CN115049520B - 一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法，包括：收集信息；计算天空视域比例因子；光伏板后檐对应阴影宽度；计算透过比例因子；计算光伏区下垫面总辐射量；计算光伏区总辐射遮挡系数。本发明利用现场采集的辐射数据，计算天空视域比例因子和计算透过比例获得光伏区下垫面总辐射量，从而计算出光伏区总辐射遮挡系数。本发明所述的方法依据实测无光伏情况下的太阳辐射得出光伏板对太阳短波辐射实时的遮蔽系数，计算光伏电站区域下垫面接受辐射减少程度，从而评估太阳辐射减少对于下垫面温度、光合作用等的影响程度。

Description

一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法

技术领域

本发明涉及一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法，是一种观测参数计算方法，是一种用于水面光伏电站的光伏阵列影响水面接受短波辐射量的观测系统和计算方法。

背景技术

水上建造的光伏电站布设的大量光伏板阵列会改变下垫面接收的辐射能量，引起下垫面温度等的变化，改变局部气候环境。目前分析光伏电站对下垫面短波辐射一般采用总体观测方法，将四分量辐射表设置于光伏阵列以上足够高处，测量布设光伏阵列区域(以下简称“光伏区”)总辐射及反射短波辐射与无光伏阵列环境(以下简称“背景区”)的变化，再扣除光伏电站发电吸收的短波辐射能，间接得到地面接受的短波辐射变化。总体观测方法不仅观测装置布设困难、成本高、测量精度有限，而且只能用于定性分析光伏阵列对下垫面影响，这主要归咎于该方法将光伏阵列和陆面(或水面)作为统一的下垫面，其综合反射比不易确定，且难以直接获取光伏板吸收的短波辐射能随时空的动态变化。如何精确的获得光伏电站对下垫面接受短波辐射遮蔽系数是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法。所述的方法依据实测无光伏情况下的太阳辐射得出光伏板对太阳短波辐射实时的遮蔽系数，计算光伏电站区域下垫面接受辐射减少程度，从而评估太阳辐射减少对于下垫面温度、光合作用等的影响程度。

本发明的目的是这样实现的：一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法，所述的方法的步骤如下：

步骤1，收集信息：收集计算辐射遮蔽系数相关的信息和参数，包括：光伏阵列的各项尺寸、光伏阵列与太阳的位置关系，以及通过设置在光伏阵列外不受遮挡影响的辐射测量装置采集现场的总辐射量I，通过计算或收集获取散射辐射量I_d；

步骤2，计算天空视域比例因子CF_sky：

式中θ₁、θ₂、θ₃、θ₄(见图3)分别为计算空隙后板和前板下檐、上檐到积分点的夹角，n为积分区间L的分段数，ml_max为积分区间左侧最大空隙数，mr_max为积分区间右侧含区分区间本身的最大空隙数；

步骤3，光伏板后檐对应阴影宽度D_h：

D_h＝H_pv·cotα·cosγ

式中：α为太阳高度角，γ为太阳方位角，H_pv为光伏板上下沿高度差；

步骤4，计算透过比例因子：直射辐射在前后阵列之间宽度为L内的透过比例因子CF_dir为：

其中：L为阵列前后两排光伏板之间从前排前檐到后排前檐；D_pv为光伏板前檐到后檐在水平面投影面中的距离；

步骤5，计算光伏区下垫面总辐射量I_pv：

I_pv＝(I-I_d)CF_dir+I_dCF_sky；

步骤6，计算光伏区总辐射遮挡系数β：

进一步的，所述的环境散射辐射值的计算方式包括如下子步骤：

子步骤1，计算大气层外辐射量I₀：

其中：E_sc为太阳常数，取值1367W/m²；δ为赤纬角，

为当地纬度，ω为时角，λ为日-地距离变化引起大气层上界太阳辐照度的修正值：

其中，n为一年中的日序号；

子步骤2，计算晴空指数：

子步骤3，计算散射辐射与总辐射之比：下垫面散射辐射I_d与总辐射I之比的计算公式：

本发明的优点和有益效果是：本发明利用现场采集的段辐射数据，计算天空视域比例因子和计算透过比例获得光伏区下垫面总辐射量，从而计算出光伏区总辐射遮挡系数。本发明所述的方法依据实测无光伏情况下的太阳辐射得出光伏板对太阳短波辐射实时的遮蔽系数，计算光伏电站区域下垫面接受辐射减少程度，从而评估太阳辐射减少对于下垫面温度、光合作用等的影响程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述方法的流程图；

图2是本发明实施例一所述方法两块光伏板公式的参数标注示意图；

图3是本发明实施例一所述方法多块光伏板公式的参数标注示意图；

图4是本发明实施例二所述方法应用实例的计算过程示意图；

图5是本发明实施例二应用实例单点计算的光伏区总辐射量与对照组总辐射对比；

图6是本发明实施例二应用实例的光伏阵列间水上断面平均半小时短波辐射计算值和实测值(散射辐射采用实测值，断面采用观测点加权平均值)；

图7是本发明实施例二应用实例的计算的太阳辐射量与实测对比(辐射采用实测总辐射和实测散射辐射)，相关系数99.7％，标准差0.019；

图8是本发明实施例二应用实例的计算的太阳辐射量与实测对比(辐射采用实测总辐射和计算的散射辐射)相关系数99.6％标准差0.021；

图9是本发明实施例二应用实例的断面平均半小时短波辐射对比；

图10是本发明实施例二应用实例的实测10点加权平均与精确积分计算的直射辐射透过比r_直；

图11是本发明实施例二应用实例的实测不同测点数加权平均β结果与精确积分β计算的总辐射对比。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法。

为了实现光伏板阵列对下垫面短波辐射影响的动态定量分析，可采用数值模型分析法，但该方法在分析光伏阵列遮蔽的长期效应时需要一项关键的输入，即实时响应当地水文、气象条件的短波辐射动态遮蔽系数β。

短波辐射动态遮蔽系数是指光伏区相比背景区，光伏阵列对下垫面接收到的总短波辐射的遮蔽比例，即β＝I_pv/I。

I_pv指光伏区下垫面接收到的总辐射量，I为背景区下垫面接收到的总短波辐射。总辐射量I包括直射辐射量I_z和散射辐射量I_d两部分：

I＝I_z+I_d (1)

直射辐射与太阳光线平行，散射辐射是太阳辐射经大气或云的反射，从天空2π立体角以短波形式向下到达地面的部分，散射辐射可近似为各向同性的漫射。对地面某一点(本实施例则认为是辐射量的采集点，定义为积分点)，光伏阵列对直射辐射和散射辐射的遮挡原理不同：对直射辐射的遮蔽通过片段太阳光是否被遮挡即可确定是全遮挡或无遮挡，直射辐射是否被遮挡与太阳方位角和高度角有关，通过时间关联可以确定；对散射辐射的遮蔽则需考虑天空视域因子(即该点所在水平面以上2π立体角球面天空被遮蔽的比例)来确定，散射辐射量的遮蔽比例与时间无关。

由此可见，由于不同的太阳高度角和天气条件会影响到短波辐射中直射与散射部分的遮蔽比例，因此短波辐射遮蔽系数具有动态性，即β＝f(t)。目前尚无明确的计算方法来准确获得短波辐射遮蔽系数。

本实施例计算短波辐射遮蔽系数的方法的步骤如下：

步骤1，收集信息：收集计算辐射遮蔽系数相关的信息和参数，包括：光伏阵列的各项尺寸、光伏阵列与太阳的位置关系，以及通过设置在光伏阵列外不受遮挡影响的辐射测量装置采集现场的总辐射量I，通过计算或收集获取散射辐射量I_d。

光伏阵列的各项尺寸包括光伏板的形状尺寸，光伏板之间的间距，采集点(积分点)与光伏板之间角度等。光伏阵列与太阳的位置关系则包括，光伏阵列所的经纬度、太阳辐射的角度等。

太阳辐射包括直射辐射量和散射辐射量两部分，直射辐射量与太阳光线平行，散射辐射量是太阳辐射经大气或云的反射，从天空2Π立体角以短波形式向下，到达地面的部分，散射辐射量可近似为各向同性的漫射。地面接受的太阳短波辐射量一般采用水平面接受的总辐射(直射辐射量和散射辐射量之和)来计算。对地面某一点，光伏板对直射辐射和散射辐射的遮挡原理不一样，应区别对待。

应当强调和说明是：本实施例及其他实施例中所提到的直射辐射量、散射辐射量和大气外层辐射量均为水平面上接收到的太阳短波辐射量。

步骤2，计算天空视域比例因子CF_sky：

两个光伏阵列间单排缝隙2π球面内视域范围如图2所示，天空散射辐射透过比例采用天空视域比例因子求解：

CF_sky＝0.5·(cosθ_s1-cosθ_s2) (2)

对于下垫面特定单元，除了其左右两阵列对应的正上方空隙入射外，左右其它空隙也会有散射光入射(图2)，对左右所有可能入射的缝隙入射比按式(3)计算每个缝隙的视域因子，再进行加和即得到积分点总的天空视域比例因子CF_sky，计算过程中需要排除被透光缝隙被其它排光伏板遮挡的部分。光伏区平均的天空视域因子求解采用相邻两阵列间宽度上所有单元积分再取宽度平均得到。

对多排光伏阵列缝隙判断该缝隙的空域是否入射到计算单元以及计算入射角度的方法如下：

特定缝隙的散射光能否进入积分单元要判断缝隙左侧板的最低入射角是否大于右侧板的最高入射角，如果是,则该二夹角间的空域为积分单元上可视空域，光线可达，否则该区域空隙被前后板互相遮挡，无法到达积分单元，计算公式见公式(3)：

式中θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为计算空隙后板和前板下檐、上檐到积分点的夹角，n为积分区间L的分段数，ml_max为积分区间左侧最大空隙数，mr_max为积分区间右侧含区分区间本身的最大空隙数，如图3所示。图2显示是由南向北排列的多排光伏板，限于做图的限制，图2中仅画出了4排光伏板，为便于叙述，图2、3中，标注1为前板，标注2为后板，标注3为积分点。

步骤3，光伏板后檐对应阴影宽度D_h。阴影宽度是指当阳光4以α高度角照射到光伏板上时，光伏板所遮挡的阴影区5的长度l₁＝D_pv+D_h，而阴影区与光照区6长度l₂之比为直射辐射入射比r_直＝l₁/l₂，如图3所示，则有：

D_h＝H_pv·cotα·cosγ (4)

式中：α为太阳高度角，γ为太阳方位角，H_pv为光伏板上下沿高度差；

α、γ采用下式求解：

sinγ＝cosδsinω/cosα (6)

其中：δ为赤纬角，

为当地纬度，ω为时角，正午为0，上午为正，下午为负，单位为15°/h：

ω＝(TT-12)×15 (7)

TT为当地时间(小时)。上述赤纬角δ和时角ω也可以采用经时间订正(观测点与格林威治经度差产生的时间差)的公式，具体见《地面气象观测规范-辐射》GB/T 35231-2017。

式中N为从1月1日起算的天数。

步骤4，计算透过比例因子：直射辐射在前后阵列之间宽度为L内的透过比例因子CF_dir为：

其中：L为阵列前后两排光伏板之间从前排前檐到后排前檐，或前排后檐到后排后檐之间的距离；D_pv为光伏板前檐到后檐在水平面投影面中的距离；如图3所示。

步骤5，计算光伏区下垫面总辐射量I_pv：

根据实测的背景区总辐射I和散射辐射值I_d，按照分别计算的光伏区散射辐射和直射辐射，二者相加得到光伏区总辐射：

I_pv＝(I-I_d)CF_dir+I_dCF_sky (10)。

步骤6，计算光伏区总辐射遮挡系数β：

到此，本实施例依据未布设光伏阵列环境的实测短波辐射资料，现场获取的总辐射资料，以及通过计算或收集的散射辐射资料，计算出光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数。依据这一动态遮蔽系数可进一步利用数值模型分析布设光伏阵列后下垫面接受辐射减少程度，从而评估太阳辐射减少对于下垫面温度、光合作用等的影响程度。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于环境辐射值计算方法的细化。

在气象观测中通常仅有总辐射观测值。当缺少散射辐射值时，可利用晴空指数k_T求解散射辐射I_d占总辐射I的比例，分离总辐射中的直射辐射和散射辐射，再利用直射辐射I_z和散射辐射遮挡比例公式进行计算。

本实施例所述的环境散射辐射值的计算方式包括如下子步骤，流程见图1：

子步骤1，计算大气层外辐射量I₀：

其中：E_sc为太阳常数；取值1367W/m²；δ为赤纬角，

为当地纬度，ω为时角，λ为日-地距离变化引起大气层上界太阳辐照度的修正值：

其中，n为一年中的日序号。

子步骤2，计算晴空指数：

晴空指数为水平面上的太阳总辐射量与大气层外水平面上太阳辐射量之比，表达式为：

子步骤3，计算散射辐射与总辐射之比：下垫面散射辐射量I_d与总辐射量I之比的计算公式，可以采用Erbs模型公式：

应用实例：

采用光伏区鱼塘和对照组鱼塘进行了对比测量，光伏布置见图3，计算过程如图4所示。图4中粗实线框表示输入，细实线框表示计算参数，点划线框表示中间结果，虚线框表示最终结果。光伏区水面太阳总辐射计算结果与实测值进行了比对，见图5和6，计算与实测相符良好。图7和图8比较了散射辐射采用实测值和晴空指数方法计算值两种方法结果得到的光伏区断面平均总辐射计算值与实测值的对比，可以看出两种方法的计算结果与实测相关系数分别为99.5％和99.7％，标准差分别为0.018MJ/m2和0.021MJ/m2,说明在缺少散射辐射时，采用晴空指数方法也能达到很好的计算效果。

图9为计算和实测的多点加权平均光伏区遮蔽折减系数。计算的光伏区与对照组总辐射比例在晴天吻合良好，阴雨天略有偏差，偏差一般在5％以内，由于晴天时太阳辐射量远比阴天大，阴雨天存在偏差对辐射能量计算结果的影响较有限。

图10比较了断面积分计算(分50个单元)的断面平均直射辐射透过比与采用10点加权平均结果的对比，可以断面积分计算比10点平均透过比更小。图11比较了采用10点加权平均(沿断面平均分布点)、2点加权平均(光伏阵列间空隙中间点与阵列正下方各1点)得到的实测结果与积分计算结果对比，可以看出采用的测点越多，测量值与积分计算值越接近。10点加权平均值比积分计算值偏小越10％，因此采用实测方法要得到准确的光伏区总辐射，需要采用更加密集的测点，测量代价较大。采用本方法可以便捷的获得合理的遮挡比例，对于特定区域散射比等计算公式的不确定性，可以辅以少量测点用于计算验证，获得更好的结果。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如光伏阵列的排布方式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种计算光伏阵列对短波辐射动态遮蔽系数的方法，其特征在于，所述的方法的步骤如下：

步骤1，收集信息：收集计算辐射遮蔽系数相关的信息和参数，包括：光伏阵列的各项尺寸、光伏阵列与太阳的位置关系，以及通过设置在光伏阵列外不受遮挡影响的辐射测量装置采集现场的总辐射量I，通过计算或收集获取散射辐射量I_d；

步骤2，计算天空视域比例因子CF_sky：

式中θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为计算空隙的后板下檐、上檐和前板下檐、上檐到采集点的夹角，n为积分区间L的分段数，其中积分区间L的值为光伏阵列前后两排光伏板之间从前排前檐到后排前檐之间的距离，ml_max为积分区间左侧最大空隙数，mr_max为积分区间右侧含积分区间本身的最大空隙数；

步骤3，光伏板后檐对应阴影宽度D_h：

D_h＝H_pv·cotα·cosγ

式中：α为太阳高度角，γ为太阳方位角，H_pv为光伏板上下沿高度差；

步骤4，计算透过比例因子：直射辐射在光伏阵列前后两排光伏板之间从前排前檐到后排前檐之间的距离L内的透过比例因子CF_dir为：

其中：L为光伏阵列前后两排光伏板之间从前排前檐到后排前檐之间的距离；D_pv为光伏板前檐到后檐在水平面投影面中的距离；

步骤5，计算光伏区下垫面总辐射量I_pv：

I_pv＝(I-I_d)CF_dir+I_dCF_sky；

步骤6，计算光伏区总辐射遮挡系数β：

2.根据权利要求1所述遮蔽系数的计算方法，其特征在于，所述的散射辐射量I_d的计算方式包括如下子步骤：

子步骤1，计算大气层外辐射量I₀：

其中：E_sc为太阳常数，取值1367W/m²；δ为赤纬角，

为当地纬度，ω为时角，λ为日-地距离变化引起大气层上界太阳辐照度的修正值：

其中，n为一年中的日序号；

子步骤2，计算晴空指数：

子步骤3，计算散射辐射量与总辐射量之比：散射辐射量I_d与总辐射量I之比的计算公式：

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