一种双辐照计推测直射辐照比例的方法与流程

本发明涉及一种辐照比例的推算方法，尤其涉及一种双辐照计推测直射辐照比例的方法，属于太阳能及双面组件跟踪系统智能模型算法优化技术领域。

背景技术：

全球化石能源短缺，可再生能源的开发和利用得到了各界的广泛关注。太阳能光伏发电因其资源丰富、分布广泛，且绿色环保等特点，近些年得到了快速发展。

为提高光伏系统的发电量，光伏发电技术不断革新。平单轴、斜单轴跟及双轴跟踪系统使光伏组件接收到更多的辐照，发电量大幅提升。而双面光伏组件的研发、光伏系统的能效评估等可以进一步提升光伏系统的发电量，光伏发电的发展进程从量的增加进入到了质的提升。

双面组件+跟踪支架系统、系统能效评估等创新技术在应用环节都需要基础的输入条件来实现发电量的优化，比如每天的天气状况，即各时刻的辐照值，包括直射辐照及散射辐照，而目前大部分光伏电站通常只配备一个辐照仪，只能测量水平总辐照，并未测量直射辐照及散射辐照，无法细致评估当前真实的天气状况，因此在系统能效分析如pr值的计算、跟踪系统何时放平(阴天放平接受到的散射辐照最大)以及双面组件+跟踪支架系统优化角度的计算等方面存在困难与挑战。

现有技术中的双轴跟踪系统气象站，如kipp&zonen的razon+一体式太阳能监控系统，约有12万，以及锐研智华的ryq-sat3全自动跟踪太阳辐射仪，约有5万，可采集水平总辐照及水平散射辐照，计算得到水平直射辐照，从而评估当前的天气状况。但是，设备成本较高，实际应用受到很大的限制。

另外，一些专利文献中提到使用光敏传感器评估当前的天气状况，如：在申请号为201810126342.6，名称为“太阳能电池板自动追光系统”的中国专利申请文件中，以及，公布号为cn103809617b，名称为“光伏发电双轴跟踪系统的控制方法”的专利文献中，均使用了光敏传感器作为光照强度检测模块的传感器，但是，这类方法的弊端是当云层遮挡时，光敏传感器无法检测直射光，则认为是阴天，但其实并非阴天，存在误判，同时光敏传感器的可靠性不高，且为了达到监测效果，需要使用较多数量的该类传感器，这在一定程度上增加了应用成本，导致应用性不高。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种推测直射辐照比例的方法，

可以解决现有技术中存在误判天气状况的问题，成本较低可靠性高且维护方便。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种推测直射辐照比例的方法，其特征在于：包含下述步骤：

s1：使用两个以上辐照计分别采集水平总辐照及斜面总辐照；

s2：根据水平总辐照预设晴天指数，得到水平直射辐照及水平散射辐照，根据斜面辐照模型计算理论斜面辐照；

s3：晴天指数推演，将理论斜面辐照与实测斜面辐照做对比，确定晴天指数区间，最后通过插值法推测当前晴天指数。

进一步地，在步骤s1中，分别用两个以上辐照仪测量水平总辐照及斜面总辐照，所述斜面总辐照中的斜面倾角，在固定倾角光伏系统中为固定倾角，在跟踪支架光伏系统中为根据纬度设定的角度。

进一步地，在步骤s2中，所述斜面辐照模型中，斜面总辐照由斜面直射辐照、斜面散射辐照及斜面反射辐照构成。

进一步地，在步骤s2中，所述斜面总辐照通过下述方法计算获得：

s2-1：根据项目地经纬度及所在地的平太阳时，计算当地真太阳时以及表明时间变化的时角和赤纬角：

真太阳时：其中120为示例，即120°经度，北京时间所取的经度值，t为当地时间，l为当地经度，δt为某日真平太阳时差；

时角计算公式：ω＝15*(st-12)，

赤纬角计算公式：其中nd为一年中的第几天，如春分日为3月20日，为第80天；

s2-2：计算太阳天顶角θz：

s2-3：计算太阳入射角θi：

其中为当地纬度，a为辐照仪安装倾角，γ为辐照仪安装方位角；

s2-4：斜面辐照模型：斜面辐照包括三个部分：

a：斜面直射辐照bf，其中，bf＝in*rb，其中in为水平直射辐照，

b：斜面散射辐照df，其中，df＝id*rd，其中id为水平散射辐照，

其中：天空清晰度因子fhay＝in/h0，

大气层外垂直太阳光线方向上的辐照度h0，

ωs为日出/日落时角；

c：斜面反射辐照rf，其中：其中ρ为地表反射率。

进一步地，在步骤s3中，所述晴天指数推演法，包括如下步骤：

s3-1：定义晴天指数(s)概念：

晴天指数(s)＝水平直射辐照(in)/水平总辐照(ih)，即直射辐照比例；晴天指数(s)取值范围为[0,1]；

s3-2：计算晴天指数(s)：

s301：通过两个以上辐照仪获取水平总辐照数据及斜面总辐照数据；

s302：在取值范围[0,1]内，等差地假设数个晴天指数，分别求得各晴天指数下对应的直射辐照和散射辐照值；

s303：通过直射辐照及散射辐照计算各个晴天指数下的斜面辐照；

s304：将实测的斜面辐照与计算的斜面辐照做对比；

s305：判断实际斜面辐照落于哪个晴天指数区间，将该晴天指数区间作为当前的晴天指数，初步判定天气状态。

s306：利用插值法评估当前晴天指数值。

本发明通过使用两个以上(包括两个)辐照计分别测量水平辐照及斜面辐照，经过基于斜面辐照模型的晴天指数推演法，得到当前的直射辐照比例，从而评估当前的天气状况。同时，本发明可为后续数据分析提供必要的基础辐照信息，也可为跟踪支架在不同天气状况下的优化角度计算提供必要输入条件如排除“伪阴天”状态，判别“阴天放平”等。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

1.仅在常规电站数据采集的基础上只增加一个辐照计，增加设备成本不高，且简单易行；

2.通过本发明提供的方法可评估当前的晴天指数，即天气状况，为数据分析、挖掘，能效评估做准备，同时为跟踪系统跟踪角度优化提供输入条件；

3.更重要的是，本发明可排除“伪阴天”现象，如当一片云遮挡气象站，则无直射辐照，此时气象站判断天气状况为阴天，使用光敏传感器作为光照强度检测模块的仪器同样存在这种“伪阴天”现象，本发明可有效地规避此种现象。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明晴天指数推演法的整体计算流程图；

图3是本发明辐照采集示意图；

图4是本发明实测晴天指数与推测晴天指数对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本实施例中，以使用两个辐照计为例进行说明。使用更多个辐照计进行采集辐照信息的情况下，可以根据实际使用需要分配各辐照计在采集水平总辐照及斜面总辐照上的分工。

如图1所示，本发明的推测直射辐照比例的方法，包含下述步骤：

s1：使用两个辐照计分别采集水平总辐照及斜面总辐照；具体地，分别用两个辐照仪测量水平总辐照及斜面总辐照，作为主输入参数，此处的斜面倾角，可根据具体项目确定，固定倾角光伏系统可将辐照仪斜面倾角与固定倾角保持一致，同时可为后续理论发电量计算等提供依据，跟踪支架光伏系统可根据纬度适当设定；

s2：根据水平总辐照预设晴天指数，得到水平直射辐照及水平散射辐照，根据斜面辐照模型计算理论斜面辐照；斜面辐照模型中，斜面总辐照由斜面直射辐照、斜面散射辐照及斜面反射辐照构成。

斜面总辐照通过下述方法计算获得：

s2-1：根据项目地经纬度及所在地的平太阳时，计算当地真太阳时以及表明时间变化的时角和赤纬角：

真太阳时：其中120为示例，即120°经度，北京时间所取的经度值，t为当地时间，l为当地经度，δt为某日真平太阳时差；

时角计算公式：ω＝15*(st-12)，

赤纬角计算公式：其中nd为一年中的第几天，如春分日为3月20日，为第80天；

s2-2：计算太阳天顶角θz：

s2-3：计算太阳入射角θi：

其中为当地纬度，a为辐照仪安装倾角，γ为辐照仪安装方位角；

s2-4：斜面辐照模型：斜面辐照包括三个部分：

a：斜面直射辐照bf，其中，bf＝in*rb，其中in为水平直射辐照，

b：斜面散射辐照df，其中，df＝id*rd，其中id为水平散射辐照，

其中：天空清晰度因子fhay＝in/h0，

大气层外垂直太阳光线方向上的辐照度h0，

ωs为日出/日落时角；

c：斜面反射辐照rf，其中：其中ρ为地表反射率。

s3：晴天指数推演，将理论斜面辐照与实测斜面辐照做对比，确定晴天指数区间，最后通过插值法推测当前晴天指数。

如图2所示，本实施例中晴天指数推演法的整体计算流程为：

s3-1：定义晴天指数(s)概念：

晴天指数(s)＝水平直射辐照(in)/水平总辐照(ih)，即直射辐照比例；晴天指数(s)取值范围为[0,1]；

s3-2：计算晴天指数(s)：

s301：通过两个辐照仪分别获取水平总辐照数据及斜面总辐照数据；

s302：在取值范围[0,1]内，等差地假设数个晴天指数，分别求得各晴天指数下对应的直射辐照和散射辐照值；作为一个具体的实施例，可分别假设晴天指数为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1，分别求得不同的晴天指数对应下的直射辐照和散射辐照值；

s303：通过直射辐照及散射辐照计算各个晴天指数下的斜面辐照；

s304：将实测的斜面辐照与计算的斜面辐照做对比；

s305：判断实际斜面辐照落于哪个晴天指数区间，将该晴天指数区间作为当前的晴天指数，初步判定天气状态；

s306：利用插值法预估当前晴天指数值。

下面将通过具体示例对上述晴天指数推演法进行详细的说明：

s301：通过两个辐照仪获取水平总辐照数据及斜面总辐照数据，具体地：

首先设置输入参数，如：经纬度、地表反射率、当前时刻等，如表1所示：

其中，水平总辐照ih和斜面总辐照it由辐照仪测得；如图3所示，此处的斜面倾角，可根据具体项目确定，在固定倾角光伏系统可将辐照仪斜面倾角与固定倾角保持一致，同时可为后续理论发电量计算等提供依据，在跟踪支架光伏系统可根据纬度适当设定。在表1中，示例取正南朝向25°倾角安装，与常州地区固定安装倾角一致。具体输入参数以常州地区为例，2020年1月8日，时刻t＝14时13分，测得水平总辐照数据为ih＝500w/m²，斜面辐照为it＝662w/m²；

s302：假设晴天指数s＝0.1，通过水平总辐照求得水平直射辐照为in＝ih*s，即500*0.1＝50w/m²，水平散射辐照值id＝ih-in，为450w/m²，同样的，假设晴天指数s＝0/0.2/0.3/0.4/0.5/0.6/0.7/0.8/0.9/1，分别求得各假定的晴天指数下对应的直射辐照和散射辐照值；

s303：通过直射辐照及散射辐照计算各个晴天指数下的理论斜面辐照，具体地：

斜面辐照由包括三个部分，分别是：1)斜面直射辐照bf；2)斜面散射辐照df；3)斜面反射辐照rf；

it(理论))＝bf+df+rf，其中：

1)斜面直射辐照，

bf＝in*rb，

其中

其中，天顶角计算公式：

太阳入射角计算公式：其中为当地纬度，a为辐照仪安装倾角，γ为辐照仪安装方位角；

其中，赤纬角计算公式：

时角计算公式：ω＝15*(st-12)，

其中真太阳时：其中120为示例，即120°经度，北京时间所取的经度值，t为当地时间，l为当地经度，δt为某日真平太阳时差；

2)斜面散射辐照，

df＝id*rd，

其中：

其中：

天空清晰度因子fhay＝in/h0，

其中,大气层外垂直太阳光线方向上的辐照度h0，

其中,ωs为日出/日落时角；

3)斜面反射辐照

其中ρ为地表反射率。

如s＝0.1时，根据水平直射及水平散射值计算得到：斜面直射辐照值＝78.62w/m²，斜面散射辐照值＝435.96w/m²，地面反射辐照值＝2.34w/m²，则得到it(理论)＝516.93w/m²，循环计算各个晴天指数下的理论斜面总辐照，结果如表2所示：

s304：将实测斜面辐照值，与模拟斜面辐照值进行对比；

s305：判断实际斜面辐照落于哪个晴天指数区间，将该晴天指数区间作为当前的晴天指数，初步判定天气状态；

如此时实测斜面辐照值为662w/m²，处于649与684之间，则认为此时实际晴天指数落在0.4-0.5区间内；

s306：进一步可由插值法评估当前的晴天指数为0.44。

进行实验验证双辐照计法推测晴天指数直射辐照比例的可行性，以kipp&zonen双轴跟踪器测得的水平总辐照及水平散射辐照得到的晴天指数为实测晴天指数，以双辐照计推测的晴天指数为推测晴天指数，实验结果如图4所示，从图中可以看出，双辐照计法推测的晴天指数在大部分情况下与实测晴天指数相同，但在有部分云遮挡情况下，实测晴天指数为0，即认为此刻为阴天，但实际上并未阴天，只是云层遮挡直射辐照，大部分天空仍为光亮状态，此时通过双辐照计推测的晴天指数更接近实际状态，排除“伪阴天”的天气状态，因此该方法对于跟踪系统“阴天放平”的条件判断提供更为可靠依据。