本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的計算方法，具體涉及一種云對太陽輻照度影響的確定方法。

背景技術(shù)：

隨著近年來大規(guī)模光伏電站接入電網(wǎng)，光伏功率的隨機性和波動性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行造成影響，對光伏影響因素的研究日益受到重視。光伏功率的決定因素是太陽輻照度，在輻照度的眾多影響要素中，云對輻照度的影響最顯著、動態(tài)性最強，因而急需構(gòu)建一種能準(zhǔn)確計算云對太陽輻照度影響的模型。

目前，在光伏功率預(yù)測方面有一些關(guān)于云的研究，少數(shù)研究采用統(tǒng)計方法，不構(gòu)建云的物理模型；此類方法缺乏理論依據(jù)與實踐檢驗。多數(shù)方法基于全天空成像儀等地基云圖照片，采用圖像識別技術(shù)識別照片中的云，再根據(jù)照片中判別為云的像素的灰度值推算云對輻照度消減的程度。此類方法存在以下問題：1)由于云圖照片缺乏云層高度信息，因而無法確定云的位置；2)云對輻照度的消減取決于含水量等云的特性，根據(jù)單一的照片灰度值無法準(zhǔn)確提取云的特性信息；3)全天空成像儀等地基云圖觀測儀器的鏡頭為球形表面，導(dǎo)致圖像變形較大，難以進行準(zhǔn)確還原；4)根據(jù)照片中云的位置推算空間中云的投影位置，計算較為復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種云對太陽輻照度影響的確定方法，基于云層特性觀測數(shù)據(jù)，采用日地關(guān)系與大氣物理學(xué)公式，提出了計算云對太陽輻照度影響的物理模型，該模型計算了太陽高度角、天頂角、方位角，計算了晴天無云條件下大氣上界水平面輻照度、日光穿過大氣層后的地表輻照度，以及云的投影位置、消光系數(shù)、云影區(qū)域的剩余輻照度等。

本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種云對太陽輻照度影響的確定方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟：

1)確定晴天無云條件下的輻照度；

2)確定云的投影位置；

3)確定云的消光系數(shù)；

4)確定云影位置處輻照度。

進一步地，所述步驟1)包括：

1.1計算太陽方位：

對于地面上處于緯度和經(jīng)度λ的觀測者而言，在某一時刻觀測的太陽天頂角θ和方位角α用下列方程來計算：

其中：δ為太陽赤緯角，即日地中心連線與赤道平面的夾角，變化于±23°27′之間；ω為時角，定義為觀測點的經(jīng)圈與太陽重合后(即當(dāng)?shù)卣?地球自轉(zhuǎn)的角度，每天從0°變至360°，正午時刻時角為0°；太陽天頂角θ為太陽高度角β的余角；

1.2計算日地距離：

地球以橢圓形軌道繞太陽旋轉(zhuǎn)，一年中每一天地球與太陽的距離并不相同；日地平均距離為149597892±500km，與該距離相對應(yīng)的太陽輻照度為標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度，在其它日期，大氣上界與的太陽輻照度要進行訂正，訂正采用日地距離訂正因數(shù)dm，其定義為：

dm＝d0/d

其中：dm：日地距離訂正因數(shù)；d0：日地平均距離；d：日地距離；

1.3計算大氣上界面太陽輻照度：

大氣上界的太陽輻照度用下式表示：

太陽輻射常數(shù)，即與日地平均距離對應(yīng)的大氣上界與日光垂直平面上的輻照度，1367w/m²；s0：大氣上界水平面上的太陽輻照度；dm：日地距離訂正因數(shù)；θ：太陽天頂角；

1.4計算地表輻照度：

地表接收到的太陽輻射由直接輻射、散射輻射組成，兩者均與日光直接輻射穿過的大氣路徑長度有關(guān)，采用大氣量表示；大氣量的計算公式如下：

其中：θ：太陽天頂角；m0：海平面上的大氣量；mh：海拔高度h對應(yīng)的大氣量；p0：地面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，1013.25hpa；ph：海拔高度h對應(yīng)的大氣壓；

基于大氣量，晴天無云條件下大氣直射透明系數(shù)τb和散射透明系數(shù)τd，及其對應(yīng)的直射輻照度、散射輻照度，直射輻照度和散射輻照度之和即為地表接收到的總輻照度；表達式如下：

τd＝0.271-0.294×τb

s′＝s0(τb+τd)

其中：s′：晴天無云條件下，地表水平面上接收到的太陽總輻照度。

進一步地，所述步驟2)包括：

以云團中某一點p為對象，設(shè)p在地面的投影為p′，p′相對于p的偏移量計算公式如下：

δx＝-z×tan(θ)×sinα

δy＝-z×tan(θ)×cosα

其中：z：云團中p點到地面的垂直距離；θ：太陽天頂角；δx：陰影p′相對于p偏移量的東西向分量，向東為正；δy：陰影p′相對于p偏移量的南北向分量，向北為正；α為太陽方位角，其定義為：以目標(biāo)物的北方向為起始方向，太陽光的入射方向為終止方向，按順時針方向所測量的角度；

計算云的投影位置公式如下：

x1＝x0+δx

x1＝x0-z×tan(θ)×sinα

y1＝y(tǒng)0+δy

y1＝y(tǒng)0-z×tan(θ)×cosα

其中：x0、y0為云團中p點的坐標(biāo)位置，x1、y1為云團投影中p′點的坐標(biāo)位置。

進一步地，所述步驟3)包括：

云對太陽輻射的吸收和散射，最終的結(jié)果是造成對太陽輻射的削弱與損失，即消光系數(shù)，云的含水量與消光系數(shù)的關(guān)系如下式所示：

kex＝128qw

其中：qw：云的含水量，單位為g/m³；kex：云的消光系數(shù)，單位為km^-1。

進一步地，所述步驟4)包括：確定云影位置處輻照度

對于云上某一點p，其陰影位置p′點處的太陽輻照度計算公式如下：

sl＝s′(1-kex)

其中：s′：晴天無云條件下，地表水平面上接收到的太陽總輻照度；kex：云中p點的消光系數(shù)；sl：p的投影位置p′點處的太陽輻照度。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是：

1.本方法物理意義明確，通過日地關(guān)系與大氣物理學(xué)公式計算晴空無云條件下的地表輻照度、云的投影位置、消光系數(shù)等參數(shù)，計算結(jié)果可靠，適用于全球任何區(qū)域。

2.本方法計算較為簡單，無需光譜分析，無需區(qū)分不同的光波波長進行分光計算等，易于推廣與工程化應(yīng)用。

3.本方法計算結(jié)果準(zhǔn)確，能夠得到準(zhǔn)確的云影位置、輻照度衰減值?？朔说鼗茍D照片缺乏云層高度、圖像變形、計算公式復(fù)雜、缺乏有效云層特性信息等問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的云的投影位置偏移關(guān)系示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的云影區(qū)域輻照度計算流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發(fā)明的實施 方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術(shù)語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發(fā)明，不是要自動地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。

本部分介紹根據(jù)日地關(guān)系、大氣物理學(xué)公式、云層特性觀測數(shù)據(jù)計算云影區(qū)域輻照度的方法，技術(shù)方案如下：

1、計算晴天無云條件下的輻照度

計算云對輻照度的影響，首先需要知道晴天無云條件下，某一地點應(yīng)該獲得的輻照度，稱為晴天無云輻照度。晴天無云輻照度主要取決大氣上界太陽輻照度及日光穿過大氣層的衰減程度。

1.1計算太陽方位

大氣上界的輻照度主要取決于日地關(guān)系，即從地表坐標(biāo)系來看太陽的位置，一般采用太陽天頂角/高度角和方位角表示。對于地面上處于緯度和經(jīng)度λ的觀測者而言，在某一時刻觀測到的太陽的天頂角θ(太陽高度角β的余角)和方位角α可以用下列方程來計算：

其中δ為太陽赤緯角(日地中心連線與赤道平面的夾角)，變化于±23°27′之間。ω為時角，定義為觀測點的經(jīng)圈與太陽重合后(即當(dāng)?shù)卣?地球自轉(zhuǎn)的角度，每天從0°變至360°，正午時刻時角為0°。

1.2計算日地距離

地球以橢圓形軌道繞太陽旋轉(zhuǎn)，一年中每一天地球與太陽的距離并不相同。日地平均距離為149597892±500km，與該距離相對應(yīng)的太陽輻照度為標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度，而在其它日期，大氣上界與的太陽輻照度要進行訂正，訂正采用日地距離訂正因數(shù)dm，其定義為：

dm＝d0/d

式中：dm：日地距離訂正因數(shù)；d0：日地平均距離；d：日地距離；

1.3計算大氣上界面太陽輻照度

大氣上界的太陽輻照度隨日地距離的變化有所不同。此外，大氣上界水平面輻照度與太陽天頂角有關(guān)，天頂角越小，得到的太陽輻照度越多。

式中：太陽輻射常數(shù)，即與日地平均距離對應(yīng)的大氣上界與日光垂直平面上的輻照度，(1367w/m²)；s0：大氣上界水平面上的太陽輻照度；dm：日地距離訂正因數(shù)；θ：太陽天頂角。

1.4計算地表輻照度

地表接收到的太陽輻射由直接輻射、散射輻射組成，兩者均與日光直接輻射穿過的大氣路徑長度有關(guān)，采用大氣量表示。大氣量與太陽天頂角、大氣壓有關(guān)，計算公式如下：

式中：θ：太陽天頂角；m0：海平面上的大氣量；mh：海拔高度h對應(yīng)的大氣量；p0：地面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013.25hpa)；ph：海拔高度h對應(yīng)的大氣壓。

基于大氣量，可以計算晴天無云條件下大氣直射透明系數(shù)τb和散射透明系數(shù)τd，及其對應(yīng)的直射輻照度、散射輻照度。兩者之和即為地表接收到的總輻照度。需要說明的是，到達地面的總輻射中，有一部分被地面反射回大氣，稱為地面反射輻射，本計算中不考慮反射輻射。

τd＝0.271-0.294×τb

s′＝s0(τb+τd)

式中：s0：大氣上界水平面上的太陽輻照度；s′：晴天無云條件下，地表水平面上接收到的太陽總輻照度。

2、計算云的投影位置

云的投影位置與云的位置、云的高度及太陽的方位有關(guān)。以云團中某一點p為對象，設(shè)p在地面的投影為p′，p′相對于p的偏移量計算公式如下，云團的投影偏移關(guān)系如圖1所示。

δx＝-z×tan(θ)×sinα

δy＝-z×tan(θ)×cosα

式中：z：云團中p點到地面的垂直距離；θ：太陽天頂角；δx：陰影p′相對于p偏移量的 東西向分量，向東為正；δy：陰影p′相對于p偏移量的南北向分量，向北為正。其中，α為太陽方位角，其定義為：以目標(biāo)物的北方向為起始方向，太陽光的入射方向為終止方向，按順時針方向所測量的角度。對于中國區(qū)域，早、中、傍晚的太陽方位角分別約為90°、180°、270°。

在此基礎(chǔ)上，可計算云的投影位置，公式如下所示：

x1＝x0+δx

x1＝x0-z×tan(θ)×sinα

y1＝y(tǒng)0+δy

y1＝y(tǒng)0-z×tan(θ)×cosα

式中：x0、y0為云團中p點的坐標(biāo)位置，x1、y1為云團投影中p′點的坐標(biāo)位置。

3、計算云的消光系數(shù)

云對太陽輻射的吸收和散射，最終的結(jié)果是造成對太陽輻射的削弱與損失，即消光系數(shù)。關(guān)于云的消光系數(shù)，研究最多的是云的含水量與消光系數(shù)的關(guān)系。chylek給出云的含水量與消光系數(shù)的計算公式如下。實際探測結(jié)果顯示，該公式的適用范圍相當(dāng)廣泛。

kex＝128qw

式中：qw：云的含水量，單位為g/m³；kex：云的消光系數(shù)，單位為km^-1；

4、計算云影位置處輻照度

基于以上計算，對于云上某一點p，其陰影位置p′點處的剩余輻照度計算公式如下：

sl＝s′(1-kex)

式中：s′：晴天無云條件下，地表水平面上接收到的太陽總輻照度；kex：云中p點的消光系數(shù)；sl：p的投影位置p′點處的太陽輻照度。

針對云團中每一點進行計算，即可得到整個云團陰影范圍內(nèi)的太陽輻照度。整體技術(shù)方案的計算流程如圖2所示。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。