不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法与流程

本发明涉及一种光伏技术，特别涉及一种不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法。

背景技术：

在光伏电站实际运行过程中，由于周围建筑物、树木、云层等的遮挡，光伏阵列经常处于局部阴影中。在一定数目的电池串两端并接旁路二极管可有效避免由光照不均匀分布而产生的热斑现象，但同时也将使得光伏阵列的输出特性趋于复杂化。

热斑效应：在一定条件下，一串联支路中被遮挡的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。热斑效应能严重的破坏太阳电池，有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的的电池所消耗。热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料(如旁路二极管)，甚至会使整个方阵失效。

总的来说，热斑效应不仅会带来火灾的风险，同时还会带来大量的发电量损失，影响收益。因此，我们在做光伏电站系统设计的时候，应该精细化的计算障碍物的阴影遮挡，避免阴影对光伏组件甚至整个电站的影响。

技术实现要素：

本发明是针对分布式光伏电站屋面情况对光伏组件影响的问题，提出了一种不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法，基于屋面的坡度角、屋面的方位角、障碍物高度、太阳方位角、太阳高度角等信息确定一个障碍物在屋面上的投影，并确定该投影在屋面南北、东西方向上的分量。根据屋面的坡度角、屋面的朝向等信息，在任何时段精确的计算障碍物在屋面各个方向上的分量，为光伏电站精细化设计提供了重要入参。

本发明的技术方案为：一种不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法，具体包括如下步骤：

1)确定屋面的朝向和其对应的坡度角：

屋面方位角ε定义为：屋面法线方向在水平面上的投影与正南朝向的夹角，正向朝南的方位角为0，顺时针方向为正，逆时针方向为负，

屋面的坡度角θ为屋面与水平面的夹角值，若屋面朝向为南或者东，θ＝θ；若屋面朝向为北或者西，θ＝-θ；

2)根据光伏场站经纬度确定，确定光伏场站的时差，得到真太阳时，

真太阳时＝平太阳时+真太阳时时差；

平太阳时＝北京时间+(光伏场站经度-120°)*4；

真太阳时时差根据每日时间的对应的时差表查找；

3)对于南北坡屋面，高度为len的障碍物阴影在屋面上的投影为：

其中，len为障碍物相对于屋面的高度；lenns_ns为障碍物阴影垂直于屋脊方向的阴影分量；lenwe_ns为障碍物阴影平行于屋脊方向的阴影分量；α为太阳高度角；β为太阳方位角；

sinα＝sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cosω

cosβ＝(sinα*sinφ-sinδ)/(cosα*cosφ)

其中φ为当地纬度；δ为太阳赤轨角；ω为太阳时角；

ω＝(真太阳时-12)*15°

δ(deg)＝0.006918-0.399912cos(b)+0.070257sin(b)-0.006758cos(2b)+0.000907sin(2b)-0.002697cos(3b)+0.00148sin(3b)

其中，b＝2*pi*(n-1)/365，n是每年从1月1日起的计日数；pi表示圆周率；

4)对于东西坡屋面，高度为len的障碍物阴影在屋面上的投影为：

其中，lenns_we为障碍物阴影平行于屋脊方向的阴影分量；lenwe_we为障碍物阴影垂直于屋脊方向的阴影分量；

5)障碍物阴影遮挡范围为以障碍物阴影垂直于屋脊方向的阴影分量和障碍物阴影平行于屋脊方向的阴影分量为两直角边的三角形斜边长。

本发明的有益效果在于：本发明不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法，与行业内仅根据经验确定障碍物阴影的遮挡范围相比，本发明不仅可以计算水平面上障碍物任何时间范围内的阴影遮挡范围，同时还可以计算有方位角和坡度角屋面障碍物任何时间范围内的阴影遮挡范围，对于光伏系统的精细化设计具有很好的指导作用。

附图说明

图1为本发明不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法中参数示意图。

具体实施方式

一种不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法，具体包括如下步骤：

1、如图1所示不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法中参数示意图，θ为屋面坡度角，实框线为屋面，虚框线为水平面，屋面与水平面交于直线ob上，障碍物ab高度为l(ab高度是平行于屋面的法线方向的距离，即相对与屋面的高度)，太阳光线从a点出发与屋面交点为m，与水平面交点为e。从b点在水平面作一条垂直于ob的直线bf，从b点在屋面平面作一条垂直于ob的直线bg，在屋面平面作mc垂直于bc，在水平面作ed垂直于bf。障碍物ab在屋面上的投影为bm，bm垂直于屋脊方向上的分量为bc，平行于屋脊方向的分量为cm，直角三角形边长bm为障碍物ab阴影遮挡，因此只有计算得到两个分量即可。

2、确定屋面的朝向和其对应的坡度角，具体步骤如下：

屋面方位角ε的定义是：屋面法线方向在水平面上的投影与正南朝向的夹角。本发明定义正向朝南的方位角为0，顺时针方向为正，逆时针方向为负，则根据屋面方位角ε，通过公式(1)可确定屋面的朝向。

确定好屋面的朝向后，按如下方法定义屋面的坡度角θ：假设屋面坡度角为3°，若屋面朝向为南或者东，屋面坡度角为3°；若屋面朝向为北或者西，屋面坡度角为-3°。

3、根据场站经纬度确定，确定场站的时差，具体步骤如下：

光伏场站计算各个时段影子的长度，这个时段考虑的是对应当地时间(真太阳时)的时段，而不是钟表时间(北京时间)的时段，因为俩者存在一定的误差。

真太阳时＝平太阳时+真太阳时时差(2)

平太阳时是当地的时钟时(以经度为准的时钟时，非“北京时间”)，真太阳时时差对于每一天都不相同，并没有特定的规律，具体见附表1为每日时间的对应的时差表(可根据地球绕太阳公转的规律由天体力学算出)。以中国某城市为例，假设其经度为121°，那么在4月14号北京时间为12:00:00(钟表显示时间)，平太阳时为：

12:00:00+(121°-120°)*4＝12:04:00

查表得到4月14号的时差为13秒，则根据公式(2)计算该城市的真太阳时应该为：

真太阳时＝12:04:00+00:00:13＝12:04:13

因此对于该城市，4月14号，真太阳时与钟表显示时间偏差在00:04:13，也就是说如果此时需要保证当地时间下午3点钟没有阴影遮挡，则我们需要在钟表时间为14:55:47的时候进行观察，而不是传统意义上钟表时间的15:00:00观察。

表1

4、根据场站经纬度和障碍物高度确定障碍物的阴影遮挡范围，具体步骤如下：

根据当地纬度φ分别计算太阳高度角α和太阳方位角β：

sinα＝sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cosω(3)

cosβ＝(sinα*sinφ-sinδ)/(cosα*cosφ)(4)

其中，α为太阳高度角；β为太阳方位角；φ为当地纬度；δ为太阳赤轨角；

ω为太阳时角。

太阳时角ω由太阳时(真太阳时)计算，太阳时角在正午时为零(即位于天空的正中间)，上午为正，下午为负，日出时为-90°，日落时为+90°，平均每小时时角变化15°。

ω＝(真太阳时-12)*15°(5)

太阳赤轨角δ为：

其中，b＝2*pi*(n-1)/365，n是每年从1月1日起的计日数。即1月1日，n＝1,1月2日，n＝2，以此类推。pi表示圆周率。

设中间量k为：

考虑屋面方位角ε，则k'为

因此，对于南北坡屋面，高度为len的障碍物阴影在屋面上的投影为：

其中，len为障碍物高度；θ为屋面坡度角；ε为屋面方位角；lenns_ns为障碍物阴影垂直于屋脊方向的阴影分量；lenwe_ns为障碍物阴影平行于屋脊方向的阴影分量。

设中间量p为：

考虑屋面方位角ε，则p'为：

当为东坡面(坡度角θ赋予正值)时，若β≤ε，θ＝-θ；若β＞ε，θ＝θ。当为西坡面(坡度角θ赋予负值)时，若β＞ε，θ＝θ；若β≤ε，θ＝-θ；总结为东西坡屋面时坡度角θ如下公式：

因此，对于东西坡屋面，高度为len的障碍物阴影在屋面上的投影为：

其中，len为障碍物高度；θ为屋面坡度角；ε为屋面方位角；lenns_we为障碍物阴影平行于屋脊方向的阴影分量；lenwe_we为障碍物阴影垂直于屋脊方向的阴影分量。