本发明涉及一种光伏方阵间距遮挡下光伏组件辐照不均匀度计算方法，属于光伏组件可靠性分析技术领域。
背景技术
近年太阳能光伏产业发展迅速，光伏组件实际其发电性能也备受关注。在光伏系统设计时需要综合考虑土地面积成本、发电性能等因素。光伏系统组件间的遮挡是影响光伏发电性能的重要因素之一，前排组件对阻挡了入射太阳辐射，导致照射到面板上的有效面积减少，造成太阳辐照不均匀，造成组件的输出伏安特性曲线呈现阶梯状，导致功率电压曲线产生多个局域最大峰值，致使最大功率跟踪点跟踪失效。此外，在电网中光伏渗透率较高时，若产生大规模遮挡，输出功率将会产生较大的缺口，导致大电网系统频率和电压发生偏移，给调度和运行造成困难，最终影响供电质量和供电可靠性。
因此，合理评估光伏组件前后排遮挡下引起的光伏组件表面辐照强度不均匀度，对优化光伏阵列的结构以及提高输出功率，提高光伏发电效率和投资收益、降低光伏发电成本具有积极意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种光伏方阵间距遮挡下光伏组件辐照不均匀度计算方法，量化光伏组件前后排遮挡引起的表面辐照不均匀度，实现对前后排遮挡所带来影响的合理有效评估。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光伏方阵间距遮挡下光伏组件辐照不均匀度计算方法，包括以下步骤：
1)建立前、后排光伏组件与太阳光线的三维直角坐标系统；
2)根据太阳光线的方向向量，前排光伏组件的顶点坐标以及后排光伏组件的平面方程，确定后排遮挡区域阴影特征点；
3)建立遮挡区域阴影特征点随时间变化关系，确定阴影区域面积及遮挡比例；
4)根据直射辐照、散射辐照模型计算阴影区域与非阴影区域辐照度；
5)根据阴影区域与非阴影区域面积，计算阴影区域与非阴影区域总辐照量；
6)计算光伏组件辐照不均匀度与辐照损失。
前述的步骤1)中，三维直角坐标系统建立如下：前、后排光伏组件正南方向固定安装，以前排光伏组件下底边中心点为三维直角坐标系统的原点，正东方向为三维直角坐标系统x方向，正北方向为y方向，天顶方向为z方向，则：
前排光伏组件的平面方程：z＝ytanβ(7)
后排光伏组件的平面方程：z＝(y-l)tanβ(8)
前排光伏组件四个顶点坐标：a1：(-a/2,0,0)，b1：(-a/2,bcosβ,bsinβ)，c1：(a/2,bcosβ,bsinβ)，d1：(a/2,0,0)；
后排光伏组件四个顶点坐标：a2：(-a/2,l,0)，b2：(-a/2,bcosβ+l,bsinβ)，c2：(a/2,bcosβ+l,bsinβ)，d2：(a/2,l,0)；
其中，β为光伏组件与水平地面夹角，l为前、后排光伏组件间距，a为光伏组件下底宽，b为光伏组件长。
前述的步骤2)中，后排遮挡区域阴影特征点为b1’，c1’，坐标如下：
c1’的三维坐标为：
z'c1＝tanβ(y'c1-l)
x'c1＝-tanγs(y'c1-bcosβ)+a/2
b1’的三维坐标为：
z'b1＝tanβ(y'b1-l)
x'b1＝-tanγs(y'b1-bcosβ)-a/2
其中，θz为太阳天顶角，γs为太阳方位角。
前述的步骤3)中，遮挡区域阴影特征点随时间变化关系为：
当
前述的阴影区域面积为：
上午时，阴影区域面积s为：
下午时，阴影区域面积s为：
前述的遮挡比例为：
其中，f为遮挡比例。
前述的步骤4)中，阴影区域与非阴影区域辐照度区别在于，阴影区域只包含散射辐照度，根据水平面散射辐照强度与各向异性散射辐照模型计算得到，计算如下：
其中，it,d为散射辐照度，即阴影区域辐照度，ih,d为水平面散射辐照强度，i0为大气层上界水平面总太阳辐射强度，ih为水平面总太阳辐射强度，β为光伏组件与水平地面夹角，rb为倾斜面上直接辐射与水平面直接辐射比；
非阴影区域辐照度为：it,d+it,b
其中，it,b为后排组件未被遮挡区域的直接辐照强度，it,b＝incosθi
in为法向辐照强度，θi为倾斜面上太阳光线入射角。
前述的步骤5)中，阴影区域总辐照量ht,s为：
ht,s＝(ab-s)(it,b+it,d)+sit,d(20)
非阴影区域总辐照量为：
ht,ns＝ab(it,b+it,d)(21)
其中，a为光伏组件下底宽，b为光伏组件长，s为阴影区域面积。
前述的步骤6)中，光伏组件辐照不均匀度nu计算如下：
光伏组件辐照损失rl为：
本发明具有的有益效果是：本发明能够较准确的确定后排组件被遮挡比例随时间变化规律，量化光伏组件前后排遮挡引起的表面辐照不均匀度，实现对前后排遮挡所带来影响的合理有效评估。
附图说明
图1为某代表城市近十年月平均水平面总、散射及法向直射辐照量分布曲线图；
图2为某代表城市理想典型日水平面直射、散射及法向辐照强度分布曲线图；
图3为前后排阴影遮挡与太阳光线关系图；
图4为实施例中nu分布曲线图。
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。
照射到太阳光伏组件上的辐射光主要有直射、散射以及少量地面反射辐射，由于地面反射辐射占比较少，本发明中忽略这部分的计算。此外，在本发明中，认为太阳直射光线是相互平行的。
本发明通过meteonorm软件或中国气象数据网获得如图1所示某城市近十年月平均水平面总辐照量gh(kwh/m2)、散射辐照量dh(kwh/m2)以及法向辐照量bn(kwh/m2)，这里用ga,y表示光伏组件安装地近十年水平面总辐照量年平均值，其值为12个月的gh值的和，用da,y表示光伏组件安装地近十年水平面散射辐照量年平均值，其值为12个月的dh值的和，用ba,y表示光伏组件安装地近十年水平面法向辐照量年平均值，其值为12个月的bh值的和，日均总辐照量、散射辐照量、法向辐照量分别为
理想典型日法向辐照强度分布可由以下公式确定：
in＝γiscpm(h)
其中，in为法向辐照强度，isc为太阳常数，取值为1367w/m2，
γ为日地距离修正系数，
m(h)为大气质量，
其中，h为太阳高度角，弧度制，
p为大气透明度，求解如下：对一天的理想典型日法向辐照强度进行积分，应与理想典型日法向辐照量相等，即：
其中，ωsr为日出时角，典型日取为6点，ωst为日落时角，典型日取为18点，从而推得实例地区准确大气透明度值。
理想典型日水平直射辐照强度bb,h和理想典型日水平散射辐照强度dd,h的分布可由以下公式确定：
bb,h＝incosθz(3)
其中，θz为太阳天顶角。
可得如图2所示的理想典型日法向辐照强度分布曲线、理想典型日水平散射辐照强度分布曲线、理想典型日水平直射辐照强度分布曲线。
本发明设定理想情况，只考虑光伏系统阵列仅有前后两排组件的情况。
一般情况下，光伏系统前后排遮挡区域较小，所以认为后排组件被前排组件所遮挡和未被遮挡区所接收的辐照，区别在于，被遮挡区域只包含散射辐照，即被遮挡区域所接收的辐照强度等于倾斜面上的散射辐照强度。根据水平面散射辐照强度与hay各向异性散射辐照模型计算得到，被遮挡区域所接收的辐照强度计算如下：
其中，it,d表示倾斜面上的散射辐照强度，也就是被遮挡区域所接收的辐照强度，ih,d为水平面散射辐照强度，i0为大气层上界水平面总太阳辐射强度，ih为水平面总太阳辐射强度，β为光伏组件与水平地面夹角，rb为倾斜面上直接辐射与水平面直接辐射比，rb＝cosθi/cosθz，θi为倾斜面上太阳光线入射角，
it,b为后排组件未被遮挡区域的直接辐照强度，根据法向辐照强度与几何关系计算如下：
it,b＝incosθi(6)
in为法向辐照强度，故后排组件未被遮挡区域的辐照强度可以表示为(it,d+it,b)。
如图3所示，共有两排光伏组件(前排、后排)正南方向固定安装，以前排光伏组件下底边中心点为三维直角坐标系原点，正东方向为三维直角坐标系x方向，正北方向为y方向，天顶方向为z方向。
故前排光伏组件的平面方程：z＝ytanβ(7)
后排光伏组件的平面方程：z＝(y-l)tanβ(8)
前排组件四个顶点坐标：a1：(-a/2,0,0)，b1：(-a/2,bcosβ,bsinβ)，c1：(a/2,bcosβ,bsinβ)，d1：(a/2,0,0)；
后排组件四个顶点坐标：a2：(-a/2,l,0)，b2：(-a/2,bcosβ+l,bsinβ)，c2：(a/2,bcosβ+l,bsinβ)，d2：(a/2,l,0)；β为光伏组件与水平地面夹角，l为前后排光伏组件间距，a为光伏组件下底宽，b为光伏组件长。
太阳直射光线为平行光线，方向向量p表示为：
p＝[-sinθzsinγs,sinθzcosγs,-cosθz]
其中，θz为太阳天顶角，
γs为太阳方位角，sinγs＝cosδsinω/sinθz。
将方向向量p与b1坐标连列建立空间直线方程：
将后排光伏组件的平面方程z＝(y-l)tanβ，代入上述空间直线方程，解得b1，c1经直射光线在后排组件平面上的投影点(后排遮挡区域阴影特征点)b1’，c1’的坐标：
c1’的三维坐标为：
z'c1＝tanβ(y'c1-l)
x'c1＝-tanγs(y'c1-bcosβ)+a/2
b1’的三维坐标为：
z'b1＝tanβ(y'b1-l)
x'b1＝-tanγs(y'b1-bcosβ)-a/2
对于后排组件表面被遮挡的极端情况，有以下两种:
1、上午时段，当c1’投影点刚好和a2点重合之后，后排组件表面开始出现遮挡，该时刻满足关系：x'c1＝-a/2，解得该时刻太阳方位角：
2、下午时段，当b1’投影点刚好和d2点重合之后，后排组件表面不再有遮挡，同理解得该时太阳方位角：
综合以上两点，当
其遮挡阴影区域应该为一直角梯形，特别地，正午12时，阴影区域恰为矩形。
其阴影区域面积s表示为：
1、上午时，即当
遮挡阴影直角梯形的上底长度为(x'c1-(-a/2))，下底长度为(a-ltanγs)，高为(z'c1/sinβ)，故其面积：
2、下午时，即当
那么，后排组件表面的被遮挡阴影区域面积占组件总面积比例：
被遮挡的后排组件表面接收到的总辐照能：
ht,s＝(ab-s)(it,b+it,d)+sit,d(20)
未被遮挡的后排组件表面接收到的总辐照能：
ht,ns＝ab(it,b+it,d)(21)
所以，组件表面辐照不均匀度nu表示为被遮挡的后排组件表面接收到的总辐照能与未被遮挡的后排组件表面接收到的总辐照能的比值：
其中，f为遮挡比例，即建立了遮挡比例与辐照不均匀度的关系，量化了光伏组件前后排遮挡引起的表面辐照不均匀度。
组件表面辐照损失度rl表示为1与组件表面辐照不均匀度的差值：
其中，f为遮挡比例，它是关于时间、组件间距相关的函数，即建立了光伏组件表面辐照损失度与太阳位置、光伏方阵间距的关系函数。
图4给出了典型日期下的nu分布曲线，其中，a取值为1米，b取值为2米，l取值为1.8米，β取值为(π/6)弧度。
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。