前景光伏模拟器光学仿真

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在本文件中

本文档介绍了Solargis Prospect中Prospect光伏模拟器的光学仿真阶段。它解释了太阳辐射如何转化为光伏电池层级的有效全球倾斜辐照度（GTI），并考虑所有相关的光学损耗。

概述

光学仿真是Prospect PV仿真链的第一阶段，紧随仿真输入收集之后。它结合太阳辐射和气象输入以及光伏系统几何形状，计算每个光伏模块表面的有效全球倾斜辐照度（GTI）——这是所有后续电气计算的基础量。

该阶段决定在考虑天空几何形状、地平线阴影、光伏场内排间阴影、土壤、角反射率和光谱不匹配后，实际到达每个光伏电池的太阳辐射量。Prospect模拟器采用与Argus PV模拟器相同的核心光学模型——包括Martin和Ruiz的角度损失模型以及Lee & Panchula 的光谱校正模型 ——但近着色采用视因子方法，而非蒙特卡洛光线追踪。这使得Prospect光学仿真速度快了几个数量级，这对于模拟器设计的投资组合规模和筛查用例至关重要。

由于GTI必须在现场每个唯一表格的多个点进行评估，佩雷斯模型被分为两部分：

仅依赖太阳位置和辐射输入的分量每 时间步计算一次。
依赖于表格中具体点几何形状的分量是 逐个样本点计算的。

这避免了冗余的重新计算，即使在精细的空间采样下，光学仿真依然保持计算效率。

该阶段包含的工艺

在Prospect模拟器光学仿真过程中，依次应用以下工艺：

天空辐照度模型（Perez模型，太阳位置预先计算为输入）
远地平线阴影
近着色——具有直接和漫反射成分的视因子模型
直接（硬）阴影
漫反射阴影
角反射率损失（PV角度模型）
土壤损失
谱校正（Lee 和 Panchula 模型）

光学仿真

天空辐照度模型

全球水平辐照度（GHI）和直接正向辐照度（DNI）分解为其基本辐照度分量——直接水平辐照度（DHI）和漫射水平辐照度（DiffH）。这些衍生元件作为所有后续光学计算的输入。

佩雷斯模型随后根据基本辐照度分量和太阳高程计算标准天空系数F1（太阳周亮度）和F2（地平线带亮度）。从这些数据中，理论上的GTI（无损耗）和pv角度系数——光束、漫射和反射——每个时间步预先计算一次。GTI和GTI_eff（考虑角反射率的有效GTI）的区别在于，每个GTI分量都乘以其对应的pv角系数。

太阳位置（方位角和折射仰角）作为预计算的输入阵列提供，而非在光学模拟中计算。

有关佩雷斯天空模型、角损耗和光谱校正的详细信息，请参见入射辐照度。

远地平线阴影

远方地平线轮廓——作为一系列从北方顺时针均匀分布的仰角——作为预先计算的着色遮罩应用。对于每个时间步长，任何太阳位置低于该方位角地平线的直射辐射都设为零。这在近场计算开始前消除了被远处地形特征阻挡的辐照度。

近着色——视因子模型

近阴影量化了田内相邻PV表导致的GTI降低。前景模拟器采用视因子方法，分别处理直接和漫反射着色。

直接（硬）阴影

直接阴影仅计算为 硬阴影 ——太阳被视为点光源，光线完全平行。3×3邻域内表的阴影也会被计算。测试桌面上的某个点是否处于阴影中，简化为检查它是否落在投影的矩形内。

漫反射着色——半球视因子模型

漫反射阴影解释了天空穹顶及周围表面被附近桌子遮挡的部分，即使这些桌子没有直接投射阴影。每个唯一表格在可配置的点网格中采样（默认为10点×10点）。对于每个采样点，评估48×60=2880个半球段，以确定天空、地面、附近面板、远地地形和地平线带覆盖的半球面积。这些分数即为GTI计算中使用的视因子系数。

注意：对于固定倾斜系统，漫反射着色条件与时间无关，半球计算仅进行一次。对于跟踪系统，由于表的方向不断变化，必须对所有时间步和所有唯一表格重复半球计算。为管理计算成本，追踪系统将半球网格设置为5个×5个点，每个时间步唯一表总共25个半球。

角反射率损失

角损耗模型考虑了由模块表面入射角（AOI）引起的光学损耗。一旦预先计算出给定时间步的pv角系数（光束、漫射和反射），GTI_eff通过将每个GTI分量乘以对应的角系数得到。这些损耗在低太阳角下增加，影响光伏电池中可转换的总辐射量。

详细信息请参见入射光照度——角损失。

土壤损失

在地平线遮蔽后，对GTI施加乘法损耗，然后计算角反射率损失，从而因尘埃和颗粒沉积而减弱到达模块表面的有效辐照度。该因子在模拟参数中被配置为月平均或年度平均值。

详细信息请参见土壤损失模型。

频谱校正

第一太阳光谱校正模型（Lee和Panchula）调整GTI_eff入射阳光与模块光谱响应之间的光谱不匹配。修正因子是光学空气质量的函数——由现场高程和折射太阳高度计算而成——以及可降水含水量。cSi、CdTe、CIS和aSi模块类型分别应用了不同的校正系数。频谱校正因子默认应用，可通过 disableSpectralCorrection 仿真参数关闭。

详细信息请参见入射辐照度——光谱校正。

光学仿真输出——经过光谱校正的每单元GTI（GTI_eff）——直接输入电气仿真阶段，在那里转换为直流功率输出。

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