入射辐照度

本文档内容

我们探讨了现代太阳能模拟工具如何利用先进模型来改进各种条件下光伏（PV）电池板辐照度的计算。我们将讨论每种方法的独特优势和应用，强调它们对初步估计和详细分析的适用性。

概述

要计算发电厂光伏组件上的总入射辐照度，必须确定 天空的辐照度如何重新分布到倾斜的表面上。 这个过程从对天空的辐照度进行建模开始，可以使用不同的方法来实现。各向同性模型将天空划分为不同的区域，提供简化而有效的估计，而各向异性模型则提供天空亮度的连续和详细表示，更好地捕捉不同天气条件下的变化。

接下来，必须结合空间关系和表面方向才能准确 计算光交互。为了进行更精确的分析，光线追踪模型会以 3D 方式模拟光相互作用，捕捉精确反射等细节。在 Solargis 中，高级天空模型与路径追踪方法配对，以提供更准确的模拟。

辐照度计算的其他步骤包括对角度损耗进行建模，该损失考虑了由于入射角而导致 的可用光的减少 ，以及应用光谱校正来调整大气对太阳光谱的影响。这些模型共同实现了最佳光伏系统设计所需的精确可靠的辐照度预测。

天空辐照度

天空辐照度模型旨在估计来自天空各个部分的辐射，从而能够在后期计算每个光伏电池的倾斜辐照度。我们使用两种不同的各向异性模型：

Solargis GTI 模拟器 将简单的 Perez 天空模型与 View Factor 结合使用。
Solargis PV Simulator 利用全天候 Perez 天空模型与路径追踪相结合。

简单的佩雷斯模型

全天候佩雷斯模型

基于简单的 Perez anisotropic model，该模型的核心是内部系数矩阵，称为佩雷斯天空漫反射辐照度模型系数。这些系数集存在多个版本，因此区分它们非常重要。该模型用于模拟简单的GTI Energy系统。

该模型从 all-weather Perez model得出，使用天空亮度和清晰度参数估计天空穹顶的相对亮度分布。该模型特别适合光线追踪光模拟，提供光伏组件上漫反射阴影的更详细表示。该模型用于完整的光伏能源系统模拟，以计算GTI，然后计算PVOUT。

光线追踪

光线追踪模型在已知光伏电站的完整 3D 场景后计算入射辐照度。该模型模拟单个光线与表面和物体（包括光伏组件、建筑物、障碍物和地形）相互作用时的路径。该模型跟踪从太阳到光伏模块的光线，同时考虑周围物体的反射、折射和阴影。它提供了 光伏组件上阴影效果和阳光空间分布的更详细、更准确的表示。

Solargis 的光线追踪方法使用蒙特卡洛反向路径追踪，将光线从电池追踪到光源。该模型会考虑多次反射，直到到达光源。路径追踪通过考虑场景内光相互作用的全部复杂性，可以为光伏组件提供更准确的能量预测，使其在具有复杂阴影或反射表面的场景中特别有效。它是计算密集型的，需要有关场景的详细几何信息和每条光线的精确计算，这使得模拟速度更慢且资源密集型。

该过程包括四个主要步骤：

第 1 步：直接照明计算

方法：每个光伏电池都覆盖有多个采样点。在这些点上，算法确定它们是在阳光直射下还是在阴影下。如果单元格部分着色，则阴影比计算为分数。
目的：此步骤可确保准确计算每个电池上的直接太阳辐射，这对于计算总能量产量至关重要。

第 2 步：漫反射辐射计算

方法：采样点网格放置在光伏组件表上。在每个点上，都会以随机方向生成多条光线，并在 3D 模拟场景中进行追踪。记录光伏组件表面的光线方向以进行角损耗计算。
反射处理：光线与场景中物体的每个交点都被视为朗伯反射，使光线的功率与表面的反照率成比例地衰减。如果光线照射到天空，则使用天空辐照度模型计算其亮度。
终止标准：随着光线功率因多次反射而减弱，终止路径追踪的概率会增加。

第 3 步：后处理

去噪：对漫反射辐射值进行去噪，以获得更清晰的光线追踪结果。这确保了一致的功率输出计算。
重采样和求和：对每个单元重新采样漫反射辐射，并与直接辐射求和，以获得每个单元的最终全局倾斜辐照度（GTI）。

第 4 步：实施和验证

适用性：这种光线追踪方法适用于固定安装的光伏组件（单面或双面）和具有各种跟踪策略的跟踪器。
验证：该算法已通过 NREL 针对双面辐射软件和 GTI 地面测量进行验证，确保其准确性和可靠性。

如需视觉比较，请参阅显示 Solargis 模拟的后部 GTI 空间分布与沙特阿拉伯和芬兰 NREL 双面辐射度工具结果的图像。

Solargis模拟（SG，上）的后部GTI空间分布与在沙特阿拉伯（左）和芬兰（右）使用NREL双面辐射工具（BF，下）获得的结果的比较

与“视图因子”模型的比较
对于需要快速估计和初步设计研究的应用，使用“视图因子”模型是一种常见的方法。与光线追踪不同，“视因子”模型根据表面的几何关系和方向评估表面之间的辐射交换。它使用数学公式或算法来确定一个表面发出的辐射被另一个表面拦截的分数。然而，该模型无法准确捕捉复杂的阴影效果，特别是在具有不规则或不均匀阴影图案的情况下。

角损耗

角损耗，也称为 IAM（入射角修改器），是指 由于光照射其表面的角度而减少太阳能组件的可用辐照。

我们使用 Martin-Ruiz model，它使用值范围在 0 到 1 之间的角度因子量化穿透表面的光量（例如，不从表面反射）。这种关系是非线性的。该系数影响角度损耗曲线的形状，确保模型准确考虑光伏组件的表面特性。

入射角依赖性：在与表面法向量的入射角为0度时，没有角度损失。然而，随着入射角向 90 度增加，损耗增加，在 90 度处达到完全（100%）损耗。
影响精度的因素：角反射率损失计算的精度取决于组件表面的清洁度和特定性能，例如抗反射涂层和纹理。

与其他软件的比较

角反射损耗在其他太阳模拟软件中也以类似的方式计算：

软件	参数名称	笔记
Solargis 前景	角反射率	使用与 Solargis Evaluate （Martin & Ruiz）相同的模型建模。
Solargis 评估	角反射率	Martin & Ruiz 的角反射损耗模型。
光伏系统	全球的 IAM 因素	定制 IAM、ASHRAE、菲涅尔或带有抗反射涂层的菲涅尔，具体取决于用户设置。
SAM （NREL）	反射（IAM）	根据 IEC 61853 型号：标准玻璃或带anti-reflective coating玻璃（第 63 页）。
太阳能农民（DNV）	入射角修饰符（Incidence Angle Modifier）	ASHRAE、CIEMAT、菲涅尔普通玻璃、菲涅尔抗反射镀膜玻璃、定制 IAM，具体取决于设置。

光谱校正

当光穿过大气层时，其太阳光谱会发生变化。 光谱校正 可根据光伏组件之间的光谱响应差异进行调整。Solargis Evaluate 为此目的使用该 Lee & Panchula model ，也称为第一太阳光谱校正模型。这种校正的系数因模块类型而异，例如 CSI（晶体硅）与 CdTe（碲化镉）。

光谱响应校正的具体强度取决于两个关键的大气因素：

气团：这表示阳光穿过地球大气层的光程长度。随着太阳的位置靠近地平线，它会增加，从而影响阳光的光谱分布。
可降水含水量：这是指大气柱中存在的水蒸气总量。

气团和可降水量都会影响到达地球表面的阳光的光谱分布，进而影响光伏组件的光谱响应和输出。

与其他软件的比较

光谱校正也在其他太阳模拟软件中实现：

软件	参数名称	笔记
Solargis 前景	光谱校正	由与评估（Lee & Panchula）相同的模型建模。
Solargis 评估	光谱校正	第一次太阳光谱校正（Lee 和 Panchula）
光伏系统	光谱校正	CREST、SANDIA 或 First Solar spectral correction 型号，根据用户选择。
SAM （NREL）	不适用	根据 IEC 61853 模型： SANDIA effective air mass （第 52 页）。
太阳能农民（DNV）	光谱的	First Solar spectral correction （Lee & Panchula）。

进一步阅读

A new simplified version of the Perez diffuse irradiance model for tilted surfaces.Perez， R.、Seals， R.、Ineichen， P.、Stewart， R.、Menicucci， D.，1987 年。太阳能 39 （3）， 221–232。
A New Model for PV Modules Angular Losses Under Field Conditions.Martin， N.， Ruiz， J. M. 国际太阳能杂志，2002 年，第 22（1）卷，第 19-31 页
Spectral correction for photovoltaic module performance based on air mass and precipitable water.米切尔·李;亚历克斯·潘丘拉。IEEE 第 43 届光伏专家会议（PVSC） 2016。