一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法

本发明涉及光伏发电，尤其是涉及一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法。

背景技术：

1、太阳能作为可再生能源，对于推动能源结构的绿色转型具有重要意义。随着光伏装机容量的迅速增长，光伏系统已成为国家能源结构中不可或缺的一部分。

2、在光伏电站的规划与建设中，光伏阵列的间距设计至关重要。间距过小将导致前排组件在后排光伏组件上形成阴影，降低发电效率；而间距过大则会造成土地资源的浪费。因此，优化光伏阵列间距，对于提高发电效率、节约土地资源、降低成本具有显著意义。当前，光伏阵列间距的优化主要面临两大挑战：遮挡引起的阴影影响和天空、地面视域因子影响，这两种影响都会减少入射的太阳辐射。阴影影响直接辐射，而天空、地面视域因子会影响光伏组件上的散射辐射和反射辐射。尽管这两种影响都对光伏电站的输入能量产生不利，但能量损失机制不同。阴影取决于太阳在天空中的移动以及光伏组件的几何参数，而天空、地面视域因子取决于光伏组件的几何参数及相对位置。最近的一系列工作表明，在散射比较高的地区，视域因子产生的影响可能比阴影影响更严重。这意味着，在进行光伏阵列间距优化时，除了考虑遮挡产生的阴影影响外，还需要充分考虑视域因子的作用。

3、在此基础上，一些现有技术提供了常规斜面辐射建模方法，但在分析后排光伏组件的斜面辐射时，并未充分考虑前后排组件间的遮挡效应。文献《shading and masking ofpv collectors on horizontal and sloped planes facing south and north-acomparative study》通过研究前排组件在后排光伏组件上投射的阴影高度和长度，以及行间距的解析表达式，为量化阴影造成的损失提供了理论基础。文献《model-basedanalysis of shading losses in ground-mounted photovoltaic power plants》提出了一种详细的前后排阴影建模方法，用以计算沿光伏组件宽度的辐照度分布。然而，现有研究在斜面辐射建模时，往往将后排光伏组件上的阴影简化为矩形，忽略了阴影形状和面积随时间的具体变化。

4、即，现有技术存在如下问题：

5、1.遮挡产生的阴影问题：在光伏组件的布局中，如果没有考虑到前后排光伏组件之间的遮挡问题，比如安装位置、倾斜角度及前后排组件间距设置不当，都会导致后排光伏组件被前排组件遮挡而减少接收到的直接辐射，从而降低光伏系统的发电效率。

6、2.遮挡产生的视域因子问题：在光伏组件的布局中，前排组件对后排光伏组件不仅存在阴影遮挡，由于前排组件的存在，后排光伏组件在接受来自天空的散射辐射及来自地面的反射辐射也会受到影响，且这种影响在散射辐射占比较高的地区尤为明显。

7、3.光伏组件任意朝向问题：在光伏组件的布局中，北半球光伏组件朝正南方向安装是最理想的，这样可以最大程度地接收到太阳辐射。而由于安装条件的限制，在实际安装中光伏组件可能与正南方向存在一定的方位角偏差，这会对后排光伏组件接收到的直接辐射产生影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，考虑遮挡产生的阴影和视域因子问题，以实现对任意朝向的后排光伏组件斜面总辐射的更精确计算，从而为优化光伏组件布局，提高系统发电效率提供参考。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，包括以下步骤：

4、步骤1：获取水平面太阳辐射数据和光伏组件安装参数及尺寸规格数据；

5、步骤2：计算后排光伏组件对天空的视域因子，并基于视域因子计算后排光伏组件的散射辐射；

6、步骤3：计算光伏组件距离地面高度为h时，后排光伏组件对地面的视域因子及反射辐射；

7、步骤4：计算任意朝向的前后排光伏组件的最小间距；

8、步骤5：根据步骤4计算得到的最小间距判断任意朝向的前排光伏组件是否会在后排光伏组件上形成阴影，若前排光伏组件在后排光伏组件上不形成阴影，则整个后排光伏组件为光照区；若前排光伏组件在后排光伏组件上形成阴影，则通过分析不同太阳位置下阴影区的形状及面积，得到对应的光照区面积；基于光照区面积，利用斜面直接辐射模型计算不同时刻后排光伏组件上的直接辐射；

9、步骤6：基于步骤2计算得到的散射辐射、步骤3计算得到的反射辐射和步骤5计算得到的直接辐射，计算并输出基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估结果。

10、所述步骤1中所获取的水平面太阳辐射数据包括水平面总辐射i，水平面直接辐射ib以及水平面散射辐射id；所述光伏组件安装参数及尺寸规格数据包括前后排组件间距d0，光伏组件长度l，宽度w，光伏组件倾角β，光伏组件距地面高度h，光伏组件方位角γ。

11、所述步骤2中，后排光伏组件对天空的视域因子的计算公式为：

12、

13、其中，fs表示后排光伏组件对天空的视域因子，xe表示后排光伏组件上任意一点e的横坐标；

14、后排光伏组件的散射辐射的计算公式为：

15、

16、其中，表示后排光伏组件的散射辐射，id为水平面散射辐射。

17、步骤3中，当光伏组件距地面高度为h时，后排光伏组件对地面的视域因子的计算公式为：

18、

19、其中，fg(h)表示光伏组件距地面高度为h时后排光伏组件对地面的视域因子；

20、当光伏组件距地面高度为h时，后排光伏组件的反射辐射的计算公式为：

21、

22、其中，表示光伏组件距地面高度为h时后排光伏组件的反射辐射，ρ为地面反射率。

23、步骤3中，当光伏组件距地面高度h＝0时，后排光伏组件对地面的视域因子的计算公式为：

24、

25、其中，fg表示光伏组件距地面高度为0时后排光伏组件对地面的视域因子；

26、当光伏组件距地面高度h＝0时，后排光伏组件的反射辐射计算公式为：

27、

28、其中，表示光伏组件距地面高度为0时后排光伏组件的反射辐射。

29、当光伏组件距地面高度h＝0时，若前排光伏组件在后排光伏组件上形成阴影，则后排光伏组件的反射辐射计算公式为：

30、

31、其中，id为水平面散射辐射。

32、步骤4中，假定对于正南朝向的光伏组件对应的太阳方位角为γs，考虑任意朝向的光伏组件，即光伏组件与正南方向存在γ度的方位角，取正南方向为起始点，对应0度，向西为正，向东为负，则任意朝向的光伏组件对应的太阳方位角γ′s与γs之间的关系为：

33、当γs＜0时，γ′s＝γs-γ；

34、当γs≥0时，γ′s＝γs+γ；

35、对于任意朝向的前后排光伏组件，使得前排光伏组件刚好不在后排光伏组件上形成阴影的最小前后排组件间距dmin(γ)的计算公式为：

36、

37、其中，αs为太阳高度角。

38、步骤5中，若前后排组件间距d0满足

39、d0≥dmin(γ),

40、则前排光伏组件不会在后排光伏组件上形成阴影，即整块后排光伏组件均为光照区；

41、若前后排组件间距d0满足

42、d0＜dmin(γ),

43、则前排光伏组件会在后排光伏组件上形成阴影，且阴影形状及面积根据太阳方位角γs的取值不同分为以下三种情况：

44、情形1：当γs＜0时，前排组件在后排光伏组件上形成三角形或梯形阴影；

45、当前排组件在后排光伏组件上形成三角形阴影时，三角形面积的计算公式为：

46、

47、其中，

48、

49、当前排组件在后排光伏组件上形成梯形阴影时，梯形面积的计算公式为：

50、

51、情形2：当γs＝γ时，前排组件在后排光伏组件上形成矩形阴影，矩形阴影面积的计算公式为：

52、

53、情形3：当γs＞0时，前排组件在后排光伏组件上形成三角形或梯形阴影，

54、当前排组件在后排光伏组件上形成三角形阴影时，三角形面积的计算公式为：

55、

56、其中

57、当前排组件在后排光伏组件上形成梯形阴影时，梯形阴影面积的计算公式为：

58、

59、步骤5中，基于光照区面积，利用斜面直接辐射模型计算不同时刻后排光伏组件上的直接辐射的计算公式为：

60、

61、其中s为后排光伏组件的面积，si(γ),i＝1,2,…,5为不同情况i下计算得到的阴影区域面积，ib为水平面直接辐射，

62、

63、其中为太阳天顶角，δ为太阳赤纬角，为当地纬度，ω为时角。

64、步骤6中，后排光伏组件斜面总辐射由直接辐射散射辐射和反射辐射三部分构成，即后排光伏组件斜面总辐射计算公式为：

65、

66、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

67、(1)本发明通过综合考虑后排光伏组件对天空和地面的视域因子，建立了后排光伏组件的散射辐射和反射辐射计算模型；通过精准刻画任意朝向的前排光伏组件在后排光伏组件上形成的阴影形状及面积，从而推导出任意朝向的后排光伏组件直接辐射的计算方法。综合考虑以上因素，提出一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射更精准的评估方法，该方法适用于任意朝向的光伏组件，对于优化光伏系统的设计和提高利用效率具有重要意义。

68、(2)本发明考虑了前后排光伏组件之间的遮挡问题，实时刻画前排光伏组件在后排光伏组件上形成的阴影形状，并准确计算阴影区域面积，以便更精确地预测后排光伏组件接收到的直接辐射。

69、(3)本发明考虑了前排组件的存在对后排光伏组件在接受来自天空的散射辐射及来自地面的反射辐射时的影响，精确计算天空和地面视域因子对后排光伏组件的影响，并以此准确计算散射和反射辐射。

70、(4)本发明能够处理任意朝向下的后排光伏组件斜面总辐射计算，适用范围广。

技术特征：

1.一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，所述步骤1中所获取的水平面太阳辐射数据包括水平面总辐射i，水平面直接辐射ib以及水平面散射辐射id；所述光伏组件安装参数及尺寸规格数据包括前后排组件间距d0，光伏组件长度l，宽度w，光伏组件倾角β，光伏组件距地面高度h，光伏组件方位角γ。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，所述步骤2中，后排光伏组件对天空的视域因子的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，步骤3中，当光伏组件距地面高度为h时，后排光伏组件对地面的视域因子的计算公式为：

5.根据权利要求4所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，步骤3中，当光伏组件距地面高度h＝0时，后排光伏组件对地面的视域因子的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，当光伏组件距地面高度h＝0时，若前排光伏组件在后排光伏组件上形成阴影，则后排光伏组件的反射辐射计算公式为：

7.根据权利要求1所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，步骤4中，假定对于正南朝向的光伏组件对应的太阳方位角为γs，考虑任意朝向的光伏组件，即光伏组件与正南方向存在γ度的方位角，取正南方向为起始点，对应0度，向西为正，向东为负，则任意朝向的光伏组件对应的太阳方位角γ′s与γs之间的关系为：

8.根据权利要求7所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，步骤5中，若前后排组件间距d0满足

9.根据权利要求8所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，步骤5中，基于光照区面积，利用斜面直接辐射模型计算不同时刻后排光伏组件上的直接辐射的计算公式为：

10.根据权利要求1所述的一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，其特征在于，步骤6中，后排光伏组件斜面总辐射由直接辐射散射辐射和反射辐射三部分构成，即后排光伏组件斜面总辐射计算公式为：

技术总结
本发明涉及一种基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估方法，包括以下步骤：获取水平面太阳辐射数据和光伏组件安装参数及尺寸规格数据；计算后排光伏组件对天空的视域因子，并基于视域因子计算后排光伏组件的散射辐射；计算光伏组件距离地面高度为h时，后排光伏组件对地面的视域因子及反射辐射；计算任意朝向的前后排光伏组件的最小间距；根据最小间距判断任意朝向的前排光伏组件是否会在后排光伏组件上形成阴影，从而确定光照区面积，利用斜面直接辐射模型计算不同时刻后排光伏组件上的直接辐射；基于散射辐射、反射辐射直接辐射计算并输出基于三维遮挡建模的后排光伏组件斜面总辐射评估结果。与现有技术相比，本发明具有评估结果准确等优点。

技术研发人员：屈爱芳,李芬,姜妞,孙改平,冯宏磊
受保护的技术使用者：上海师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23