐点角度坐标，绘制地平线图并建立三维模型；收集场址周边参考太阳能辐射观测站全年逐小时太阳能辐射测量数据并分离出直射、散射辐射量；代入直射与散射数据，计算逐小时经山体遮挡后的辐射量；累加、统计、汇总测量分析结果。
如图1所示，本发明实施例提供的复杂地形太阳能资源测量方法具体包括：
S101，在测量现场使用测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角，并记录坐标。
S102，依据步骤S101记录的坐标绘制测量区域的地平线图，并建立地形三维模型。
S103，拟合场址附近有代表性气象观测站全年逐小时辐射观测数据，采用气候学方法分离出直射辐射与散射辐射数据。
S104，代入直射与散射数据，计算全年逐小时经山体遮挡后的直射辐射量。
S105，累加、统计、汇总散射辐射数据，形成场址全年逐小时总辐射数据。
步骤S101中，本发明实施例提供的测绘仪器角度仪设置有：底座；
所述底座通过转轴连接方位角刻度盘，所述方位角刻度盘的中心连接垂直标杆，并且所述垂直标杆固定在所述底座上；
所述垂直标杆上垂直固定有高度角测量仪。
本发明实施例提供的高度角测量仪包括水平标杆、高度角刻度盘和影子指针；
所述高度角刻度盘通过水平标杆固定在垂直标杆上，且所述高度角刻度盘与所述水平标杆垂直；
所述高度角刻度盘上刻有刻度线；
所述影子指针的一端套接在所述水平标杆的根部，另一端向所述高度角刻度盘上的刻度线方向延伸。
步骤S101中，本发明实施例提供的在测量现场使用测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角，具体为：
通过方位角刻度盘得到方位角；将影子指针中的中线与垂直标杆的影子重合；
高度角刻度盘上显示影子的高度，通过三角函数计算出该时刻测量地的太阳高度角。
步骤S102中，本发明实施例提供的建立地形三维模型，具体包括：
步骤一，将记录的坐标转换为相应的点云数据；
步骤二，判断点云数据中的错点和坏点并进行修正；
步骤三，利用三维建模软件Revit来创建设计模型；
步骤四，创建设计模型将与修正后的点云数据进行整合处理，输出带有三维地形的BIM模型。
如图3所示，本发明实施例提供的复杂地形太阳能资源测量系统包括：
角度测量模块1，与中央控制模块3连接，用于通过测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角；
坐标确定模块2，与角度测量模块1、中央控制模块3连接，用于通过坐标确定程序确定测量区域坐标；
中央控制模块3，与角度测量模块1、坐标确定模块2、地平线图绘制模块4、三维模型构建模块4、数据采集模块5、数据分离模块6、辐射量计算模块7、总辐射量计算模块9连接，用于通过主控机控制各个模块正常运行。
地平线图绘制模块4，与中央控制模块3连接，用于通过地平线图绘制程序依据测量区域坐标绘制测量区域的地平线图；
三维模型构建模块5，与中央控制模块3连接，用于通过三维模型构建程序构建地形三维模型；
数据采集模块6，与中央控制模块3连接，用于通过数据采集程序采集场址附近有代表性气象观测站全年逐小时辐射观测数据；
数据分离模块7，与中央控制模块3连接，用于通过数据分利程序采用气候学方法分离出直射辐射与散射辐射数据；
辐射量计算模块8，与中央控制模块3连接，用于通过辐射量计算程序计算全年逐小时经山体遮挡后的直射辐射量；
总辐射量计算模块9，与中央控制模块3连接，用于通过总辐射量计算程序对散射辐射数据进行累加、统计、汇总，形成场址全年逐小时总辐射数据。
下面结合具体实验对本发明作进一步描述。
在本发明中，西南某山区拟建光伏电站场址现场测量山体轮廓线各拐点坐标及如表1。
表1山体轮廓拐点角度坐标
方位角(°) 高度角(°) 方位角(°) 高度角(°) 方位角(°) 高度角(°)
144 11 156 9 169 9
145 11 157 9 170 10
146 10 158 9 171 10
147 10 160 9 172 11
148 11 161 9 173 12
149 11 162 9 174 13
150 11 163 9 175 14
151 10 164 9 176 14
152 10 165 9 177 14
153 10 166 9 178 14
154 10 167 9 179 14
155 9 168 9 180 14
根据拐点坐标绘制的地平线图如图5(灰色阴影上部轮廓线条即为拐点坐标连成的线)。
在拟合场址周边参考太阳能辐射观测站全年逐小时太阳能辐射测量数据并分离出直射、散射辐射量中，以1月份为例，附近地形平坦的气象站修正后的逐小时总辐射及直射数据如图6(单位：kWh/m2)。
在计算全年逐小时受遮挡后的直射辐射中，以1月份为例，通过太阳能直接辐射表将逐小时的直射数据如图7(单位：kWh/m2)。
在汇总散射辐射数据并形成场址全年逐小时总辐射数据中，累加得到的全年逐月数据如下表2。
表2汇总辐射数据(单位：kWh/m2)
Figure BDA0002644297340000081
Figure BDA0002644297340000091
该场址中心处立有1套测光设备，测光时间序列已达到1年。将本发明及传统方法评估数据与现场实际测光数据进行对比如下表3。
表3本发明及传统方法与实测数据对比(单位：kWh/m2)
月份 本发明(计及遮挡) 传统方法(未计及遮挡) 现场测光数据
1月 22 32 21
2月 35 41 33
3月 55 63 59
4月 78 87 73
5月 90 100 89
6月 91 102 96
7月 115 129 123
8月 119 131 124
9月 80 88 75
10月 53 59 50
11月 29 41 28
12月 21 31 22
全年 789 902 793
以上可知：本发明评估结论为全年总辐射量789kWh/m2，与实测数据793kWh/m2十分接近；传统方法未计及山体遮挡影响，评估结论为全年总辐射量902kWh/m2，取值明显偏大。故本发明在计及山体遮挡影响后，对太阳能资源评估的精度大幅提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复杂地形太阳能资源测量方法，其特征在于，所述复杂地形太阳能资源测量方法为：使用角度仪测量周边山体轮廓的拐点角度坐标，绘制地平线图并建立三维模型；收集场址周边参考太阳能辐射观测站全年逐小时太阳能辐射测量数据并分离出直射、散射辐射量；代入直射与散射数据，计算逐小时经山体遮挡后的辐射量；累加、统计、汇总测量分析结果。
2.如权利要求1所述的复杂地形太阳能资源测量方法，其特征在于，所述复杂地形太阳能资源测量方法具体包括：
第一步，在测量现场使用测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角，并记录坐标；
第二步，依据步骤一记录的坐标绘制测量区域的地平线图，并建立地形三维模型；
第三步，拟合场址附近有代表性气象观测站全年逐小时辐射观测数据，采用气候学方法分离出直射辐射与散射辐射数据；
第四步，代入直射与散射数据，计算全年逐小时经山体遮挡后的直射辐射量；
第五步，累加、统计、汇总散射辐射数据，形成场址全年逐小时总辐射数据。
3.如权利要求2所述的复杂地形太阳能资源测量方法，其特征在于，步骤一中，所述测绘仪器角度仪设置有：底座；
所述底座通过转轴连接方位角刻度盘，所述方位角刻度盘的中心连接垂直标杆，并且所述垂直标杆固定在所述底座上；
所述垂直标杆上垂直固定有高度角测量仪。
4.如权利要求3所述的复杂地形太阳能资源测量方法，其特征在于，所述高度角测量仪包括水平标杆、高度角刻度盘和影子指针；
所述高度角刻度盘通过水平标杆固定在垂直标杆上，且所述高度角刻度盘与所述水平标杆垂直；
所述高度角刻度盘上刻有刻度线；
所述影子指针的一端套接在所述水平标杆的根部，另一端向所述高度角刻度盘上的刻度线方向延伸。
5.如权利要求2所述的复杂地形太阳能资源测量方法，其特征在于，步骤一中，所述在测量现场使用测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角，具体为：
通过方位角刻度盘得到方位角；将影子指针中的中线与垂直标杆的影子重合；
高度角刻度盘上显示影子的高度，通过三角函数计算出该时刻测量地的太阳高度角。
6.如权利要求2所述的复杂地形太阳能资源测量方法，其特征在于，步骤二中，所述建立地形三维模型，具体包括：
步骤一，将记录的坐标转换为相应的点云数据；
步骤二，判断点云数据中的错点和坏点并进行修正；
步骤三，利用三维建模软件Revit来创建设计模型；
步骤四，创建设计模型将与修正后的点云数据进行整合处理，输出带有三维地形的BIM模型。
7.一种实施权利要求1-6所述复杂地形太阳能资源测量方法的复杂地形太阳能资源测量系统。
8.如权利要求7所述复杂地形太阳能资源测量系统，其特征在于，所述复杂地形太阳能资源测量系统包括：
角度测量模块，与中央控制模块连接，用于通过测绘仪器角度仪测量周边山体轮廓线各拐点的高度角和方位角；
坐标确定模块，与角度测量模块、中央控制模块连接，用于通过坐标确定程序确定测量区域坐标；
中央控制模块，与角度测量模块、坐标确定模块、地平线图绘制模块、三维模型构建模块、数据采集模块、数据分离模块、辐射量计算模块、总辐射量计算模块连接，用于通过主控机控制各个模块正常运行。
地平线图绘制模块，与中央控制模块连接，用于通过地平线图绘制程序依据测量区域坐标绘制测量区域的地平线图；
三维模型构建模块，与中央控制模块连接，用于通过三维模型构建程序构建地形三维模型；
数据采集模块，与中央控制模块连接，用于通过数据采集程序采集场址附近有代表性气象观测站全年逐小时辐射观测数据；
数据分离模块，与中央控制模块连接，用于通过数据分利程序采用气候学方法分离出直射辐射与散射辐射数据；
辐射量计算模块，与中央控制模块连接，用于通过辐射量计算程序计算全年逐小时经山体遮挡后的直射辐射量；
总辐射量计算模块，与中央控制模块连接，用于通过总辐射量计算程序对散射辐射数据进行累加、统计、汇总，形成场址全年逐小时总辐射数据。
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