CN114264369B - 一种全天空辐射连续分布的精细测量设备及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全天空辐射连续分布的精细测量设备及工作方法，该设备包括跟踪系统和测量系统，跟踪系统为双轴跟踪系统，双轴跟踪系统包括高度角轴和方位角轴，所述测量系统通过方位角轴固定在双轴跟踪系统的一侧，所述跟踪系统通过高度角轴调节所述测量系统的高度角，所述跟踪系统通过方位角轴调节所述测量系统的方位角。通过本发明能够精细地测量太阳辐射随角度变化的分布信息，准确反映真实情况下太阳辐照的全天空分布，即“太阳中心辐射强，四周强度递减”的分布状态，消除了传统太阳辐照测量系统仪表测量结果数值单一的缺点；计算较为简便，避免了全天空扫描仪图像拼接耗时的问题。

Description

一种全天空辐射连续分布的精细测量设备及工作方法

技术领域

本发明属于辐射测量领域，尤其涉及一种全天空辐射连续分布的精细测量设备及工作方法。

背景技术

由于化石能源的有限性和日益严峻的环境问题，人类开始了对可再生能源与清洁能源的探索。太阳能作为其中最具潜力的能源之一，具有能源利用的普遍性、能量的巨大性、清洁性、永久性。太阳以辐射的方式，将能量传递到地球，包括直接辐射和散射辐射，其中，直接辐射的测量大多使用开口视野为5°的直接辐射表完成，但是其仅能测量5°视野内太阳辐射的平均值；散射辐射的测量大多是使用开口视野为180°的小球遮挡总辐射表中间区域进行测量，如韩丽艳等人在全自动太阳跟踪平台上安装遮光球来测量散射辐射(专利号：ZL201020608518.0)，又如边宇等人使用半圆形遮阳环带实现散射辐射测量(专利号：ZL201920113403.5)。天空总辐射是直接辐射和散射辐射的综合，其测量通常使用总辐射表完成，仅能测量180°视野内太阳辐射的总值。这些测量手段的特点是测量结果为单一数值，不能反映出天空真实辐射强度的梯度分布信息，忽视了天空太阳辐射强度分布的实际情况，即“太阳中心辐射最强，向外递减”的分布状态，且遮光体的大小和与感光元件的距离会影响散射辐射的测量结果。

全天空的太阳辐射分布测量有着重要意义，比如在光伏领域，人们通过对天空辐照分布的研究，可以精细化计算光伏电池板上的辐照分布，从而实现对光伏出力的精准分析。

目前，全天空辐射分布测量设备有天空扫描仪(Sky Scanner)，其通过在双轴跟踪平台上安装2个分别用于测量天空亮度和辐照度的探测器(开口视野11°)，对天空半球内145个点进行扫描，从而还原天空半球的辐照度分布。其缺陷在于：辐射仪器的开口视野为11°，远大于太阳盘面的0.53°张角，一个测点代表的是11°内的辐射平均值，不能精细反映出天空亮度分布。

综上所述，如何测量全天空辐射的连续分布，以更准确地描述实际的天空辐照分布，在保证测量信息量的同时缩短测量时长，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种全天空辐射连续分布的精细测量设备，包括跟踪系统和测量系统，其特征在于，所述跟踪系统为双轴跟踪系统1，所述双轴跟踪系统1包括高度角轴6和方位角轴7，所述测量系统通过方位角轴7固定在双轴跟踪系统1的一侧，所述跟踪系统通过高度角轴6调节所述测量系统的高度角，所述跟踪系统通过方位角轴7调节所述测量系统的方位角。

优选的，所述测量系统包括固定板5、光阑电机8和电动光阑的叶片9，所述固定板5上安装有总辐射表2，所述总辐射表2的上方设置有光筒3，所述光筒3顶部安装有电动光阑视野调节器4，所述电动光阑视野调节器4通过光阑电机8调节电动光阑的叶片9口径以改变总辐射表2的开口视野。

优选的，所述总辐射表2开口视野为0°～140°。

优选的，所述高度角轴6、方位角轴7和光阑电机8均分别连接有相应的控制电路。

优选的，所述电动光阑视野调节器4包括底部总辐射传感器固定板、筒状光路暗室、顶部电动光阑以及相配套的电机和控制电路。

本发明的目的还在于提供一种全天空辐射连续分布的精细测量设备的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，系统启动后，双轴跟踪系统1通过高度角轴6和方位角轴7自动追踪太阳位置，使总辐射表2正对太阳；

步骤2，调节电动光阑视野调节器4，使总辐射表2的开口视野从0°变化到140°，并分别记录总辐射表2的读数；

步骤3，通过记录下的辐射数据，计算全天空辐射分布。

优选的，步骤2中，在30°视野内，电动光阑视野每次调节步长为1°；在30°～90°视野区域，电动光阑每次调节步长为5°；在90°～140°视野区域，电动光阑每次调节步长为10°，视野大于140°的区域，太阳散射辐射几乎不变，故仅测量140°一个点作为代表。

优选的，步骤3中，全天空辐射分布的计算方法为：

步骤S1，计算相邻两个开口角下的积分值Δn，Δn＝F(n)-F(n-1)，其中，F(n)和F(n-1)为相邻两个开口角下的辐射值；

步骤S2，用积分值除以空间角步长，来代表该区域两个空间角度中点的辐射值；

步骤S3，重复上述步骤至计算完所有角度下对应的辐射值，再拟合出辐射分布曲线。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明提供了一种全天空辐射连续分布的精细测量设备及工作方法，能够精细地测量太阳辐射随角度变化的分布信息，准确反映真实情况下太阳辐照的全天空分布，即“太阳中心辐射强，四周强度递减”的分布状态，消除了传统太阳辐照测量系统仪表测量结果数值单一的缺点；计算较为简便，避免了全天空扫描仪图像拼接耗时的问题。

附图说明

图1为本发明的精细测量设备的结构示意图；

图2为本发明的全天空辐射强度分布测量示意图；

图3为本发明的视野控制器开口视野示意图；

图4为本发明的精细测量设备工作流程图。

图中附图标记为：

1-双轴跟踪系统，2-总辐射表，3-光筒，4-电动光阑视野调节器，5-固定板，6-高度角轴，7-方位角轴，8-光阑电机，9-叶片。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个宽泛实施例中，一种全天空辐射连续分布的精细测量设备，包括跟踪系统和测量系统，其特征在于，所述跟踪系统为双轴跟踪系统1，所述双轴跟踪系统1包括高度角轴6和方位角轴7，所述测量系统通过方位角轴7固定在双轴跟踪系统1的一侧，所述跟踪系统通过高度角轴6调节所述测量系统的高度角，所述跟踪系统通过方位角轴7调节所述测量系统的方位角。

优选的，所述测量系统包括固定板5、光阑电机8和电动光阑的叶片9，所述固定板5上安装有总辐射表2，所述总辐射表2的上方设置有光筒3，所述光筒3顶部安装有电动光阑视野调节器4，所述电动光阑视野调节器4通过光阑电机8调节电动光阑的叶片9口径以改变总辐射表2的开口视野。

优选的，所述总辐射表2开口视野为0°～140°。

优选的，所述高度角轴6、方位角轴7和光阑电机8均分别连接有相应的控制电路。

优选的，所述电动光阑视野调节器4包括底部总辐射传感器固定板、筒状光路暗室、顶部电动光阑以及相配套的电机和控制电路。

本发明的目的还在于提供一种全天空辐射连续分布的精细测量设备的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，系统启动后，双轴跟踪系统1通过高度角轴6和方位角轴7自动追踪太阳位置，使总辐射表2正对太阳；

步骤2，调节电动光阑视野调节器4，使总辐射表2的开口视野从0°变化到140°，并分别记录总辐射表2的读数；

步骤3，通过记录下的辐射数据，计算全天空辐射分布。

优选的，步骤2中，在30°视野内，电动光阑视野每次调节步长为1°；在30°～90°视野区域，电动光阑每次调节步长为5°；在90°～140°视野区域，电动光阑每次调节步长为10°，视野大于140°的区域，太阳散射辐射几乎不变，故仅测量140°一个点作为代表。

优选的，步骤3中，全天空辐射分布的计算方法为：

步骤S1，计算相邻两个开口角下的积分值Δn，Δn＝F(n)-F(n-1)，其中，F(n)和F(n-1)为相邻两个开口角下的辐射值；

步骤S2，用积分值除以空间角步长，来代表该区域两个空间角度中点的辐射值；

步骤S3，重复上述步骤至计算完所有角度下对应的辐射值，再拟合出辐射分布曲线。

下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种全天空辐射连续分布的精细测量设备，分为跟踪系统和测量系统两部分，由双轴跟踪系统1、总辐射表2、光筒3、电动光阑视野调节器4以及相应的控制电路组成。总辐射表2安装在固定板5上，上方设有光筒3，并在光筒3顶部安装电动光阑视野调节器4，通过光阑电机8调节电动光阑的叶片9口径改变总辐射表2的开口视野。测量系统通过高度角轴6固定在双轴跟踪系统1一侧，整个跟踪系统通过方位角轴7调节测量的方位角。

随着太阳位置的变动，测量系统经内部算法计算太阳位置后，通过调节高度角和方位角实现实时跟踪，保证测量系统对准太阳中心，并控制电动光阑视野调节器4，使总辐射表2的开口视野从0°变化到140°，在太阳辐射变化较快的区域(靠近太阳中心的区域)光阑视野采用精细调节，在太阳辐照强度变化较慢的区域(远离太阳)，光阑视野采用较大步长间隔调节，记录下光阑视野变大过程中的总辐射表2的读数，经计算后求解出以太阳中心为起始点，随开口角变化的太阳辐照分布曲线。

本发明的一种全天空辐射连续分布的精细测量设备的工作方式，包括以下步骤：

1.系统启动后，双轴跟踪系统1自动追踪太阳位置，使总辐射表2正对太阳。

2.调节电动光阑视野调节器4，使总辐射表2开口视野为1°，记录下总辐射表2的读数；继续调节开口视野至2°，记录下总辐射表2的读数；重复上述工作，至开口视野达到140°。由于靠近太阳中心的区域辐射变化较大，在30°视野内，电动光阑视野每次调节步长为1°；在30°～90°视野区域，电动光阑每次调节步长为5°；在90°～140°视野区域，电动光阑每次调节步长为10°，视野大于140°的区域，太阳散射辐射几乎不变，故仅测量140°一个点作为代表。

3.后台记录下辐射数据，计算全天空辐射分布。

全天空辐射分布的计算方法如下：

1.计算相邻两个开口角下的辐射差值。如：2°开口角下的辐射值减去1°开口角下的辐射值，表示天空辐射分布中1°到2°的积分值。

2.用积分值除以空间角步长，来代表该区域两个空间角度中点的辐射值。

3.重复上述步骤至计算完所有角度下对应的辐射值，再拟合出辐射分布曲线。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种全天空辐射连续分布的精细测量设备，包括跟踪系统和测量系统，其特征在于，所述跟踪系统为双轴跟踪系统（1），所述双轴跟踪系统（1）包括高度角轴（6）和方位角轴（7），所述测量系统通过方位角轴（7）固定在双轴跟踪系统（1）的一侧，所述跟踪系统通过高度角轴（6）调节所述测量系统的高度角，所述跟踪系统通过方位角轴（7）调节所述测量系统的方位角；

所述测量系统包括固定板（5）、光阑电机（8）和电动光阑的叶片（9），所述固定板（5）上安装有总辐射表（2），所述总辐射表（2）的上方设置有光筒（3），所述光筒（3）顶部安装有电动光阑视野调节器（4），所述电动光阑视野调节器（4）通过光阑电机（8）调节电动光阑的叶片（9）口径以改变总辐射表（2）的开口视野。

2.根据权利要求1所述的一种全天空辐射连续分布的精细测量设备，其特征在于，所述总辐射表（2）的开口视野为0°~140°。

3.根据权利要求1所述的一种全天空辐射连续分布的精细测量设备，其特征在于，所述高度角轴（6）、方位角轴（7）和光阑电机（8）均分别连接有相应的控制电路。

4.根据权利要求1所述的一种全天空辐射连续分布的精细测量设备，其特征在于，所述电动光阑视野调节器（4）包括底部总辐射传感器固定板、筒状光路暗室、顶部电动光阑以及相配套的电机和控制电路。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种全天空辐射连续分布的精细测量设备的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，系统启动后，双轴跟踪系统（1）通过高度角轴（6）和方位角轴（7）自动追踪太阳位置，使总辐射表（2）正对太阳；

步骤2，调节电动光阑视野调节器（4），使总辐射表（2）的开口视野从0°变化到140°，并分别记录总辐射表（2）的读数；

步骤3，通过记录下的辐射数据，计算全天空辐射分布。

6.根据权利要求5所述的一种全天空辐射连续分布的精细测量设备的工作方法，其特征在于，步骤2中，在30°视野内，电动光阑视野每次调节步长为1°；在30°~90°视野区域，电动光阑每次调节步长为5°；在90°~140°视野区域，电动光阑每次调节步长为10°，视野大于140°的区域，太阳散射辐射几乎不变，故仅测量140°一个点作为代表。

7.根据权利要求5所述的一种全天空辐射连续分布的精细测量设备的工作方法，其特征在于，步骤3中，全天空辐射分布的计算方法为：

步骤S1，计算相邻两个开口角下的积分值Δn，Δn=F(n)-F（n-1），其中，F(n)和F（n-1）为相邻两个开口角下的辐射值；

步骤S2，用积分值除以空间角步长，来代表相邻两个开口角中点的辐射值；

步骤S3，重复上述步骤至计算完所有角度下对应的辐射值，再拟合出辐射分布曲线。