一种高精度散射辐射计算方法与流程

本发明涉及一种高精度散射辐射计算方法，属于光伏系统技术领域。

背景技术：

随着不可再生能源的日益枯竭，水能、风能、太阳能等可再生能源备受关注，而太阳能取之不尽、用之不竭，使其备受利用。太阳能热利用例如蝶式、槽式太阳能、光伏发电系统例如光伏跟踪系统、最佳倾角计算、聚光系统都需要以精准的太阳辐照数据(特别是直射数据)为基础。而现在使用广泛的第二类各向异性散射辐射模型是在各向同性模型的基础上，针对天气及太阳高度角进行修正的各向异性散射辐射模型，该模型计算简单方便，具有一定的使用价值。但该模型从各向同性修正而来，物理意义不明确，精度不高，物理定义不明确，精度不高，因此需对选定模型进行不同天气类型下的修正。

技术实现要素：

本发明提供一种高精度散射辐射计算模型，解决现有散射辐射计算模型误差较大问题，从而精准预测发电量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种高精度散射辐射计算方法，包括以下步骤：

(1)采集辐照数据；

(2)计算散射辐射修正系数；

(3)计算得到修正后的散射辐照度。

前述的采用三块太阳电池做辐照传感器，一块水平放置、一块倾角放置、一块水平放置并在太阳直接照射的方向上加遮光片，根据基于太阳电池外接负载两端电压计算辐照度的非线性模型计算对应的水平面总辐照度H、斜面总辐照度H_t、水平面的散射辐照度H_d，计算公式如下：

$H^i=\frac{0.07U_i-2.75\×{10}^{-12}(e^{\frac{308.99U_i}{T}}-1)\×{10}^4}{0.0646\×{U_i}^6-0.513\×{U_i}^5+1.514\×{U_i}^4-2.078\×{U_i}^3+1.626\×{U_i}^2-0.668\×U_i+1.352},i=1,2,3---\left(1\right)$

其中，当i＝1时，U₁为水平放置的太阳电池外接负载两端电压，H¹对应水平面总辐照度H，当i＝2时，U₂为倾角放置的太阳电池外接负载两端电压，H²对应斜面总辐照度H_t，当i＝3时，U₃为水平放置并在太阳直接照射的方向上加遮光片的太阳电池外接负载两端电压，H³对应水平面的散射辐照度H_d。

前述的计算散射辐射修正系数，包括以下步骤：

(2-1)根据散射模型计算斜面的散射辐照度；

所述散射模型为：斜面的散射辐照度由太阳所在光盘发散出的散射辐照度与周围天空穹顶均匀分布的散射辐照度组成：

$H_{dt}=H_d\[\frac{H_b}{H_0}{R}_b+\frac{1}{2}(1-\frac{H_b}{H_0})(1+\cos s)\]---\left(3\right)$

其中，H_dt为散射模型中斜面的散射福照度，s为斜面的倾角；

H_b满足：

H＝H_d+H_b (2)

其中，H_b为水平面的直射辐照度，H_d为水平面的散射辐照度；

H₀为大气层上界水平方向上的太阳总辐照度：

其中，α_s为太阳高度角，n为当日所在一年中的天数；

R_b为斜面与水平面上直射辐照度之比：

$R_b=\frac{cos\mathrm{\θ}}{{\mathrm{cos\θ}}_Z}---\left(5\right)$

其中，θ_Z为天顶角，θ为太阳入射角；

则，由散射模型计算斜面的散射辐照度为：

$H_{dt}=H_d\[\frac{H-H_d}{H_0}(R_b-\frac{1+\cos s}{2})+\frac{1+\cos s}{2}\]---\left(6\right);$

(2-2)根据直射模型计算斜面的散射辐照度；

所述直射模型为：倾斜的太阳电池接收到的总辐照度等于散射辐照度与直射辐照度之和，则斜面的散射辐照度为：

H′_dt＝H_t-H_bt (8)

其中，H′_dt为直射模型中斜面的散射福照度，H_bt为斜面的直射辐照度；

由于太阳的直射辐照度与太阳电池的角度有关，故：

H_bt＝H_b×R_b (7)

则，

H′_dt＝H_t-(H-H_d)×R_b (9)；

(2-3)计算散射辐射修正系数，定义散射模型中斜面的散射福照度和直射模型中斜面的散射福照度的差值比例系数为散射辐射修正系数ΔH_dt：

${\mathrm{\ΔH}}_{dt}=\frac{H_{dt}^{,}-H_{dt}}{H_{dt}}---\left(10\right);$

(2-4)通过线性回归的方法建立散射辐射修正系数和时间之间的函数关系，具体如下：

假定不同天气下散射辐射修正系数ΔH_dt与时间t呈六次函数关系：

ΔH_dt＝b₁t⁶+b₂t⁵+b₃t⁴+b₄t³+b₅t²+b₆t+b₇ (11)

其中，系数b₁—b₇为未知数，

然后通过线性回归的方法代入不同天气的数据计算得到公式(11)中的系数b₁—b₇，进而得到散射辐射修正系数和时间之间的函数关系。

前述的修正后的散射辐照度为：

H_dt-修正＝(ΔH_dt+1)H_dt (12)

其中，H_dt-修正为修正后的斜面的散射辐照度，H_d-修正为修正后的水平面的散射辐照度。

本发明的散射辐射计算方法可精准计算出散射辐照度，为光伏跟踪系统、最佳倾角计算、聚光系统提供准确的辐照数据。

附图说明

图1为本发明的高精度散射辐射计算流程图；

图2为太阳电池；

图3为不同天气下散射辐射修正系数与时间的关系图；

图4为太阳电池辐照测量仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明方法首先利用太阳电池采集负载两端电压，并计算水平面总辐照度H、斜面总辐照度H_t、水平面散射辐照度H_d数据，利用现有Hay模型的直射、散射计算模型分别计算获得斜面散射辐照度H_dt，随后利用线性回归方法计算获得Hay模型散射辐射修正系数，从而修正Hay模型散射计算模型，具体计算流程如下：

1.辐照数据采集

采用三块如图2所示的太阳电池做辐照传感器，一块水平放置、一块倾角放置、一块水平放置并在太阳直接照射的方向上加遮光片。太阳电池接收太阳辐射后产生光生电流，电流流经回路中的电阻，使其两端产生电势差，根据基于电池外接负载两端电压计算辐照度的非线性模型计算对应的水平面总辐照度H、斜面总辐照度H_t、水平面的散射辐照度H_d数据，计算公式如下：

$H^i=\frac{0.07U_i-2.75\×{10}^{-12}(e^{\frac{308.99U_i}{T}}-1)\×{10}^4}{0.0646\×{U_i}^6-0.513\×{U_i}^5+1.514\×{U_i}^4-2.078\×{U_i}^3+1.626\×{U_i}^2-0.668\×U_i+1.352},i=1,2,3---\left(1\right)$

其中，当i＝1时，U₁为水平放置的太阳电池外接负载两端电压，H¹对应水平面总辐照度H，当i＝2时，U₂为倾角放置的太阳电池外接负载两端电压，H²对应斜面总辐照度H_t，当i＝3时，U₃为水平放置并在太阳直接照射的方向上加遮光片的太阳电池外接负载两端电压，H³对应水平面的散射辐照度H_d。

2.散射辐射修正系数计算

2-1)散射模型计算斜面散射辐照度

为了增强硅电池对太阳光的吸收，提高电池的性能，往往在硅电池表面做绒面处理，有效的绒面结构使可见光在电池表面多次折射、反射，大大降低硅电池表面对太阳辐射的反射，因此到达电池表面的总辐照度近似等于散射辐照度与直射辐照度之和：

H＝H_d+H_b (2)

式中，H_b为水平面的直射辐照度，H_d为水平面的散射辐照度。

本发明设计的辐照计的散射计算模型采用基于各向同性修正得到Hay模型，即倾斜面上方的散射辐照度由太阳所在光盘发散出的散射辐照度与周围天空穹顶均匀分布的散射辐照度组成：

$H_{dt}=H_d\[\frac{H_b}{H_0}{R}_b+\frac{1}{2}(1-\frac{H_b}{H_0})(1+\cos s)\]---\left(3\right)$

式中，H_dt为散射模型的斜面散射福照度，s为斜面的倾角，

H₀为大气层上界水平方向上的太阳总辐照度：

式中，α_s为太阳高度角，n为当日所在一年中的天数；

R_b为倾斜面与水平面上直射辐射度之比：

$R_b=\frac{cos\mathrm{\θ}}{{\mathrm{cos\θ}}_Z}---\left(5\right)$

式中，θ_Z为天顶角，θ为太阳入射角。

则由散射模型计算斜面散射辐照度为：

$H_{dt}=H_d\[\frac{H-H_d}{H_0}(R_b-\frac{1+\cos s}{2})+\frac{1+\cos s}{2}\]---\left(6\right)$

2-2)直射模型计算斜面散射辐照度

由于太阳的直射辐照度与太阳电池的角度有关，故：

H_bt＝H_b×R_b (7)

倾斜的太阳电池接收到的总辐照度近似等于散射辐照度与直射辐照度之和，则直射模型的斜面散射辐照度为：

H′_dt＝H_t-H_bt (8)

H_bt为倾斜面的直射辐照度，H_dt为散射模型的斜面散射福照度。

则由直射模型计算斜面散射辐照度为：

H′_dt＝H_t-(H-H_d)×R_b (9)

H′_dt为直射模型的斜面散射福照度。

2-3)散射辐射修正系数

由上述两种方法计算获得斜面散射辐照度，求得两者的差值比例系数即为散射辐射修正系数：

${\mathrm{\ΔH}}_{dt}=\frac{H_{dt}^{,}-H_{dt}}{H_{dt}}---\left(10\right)$

对不同天气下的辐照数据进行上述的处理，则散射辐射修正系数ΔH_dt与时间t的关系如图3所示。

从图3中可以看出，ΔH_dt与t之间存在一定的关系，且不同天气下关系不同，由于ΔH_dt值相对较小，为了保证精度，这里假定不同天气下ΔH_dt与t呈六次函数关系：

ΔH_dt＝b₁t⁶+b₂t⁵+b₃t⁴+b₄t³+b₅t²+b₆t+b₇ (11)

式中，b₁—b₇为未知数，这里通过线性回归的方法代入不同天气的数据计算得公式中的系数如表1所示。

表1 公式(10)中系数(×10³)

3.高精度散射辐射计算

一般的，以太阳电池为传感器的辐照测量仪如图4所示，它由水平太阳电池、斜面太阳电池接收太阳辐射后转换为水平的总辐照度、斜面的总辐照度，通过Hay模型计算获得散射辐照度，因模型在计算散射辐射方面误差过大，因此对Hay模型计算获得的散射辐射度进行修正，假设由模型计算获得的斜面散射辐照度为H_dt，则修正后的散射辐照度为：

H_dt-修正＝(ΔH_dt+1)H_dt (12)

式中，H_dt-修正为修正后的斜面散射辐照度，H_d-修正为修正后的水平面散射辐照度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。