CN110288203A - 一种障碍物阴影区域光伏阵列的辐照量损失率动态计算方法 - Google Patents

Abstract

一种障碍物阴影区域光伏阵列的辐照量损失率动态计算方法，其特征在于将遮挡物等效为多面体，确定多面体各顶点为有效特征点并将其投影于直角坐标系，根据目标日期目标时刻的太阳高度角、太阳方位角与遮挡物的角度关系，计算遮挡物的阴影长度，结合有效特征点坐标，从阴影遮挡开始到结束时刻，每隔周期时间进行数据计算描出阴影点，同时对辐照强度进行积分计算出辐照量损失率，将阴影区域划分成不同的损失程度区域，以保证发电安全的同时提高电站效益。

Description

一种障碍物阴影区域光伏阵列的辐照量损失率动态计算方法

技术领域：

本发明涉及光伏发电领域，具体为一种障碍物阴影区域光伏阵列的辐照量损失率动态计算方法。

背景技术：

随着全球能源需求的快速增长，光伏发电技术引起了世界各国学者以及工业界的大量关注，其热度直线上升。光伏发电涉及广泛的领域，特别是分布式光伏电站，属于国家鼓励最大的绿色电力开发能源项目。分布式光伏电站因其去安装场地要求较低等优势，近年来发展迅猛，然而组件安装场地一般为工厂厂房或民居屋顶，为避免建筑障碍物的阴影影响，组件的安装区域往往受到极大的限制，如何科学合理的确定安装区域成为设计分布式光伏电站的首要问题，现有大多数光伏设计企业都以保证冬至日上午9点到下午15点无遮挡为条件设计光伏组件安装区域，以此为设计依据能够保证全年绝大多数时间光伏组件无遮挡，然而考虑电站投资回报及收益，在不损坏组件的基础上，合理扩大安装面积，提高装机容量，有利于提升电站收益，实现效益最大化，因此，需要确立新的评价指标，为安装区域的优化提供合理的设计依据。结合各安装区域辐照量损失率的动态计算，可优化光伏组件阵列安装布局，达到电站发电安全和提升经济效益之间的平衡。

发明内容：

本发明提出一种障碍物阴影区域光伏阵列的辐照量损失率动态计算方法，通过计算电站光伏组件拟安装区域的辐照量损失率，对拟安装区域进行区域划分，将组件安装于适合的区域范围内，提高电站效益。

按此目的，本发明拟采用以下技术方案：

首先将遮挡物等效为多面体，确定多面体各顶点为有效特征点并将其投影于直角坐标系，根据目标日期目标时刻的太阳高度角α_s、太阳方位角γ_s与遮挡物的角度关系，计算遮挡物的阴影长度，结合有效特征点坐标，从阴影遮挡开始到结束时刻，每隔周期时间T进行数据计算描出阴影点，同时对辐照强度进行积分计算出辐照量损失率，将阴影区域划分成不同的损失程度区域，以保证发电安全的同时提高电站效益，具体步骤如下：

步骤1：障碍物的等效

以东西方位作为X轴，南北方位作为Y轴，建立平面直角坐标系，当存在弧线构成或者比较复杂的遮挡物体时，将其等效为多面体，确定决定遮挡物体阴影轨迹的有效特征点，将有效特征点投影于直角坐标系内，获取遮挡物体有效特征点的坐标(X_m，Y_m)及其高度h_m，其中m表示第m个有效特征点；

步骤2：阴影长度计算

计算目标城市在目标日期当天的赤纬角δ，如式(1)所示：

式(1)中，day为当前日期在一年内的天数；

利用赤纬角δ和城市的地理纬度φ，计算出目标时刻的太阳高度角α_s和太阳方位角γ_s，可由式(2)(3)所得，

式(2)(3)中，t表示目标时刻；φ表示地理纬度。

根据遮挡物各个有效特征点高度h_m与阴影长度L_m的正切关系，正切角为太阳高度角α_s，结合三角函数公式和式(2)得出t时刻的遮挡物有效特征点阴影长度L_m，阴影长度L_m表达式如式(4)所示：

步骤3：阴影坐标计算

利用遮挡物体有效特征点坐标(X_m，Y_m)，结合太阳方位角γ_s和遮挡物各有效特征点阴影长度L_m，计算出阴影点坐标(XS_m，YS_m)，计算方程式如式(5)：

步骤4：辐照量损失率动态计算：

完成t时刻决定投影区域范围的有效特征点的数据计算，得到阴影点坐标(XS_m，YS_m)后，将其在直角坐标系上描绘，画出t时刻的遮挡物体的阴影覆盖范围；

对当天辐照强度进行积分，得出日总辐照量，每间隔时间周期T，对辐照强度进行积分得到t时刻阴影覆盖区域损失的辐照量，公式如式(6)所示：

式(6)中，F(t)表示损失辐照量；f(t)为连续的光照强度函数；t₁、t₂表示阴影遮挡时刻，其中t₂-t₁为计算时间周期T；f(x_i)为采样时刻的光照强度；x_i表示采样时刻；j为辐照强度采样点个数；

从阴影遮挡开始到结束时刻这段时间，根据公式(1)-(5)计算阴影遮挡区域，根据公式(6)计算该区域损失辐照量，并针对不同时刻阴影区域重叠部分的辐照量损失进行叠加，公式如式(7)：

FS(t)＝F(t)*N (7)

式(7)中，N为重叠次数；FS(t)为阴影范围重叠部分的损失辐照量；

令阴影损失辐照量与日总辐照量相比，得出辐照量损失率，在阴影区域内根据辐照量损失率大小对区域划分，将阴影区域划分成不同的损失程度区域。

附图说明：

图1为本发明所提关于阴影的光伏板安装的优化流程图；

具体实施方式：

以下结合附图及实施例对本发明做进一步描述。图1为优化方法实施流程图。以该流程图为基础，给出具体计算实例：

假设遮挡物体是长宽高都为1m，南北朝向的立方体。以晴朗冬至日为目标日期进行安装区域优化，具体过程如下：

障碍物的等效：

以南北方位作为Y轴，东西方位作为X轴，建立平面直角坐标系，确定决定遮挡物体有效特征点为遮挡物体顶部4个角，将遮挡物体有效特征点投影于坐标轴，其坐标分别为(-1，-1)、(-1，1)、(1，1)、(1，-1)，高度均为1m。

阴影长度计算：

计算目标城市在目标日期当天的赤纬角δ，如式(1)所示：

式(1)中，day为当前日期一年内的天数序号，将目标日期天数带入式(1)，算出赤纬角δ＝-23°27′，利用赤纬角δ和城市的地理纬度φ，计算出目标时刻的太阳高度角α_s和太阳方位角γ_s，可由式(2)(3)所得，

式(2)中，t表示目标时刻，即9时至15时内任一时刻，设目标时刻为9∶15，需要将其分钟位换算成百分比，换算后t＝9.25，带入式(2)，算出太阳高度角α_s＝23.45°，利用式(3)算出太阳方位角γ_s＝-41.25°。

由于遮挡物体高度与遮挡物体阴影长度存在正切关系，正切角为太阳高度角α_s，结合三角函数公式和式(2)中得出的太阳高度角α_s，可以计算出9∶15时刻遮挡物各有效特征点遮挡物阴影长度L_m，阴影长度L_m表达式如式(4)所示：

式(4)中m表示第m个有效特征点。

阴影坐标的计算：

由步骤(1)得知有4个特征点，特征点高度均为1m，式(4)计算出遮挡物阴影长度L_m均为2.31m，结合三角函数公式，计算出9∶15时刻有效特征点的阴影点坐标，计算方程式如式(5)：

由式(5)，有效特征点(-1，-1)、(1，1)、(-1，1)、(1，-1)对应阴影坐标分别为(-2.52，，0.74)、(-0.52，2.74)、(-2.52，2.74)、(-0.52，0.74)。

辐照量损失率动态计算：

对决定投影区域范围的有效特征点的数据计算，得到阴影点坐标(XS_m，YS_m)，将其在直角坐标系上描绘，画出时刻的遮挡物体的阴影覆盖范围；

对某电站当天辐照强度进行求和积分，得出一天内总辐照量为858KJ/m²，每间隔时间周期T，对辐照强度进行积分得到t时刻阴影覆盖区域损失的辐照量，公式如式(6)所示：

式(6)中，F(t)表示损失辐照量；f(t)为连续的光照强度函数；t₁、t₂表示阴影遮挡时刻，其中t₂-t₁为计算时间周期T；f(x_i)为采样时刻的光照强度；x_i表示采样时刻；j为辐照强度采样点个数。

从阴影遮挡开始到结束时刻这段时间，根据公式(1)-(5)计算阴影遮挡区域，根据公式(6)计算该区域损失辐照量，并针对不同时刻阴影区域重叠部分的辐照量损失进行叠加，公式如式(7)：

FS(t)＝F(t)*N (7)

式(7)中，N为重叠次数；FS(t)为阴影范围重叠部分的损失辐照量；

令阴影损失辐照量与日总辐照量相比，得出辐照量损失率，在阴影区域内根据辐照量损失率大小对区域划分，可将阴影区域划分成不同的损失程度区域，为电站安装光伏组件提供设计依据。

Claims (1)

1.一种障碍物阴影区域光伏阵列的辐照量损失率动态计算方法，其特征在于将遮挡物等效为多面体，确定多面体各顶点为有效特征点并将其投影于直角坐标系，根据目标日期目标时刻的太阳高度角α_s、太阳方位角γ_s与遮挡物的角度关系，计算遮挡物的阴影长度，结合有效特征点坐标，从阴影遮挡开始到结束时刻，每隔周期时间T进行数据计算描出阴影点，同时对辐照强度进行积分计算出辐照量损失率，将阴影区域划分成不同的损失程度区域，以保证发电安全的同时提高电站效益，具体步骤如下：

步骤1：障碍物的等效

以东西方位作为X轴，南北方位作为Y轴，建立平面直角坐标系，当存在弧线构成或者比较复杂的遮挡物体时，将其等效为多面体，确定决定遮挡物体阴影轨迹的有效特征点，将有效特征点投影于直角坐标系内，获取遮挡物体有效特征点的坐标(X_m，Y_m)及其高度h_m，其中m表示第m个有效特征点；

步骤2：阴影长度计算

计算目标城市在目标日期当天的赤纬角δ，如式(1)所示：

式(1)中，day为当前日期在一年内的天数序号；

利用赤纬角δ和城市的地理纬度φ，计算出目标时刻的太阳高度角α_s和太阳方位角γ_s，可由式(2)(3)所得，

式(2)(3)中，t表示目标时刻；φ表示地理纬度；

根据遮挡物各个有效特征点高度h_m与阴影长度L_m的正切关系，正切角为太阳高度角α_s，结合三角函数公式和式(2)得出t时刻的遮挡物有效特征点阴影长度L_m，阴影长度L_m表达式如式(4)所示：

步骤3：阴影坐标计算

利用遮挡物体有效特征点坐标(X_m，Y_m)，结合太阳方位角γ_s和遮挡物各个有效特征点阴影长度L_m，计算出阴影点坐标(XS_m，YS_m)；计算方程式如式(5)：

步骤4：辐照量损失率动态计算：

完成t时刻决定投影区域范围的有效特征点的数据计算，得到阴影点坐标(XS_m，YS_m)后，将其在直角坐标系上描绘，画出t时刻的遮挡物体的阴影覆盖范围；

对当天辐照强度进行积分，得出日总辐照量，每间隔时间周期T，对辐照强度进行积分得到t时刻阴影覆盖区域损失的辐照量，公式如式(6)所示：

式(6)中，F(t)表示损失辐照量；f(t)为连续的光照强度函数；t₁、t₂表示阴影遮挡时刻，其中t_2-t₁为计算时间周期T；f(x_i)为采样时刻的光照强度；x_i表示采样时刻；j为辐照强度采样点个数；

从阴影遮挡开始到结束时刻这段时间，根据公式(1)-(5)计算阴影遮挡区域，根据公式(6)计算该区域损失辐照量，并针对不同时刻阴影区域重叠部分的辐照量损失进行叠加，公式如式(7)：

FS(t)＝F(t)*N (7)

式(7)中，N为重叠次数；FS(t)为阴影范围重叠部分的损失辐照量；

令阴影损失辐照量与日总辐照量相比，得出辐照量损失率，在阴影区域内根据辐照量损失率大小对区域划分，将阴影区域划分成不同的损失程度区域。