一种基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法

摘要

本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法，包括气象记录、分布计算、典型年统计、光照模拟和资源测算；由于光伏组件的实际运行效果会受到光照强度变化的干扰，而气象资料中的光照辐射参数削弱了对太阳能资源模拟的准确性；故此，本发明通过在历史气象资料中提取的典型年模型，对其中每日逐时段的气象数据进行模拟，通过设置在遮光室顶部的导轨，使定位架上的光伏组件被角度变化的光线照射，并利用循环管路上的气动包，实时调节遮光室中温湿度及风速的气象参数，使气象变化结合光照强度作用到遮光室中的光伏组件上，获得光伏组件更高精度的运行数据，从而提升了太阳能开发模拟方法的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法。

背景技术

太阳能资源十分丰富，大规模开发利用太阳能资源对于能源结构的调整、环境质量的改善以及气候变化的应对具有重要意义；科学地评估太阳能资源使对太能工程建设额的基本前提，在太阳能资源评估中，除涉及的气象部门实测的和基于日照百分率计算的太阳辐射数据之外，还有大量的太阳能电站现场实测数据，以及根据卫星反演或数值模拟等方法得到的长序列格点化数据，这些数据被用于太阳能资源评估中。

目前太阳能资源应用较广的领域为光伏组件，而光伏系统的建设需要一定成本，在太阳能资源在开发过程中，通过结合历史气象资料，对太阳能资源进行参数化的建模，以评估太阳能资源的丰富程度，达到对太阳能资源模拟开发的效果，而光伏组件的实际运行效果会受到光照强度变化的干扰，由气象资料中的光照辐射参数降低了对太阳能资源利用模拟的准确性。

现有技术中也出现了一些关于太阳能资源开发模拟方法的技术方案，如申请号为2014101639987的一项中国专利公开了一种太阳能资源评估方法，所述方法包括(1)建立区域太阳能资源图谱，得到区域内太阳能辐照度数据集S；(2)构建实测数据集Q；(3)构建数据子集，计算各个网格点的加权系数；(4)修正数值天气预报模式生成的未来24h的辐照度数据集SP，建立太阳能资源实时分布图；该技术方案本发明考虑了对实测数据的筛选，能够实现用尽可能少的站点来获得较精确的区域太阳能资源分布，以节省设备安装和数据存储资源，且综合采用线形相关和加权平均来计算修正系数，减小了计算量、提高了计算速度，并将实时监测数据与数值天气预报结果相结合，使评估的结果更精确；但是该技术方案对太阳能资源进行评估仅通过数据角度进行模拟，缺乏对太阳能利用设施进行实际运行获得有效数据的问题，削弱了对太阳能资源评估利用的准确性。

鉴于此，为了克服上述技术问题，据此本发明提出了一种基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法，采用了特殊的太阳能资源开发模拟方法，解决了上述技术问题。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提出了一种基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法，通过在历史气象资料中提取的典型年模型，对其中每日逐时段的气象数据进行模拟，通过设置在遮光室顶部的导轨，为日光源提供了移动空间，使定位架上的光伏组件被角度变化的光线照射，并利用循环管路上的气动包，实时调节遮光室中温湿度及风速的气象参数，使气象变化结合光照强度作用到遮光室中的光伏组件上，获得光伏组件更高精度的运行数据，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的准确性。

本发明所述的一种基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法，该方法步骤如下：

S1、气象记录：对历史气象资料中的气温、露点温度、风速和水平面总辐射参数的数据进行提取，并分别以单项数据与时间的关系进行记录，其中时间变量以每年的十二个月份计入循环数据中；

S2、分布计算：将S1中单项的气象资料数据进行计算，将气象参数的单项数据以每年的同一月份计为一组，记录其数据分布状态的均值，并根据月份内气象参数与均值数据间的差，其中最小差值的月份作为典型月数据；

S3、典型年统计：在S2中的数据中挑选出十二个具有代表性的典型月组成一个典型年，并在S2中典型月数据的基础上，选取其中每日逐时段的气象变化数据，然后以典型年的光照数据作为评估太阳能资源的气象条件；

S4、光照模拟：依据S3中典型年的太阳能资源数据，设定太阳能模拟器的光照参数，使其模拟的太阳光线照射到安装的光伏组件上，同时调节太阳能模拟器中气动包的运行参数，模拟气象资料中的温湿度及风速状态；

S5、资源测算：通过S4中的太阳能模拟器对光伏组件的运行效率进行测算，并控制其中的日光源沿着导轨进行移动，模拟日出日落中太阳光线相对光伏组件的角度变化过程，增强对太阳能资源进行开发测算的准确性；

其中，S4-S5中所述的太阳能模拟器包括遮光室、日光源、循环管路和控制器；所述遮光室为封闭结构，遮光室的顶部设有导轨，导轨上安装有滑动的日光源；所述日光源的两端与遮光室的侧壁间设有牵引绳，牵引绳在遮光室的侧壁端还安装有电动滚筒；所述遮光室的底部还设有定位架，定位架上安装着光伏组件；所述日光源为直射光，日光源大于光伏组件并小于遮光室的顶部面积；所述遮光室的外侧还设有循环管路，循环管路的两端分别连通在遮光室两端的侧壁上；所述循环管路上还设置有气动包，气动包中安装有空气压缩机、加湿器和温控器；所述气动包通过循环管路改变遮光室内部的温湿度和气体流量参数；所述控制器用于调节太阳能模拟器的运行；

现有技术中，太阳能资源在开发过程中，通过结合历史气象资料，对太阳能资源进行参数化的建模，以评估太阳能资源的丰富程度，达到对太阳能资源模拟开发的效果，而光伏组件的实际运行效果会受到光照强度变化的干扰，由气象资料中的光照辐射参数降低了对太阳能资源利用模拟的准确性；

因此，本发明通过设置的太阳能模拟器对光伏组件进行照射，模拟历史气象资料中记录的水平面辐射参数，通过控制器调节其日光源的光照强度，电动滚筒带动牵引绳改变日光源在导轨上的位置，使日光源模拟实际中太阳光线对光伏组件间的变化过程，对定位架中安装的光伏组件产生角度变化的光照作用，同时气动包中运行的加湿器和温控器，在空气压缩机的作用下经循环管路对遮光室中流通气体的参数进行调节，控制遮光室中的温度、露点及空气流速处于模拟的历史气象条件下，测量出光伏组件在模拟光照条件下的运行效果；本发明利用了在历史气象资料中提取的典型年模型，对其中每日逐时段的气象数据进行模拟，通过设置在遮光室顶部的导轨，为日光源提供了移动空间，使定位架上的光伏组件被角度变化的光线照射，并利用循环管路上的气动包，实时调节遮光室中温湿度及风速的气象参数，使气象变化结合光照强度作用到遮光室中的光伏组件上，获得光伏组件更高精度的运行数据，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的准确性。

优选的，所述导轨中部还设置有凸块，凸块朝向的遮光室顶部还设置有凹槽；所述凹槽的长度方向与导轨相垂直，凹槽与凸块间安装有驱动的油缸；所述导轨两端伸出于遮光室的侧壁上设置有通口，导轨与遮光室的通口间滑动接触；所述通口间的连线位于凹槽的中部，通口在遮光室侧壁上的位置处于循环管路中；所述导轨在其中部的油缸作用下产生弯曲变形；使用时，日光源在启动后从导轨上的一端移动至另一端，以模拟日出日落过程中太阳光的角度变化；通过设置在导轨上的凸块，使其在遮光室顶部的凹槽中进行移动，带动导轨的端部在通口中产生滑移，继而使导轨产生弯曲变形，使得导轨上安装的日光源在牵引绳的带动下处于弧形的运行轨迹上，以模拟太阳光线在不同季节中日出日落的轨迹变化，并利用日光源在启动前使油缸运行起来，随着日光源在牵引绳的作用下沿着导轨移动，改变凸块在凸槽中的位置，实时调节导轨的曲率，模拟不同纬度地区的太阳光在日出日落时所处的方位角，增强光伏组件的在光照参数模拟下运行效果的准确性，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的应用效果。

优选的，所述导轨上还设有滑架，滑架与日光源顶部转动相连；所述滑架上还设有夹紧导轨的滚轮，滚轮的端部与滑架间通过弹簧支撑相连；使用时，导轨的在进行弯曲变形的过程中会改变其曲率；通过设置在滑架上的滚轮沿着导轨进行移动，并利用滑架与滚轮间的弹簧，在导轨的曲率产生变化后，传递至导轨两侧弹簧差异化的伸缩量，维持滚轮与导轨间的接触状态，继而稳定滑架在曲率变化的导轨上的移动过程，以确保日光源在遮光室中弧线形的移动轨迹，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的应用效果。

优选的，所述导轨的端部还安装有滑轮，导轨上的牵引绳通过滑轮连接到电动滚筒上；使用时，导轨在进行弯曲变形的过程中会改变其端部在通口中的伸出量；通过设置在导轨端部的滑轮，限制牵引绳的移动路径，在导轨曲率产生变化的过程中，导轨的端部对应改变其在遮光室外部的伸出量，进而通过其端部的滑轮调节牵引绳在日光源与电动滚筒间的张紧状态，维持电动滚筒牵引日光源的移动精度，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的应用效果。

优选的，所述遮光室的底部还设有电动推杆，电动推杆的顶部与定位架铰接相连，电动推杆用来调节定位架的倾角；使用时，安装在不同地区的光伏组件，为获得较好的光照效果，常依据其所处地区的纬度进行调整；通过设置在遮光室中的电动推杆，对其顶部铰接的定位架进行控制，用以将进行模拟运行的光伏组件调整至不同的倾角状态，并与遮光室顶部的日光源相配合，模拟出光伏组件在不同纬度地区所受的光照参数，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的适用性。

优选的，所述遮光室的侧壁上还设有网板，网板位于循环管路所处的遮光室侧壁上；所述网板的边缘上还设有风环，风环的两端分别连通在循环管路和网板上；所述风环在循环管路端开设有敞口，风环在网板端开设有细缝；使用时，循环管路向遮光室中供给的气流需要模拟自然界中的空气流动，为确保空气湿度对光照传播的影响作用；通过设置在遮光室中的网板，减缓循环管路中产生的局部高速气流，设置在网板边缘的风环与循环管路相连通，使循环管路中的气流沿着风环的敞口进入，从细缝端流出，增加了风环部位的流速并降低了压强，产生的压强差增加了循环管路进入遮光室中的风量，并利用气动包中的空气压缩机作为空气流通的动力源，避免了风扇的叶片对气流产生切割，向遮光室内提供稳定的气流，更接近于自然风的效果，进而维持了空气对光照参数干扰的真实性，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的准确性。

本发明的有益效果如下：

1.本发明通过在历史气象资料中提取的典型年模型，对其中每日逐时段的气象数据进行模拟，设置在遮光室顶部的导轨为日光源提供了移动空间，使定位架上的光伏组件被角度变化的光线照射，获得光伏组件更高精度的运行数据，提升基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的准确性。

2.本发明通过设置在导轨上的凸块，使导轨产生弯曲变形，使得日光源处于弧形的运行轨迹上，模拟太阳光线的轨迹变化；设置在滑架与滚轮间弹簧的差异化伸缩量，稳定日光源在遮光室中弧线形的移动轨迹；设置在导轨端部的滑轮，调节导轨曲率变化过程中的牵引绳在在日光源与电动滚筒间的张紧状态，维持电动滚筒牵引日光源的移动精度。

3.本发明通过设置在遮光室中的电动推杆，模拟出光伏组件在不同纬度地区所受的光照参数；设置在网板边缘的风环与循环管路相连通，产生的压强差增加了循环管路进入遮光室中的风量，并利用气动包中的空气压缩机以避免对气流产生切割，向遮光室内提供接近于自然风的稳定气流，进而维持了空气对光照参数干扰的真实性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明中基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法的流程图；

图2是本发明中太阳能模拟器的立体图；

图3是本发明中太阳能模拟器内部部件的立体图；

图4是图2中A处的局部放大图；

图5是图3中B处的局部放大图；

图6是图3中C处的局部放大图；

图中：遮光室1、电动滚筒11、定位架12、电动推杆121、凹槽13、油缸131、通口14、网板15、风环16、敞口161、细缝162、日光源2、牵引绳21、循环管路3、气动包31、导轨4、凸块41、滑架42、滚轮421、弹簧422、滑轮43。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图6所示，本发明所述的一种基于历史气象资料的太阳能资源开发模拟方法，该方法步骤如下：

S1、气象记录：对历史气象资料中的气温、露点温度、风速和水平面总辐射参数的数据进行提取，并分别以单项数据与时间的关系进行记录，其中时间变量以每年的十二个月份计入循环数据中；

S2、分布计算：将S1中单项的气象资料数据进行计算，将气象参数的单项数据以每年的同一月份计为一组，记录其数据分布状态的均值，并根据月份内气象参数与均值数据间的差，其中最小差值的月份作为典型月数据；

S3、典型年统计：在S2中的数据中挑选出十二个具有代表性的典型月组成一个典型年，并在S2中典型月数据的基础上，选取其中每日逐时段的气象变化数据，然后以典型年的光照数据作为评估太阳能资源的气象条件；

S4、光照模拟：依据S3中典型年的太阳能资源数据，设定太阳能模拟器的光照参数，使其模拟的太阳光线照射到安装的光伏组件上，同时调节太阳能模拟器中气动包31的运行参数，模拟气象资料中的温湿度及风速状态；

S5、资源测算：通过S4中的太阳能模拟器对光伏组件的运行效率进行测算，并控制其中的日光源2沿着导轨4进行移动，模拟日出日落中太阳光线相对光伏组件的角度变化过程，增强对太阳能资源进行开发测算的准确性；

其中，S4-S5中所述的太阳能模拟器包括遮光室1、日光源2、循环管路3和控制器；所述遮光室1为封闭结构，遮光室1的顶部设有导轨4，导轨4上安装有滑动的日光源2；所述日光源2的两端与遮光室1的侧壁间设有牵引绳21，牵引绳21在遮光室1的侧壁端还安装有电动滚筒11；所述遮光室1的底部还设有定位架12，定位架12上安装着光伏组件；所述日光源2为直射光，日光源2大于光伏组件并小于遮光室1的顶部面积；所述遮光室1的外侧还设有循环管路3，循环管路3的两端分别连通在遮光室1两端的侧壁上；所述循环管路3上还设置有气动包31，气动包31中安装有空气压缩机、加湿器和温控器；所述气动包31通过循环管路3改变遮光室1内部的温湿度和气体流量参数；所述控制器用于调节太阳能模拟器的运行；

现有技术中，太阳能资源在开发过程中，通过结合历史气象资料，对太阳能资源进行参数化的建模，以评估太阳能资源的丰富程度，达到对太阳能资源模拟开发的效果，而光伏组件的实际运行效果会受到光照强度变化的干扰，由气象资料中的光照辐射参数降低了对太阳能资源利用模拟的准确性；

因此，本发明通过设置的太阳能模拟器对光伏组件进行照射，模拟历史气象资料中记录的水平面辐射参数，通过控制器调节其日光源2的光照强度，电动滚筒11带动牵引绳21改变日光源2在导轨4上的位置，使日光源2模拟实际中太阳光线对光伏组件间的变化过程，对定位架12中安装的光伏组件产生角度变化的光照作用，同时气动包31中运行的加湿器和温控器，在空气压缩机的作用下经循环管路3对遮光室1中流通气体的参数进行调节，控制遮光室1中的温度、露点及空气流速处于模拟的历史气象条件下，测量出光伏组件在模拟光照条件下的运行效果；本发明利用了在历史气象资料中提取的典型年模型，对其中每日逐时段的气象数据进行模拟，通过设置在遮光室1顶部的导轨4，为日光源2提供了移动空间，使定位架12上的光伏组件被角度变化的光线照射，并利用循环管路3上的气动包31，实时调节遮光室1中温湿度及风速的气象参数，使气象变化结合光照强度作用到遮光室1中的光伏组件上，获得光伏组件更高精度的运行数据，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的准确性。

作为本发明的一种实施方式，所述导轨4中部还设置有凸块41，凸块41朝向的遮光室1顶部还设置有凹槽13；所述凹槽13的长度方向与导轨4相垂直，凹槽13与凸块41间安装有驱动的油缸131；所述导轨4两端伸出于遮光室1的侧壁上设置有通口14，导轨4与遮光室1的通口14间滑动接触；所述通口14间的连线位于凹槽13的中部，通口14在遮光室1侧壁上的位置处于循环管路3中；所述导轨4在其中部的油缸131作用下产生弯曲变形；使用时，日光源2在启动后从导轨4上的一端移动至另一端，以模拟日出日落过程中太阳光的角度变化；通过设置在导轨4上的凸块41，使其在遮光室1顶部的凹槽13中进行移动，带动导轨4的端部在通口14中产生滑移，继而使导轨4产生弯曲变形，使得导轨4上安装的日光源2在牵引绳21的带动下处于弧形的运行轨迹上，以模拟太阳光线在不同季节中日出日落的轨迹变化，并利用日光源2在启动前使油缸131运行起来，随着日光源2在牵引绳21的作用下沿着导轨4移动，改变凸块41在凸槽中的位置，实时调节导轨4的曲率，模拟不同纬度地区的太阳光在日出日落时所处的方位角，增强光伏组件的在光照参数模拟下运行效果的准确性，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的应用效果。

作为本发明的一种实施方式，所述导轨4上还设有滑架42，滑架42与日光源2顶部转动相连；所述滑架42上还设有夹紧导轨4的滚轮421，滚轮421的端部与滑架42间通过弹簧422支撑相连；使用时，导轨4的在进行弯曲变形的过程中会改变其曲率；通过设置在滑架42上的滚轮421沿着导轨4进行移动，并利用滑架42与滚轮421间的弹簧422，在导轨4的曲率产生变化后，传递至导轨4两侧弹簧422差异化的伸缩量，维持滚轮421与导轨4间的接触状态，继而稳定滑架42在曲率变化的导轨4上的移动过程，以确保日光源2在遮光室1中弧线形的移动轨迹，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的应用效果。

作为本发明的一种实施方式，所述导轨4的端部还安装有滑轮43，导轨4上的牵引绳21通过滑轮43连接到电动滚筒11上；使用时，导轨4在进行弯曲变形的过程中会改变其端部在通口14中的伸出量；通过设置在导轨4端部的滑轮43，限制牵引绳21的移动路径，在导轨4曲率产生变化的过程中，导轨4的端部对应改变其在遮光室1外部的伸出量，进而通过其端部的滑轮43调节牵引绳21在日光源2与电动滚筒11间的张紧状态，维持电动滚筒11牵引日光源2的移动精度，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的应用效果。

作为本发明的一种实施方式，所述遮光室1的底部还设有电动推杆121，电动推杆121的顶部与定位架12铰接相连，电动推杆121用来调节定位架12的倾角；使用时，安装在不同地区的光伏组件，为获得较好的光照效果，常依据其所处地区的纬度进行调整；通过设置在遮光室1中的电动推杆121，对其顶部铰接的定位架12进行控制，用以将进行模拟运行的光伏组件调整至不同的倾角状态，并与遮光室1顶部的日光源2相配合，模拟出光伏组件在不同纬度地区所受的光照参数，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的适用性。

作为本发明的一种实施方式，所述遮光室1的侧壁上还设有网板15，网板15位于循环管路3所处的遮光室1侧壁上；所述网板15的边缘上还设有风环16，风环16的两端分别连通在循环管路3和网板15上；所述风环16在循环管路3端开设有敞口161，风环16在网板15端开设有细缝162；使用时，循环管路3向遮光室1中供给的气流需要模拟自然界中的空气流动，为确保空气湿度对光照传播的影响作用；通过设置在遮光室1中的网板15，减缓循环管路3中产生的局部高速气流，设置在网板15边缘的风环16与循环管路3相连通，使循环管路3中的气流沿着风环16的敞口161进入，从细缝162端流出，增加了风环16部位的流速并降低了压强，产生的压强差增加了循环管路3进入遮光室1中的风量，并利用气动包31中的空气压缩机作为空气流通的动力源，避免了风扇的叶片对气流产生切割，向遮光室1内提供稳定的气流，更接近于自然风的效果，进而维持了空气对光照参数干扰的真实性，从而提升了基于历史气象资料的太阳能开发模拟方法的准确性。

使用时，通过设置的太阳能模拟器对光伏组件进行照射，模拟历史气象资料中记录的水平面辐射参数，通过控制器调节其日光源2的光照强度，电动滚筒11带动牵引绳21改变日光源2在导轨4上的位置，使日光源2模拟实际中太阳光线对光伏组件间的变化过程，对定位架12中安装的光伏组件产生角度变化的光照作用，同时气动包31中运行的加湿器和温控器，在空气压缩机的作用下经循环管路3对遮光室1中流通气体的参数进行调节，控制遮光室1中的温度、露点及空气流速处于模拟的历史气象条件下，测量出光伏组件在模拟光照条件下的运行效果；设置在导轨4上的凸块41，使其在遮光室1顶部的凹槽13中进行移动，带动导轨4的端部在通口14中产生滑移，继而使导轨4产生弯曲变形，使得导轨4上安装的日光源2在牵引绳21的带动下处于弧形的运行轨迹上，以模拟太阳光线在不同季节中日出日落的轨迹变化，并利用日光源2在启动前使油缸131运行起来，随着日光源2在牵引绳21的作用下沿着导轨4移动，改变凸块41在凸槽中的位置，实时调节导轨4的曲率，模拟不同纬度地区的太阳光在日出日落时所处的方位角；设置在滑架42上的滚轮421沿着导轨4进行移动，并利用滑架42与滚轮421间的弹簧422，在导轨4的曲率产生变化后，传递至导轨4两侧弹簧422差异化的伸缩量，维持滚轮421与导轨4间的接触状态，继而稳定滑架42在曲率变化的导轨4上的移动过程，以确保日光源2在遮光室1中弧线形的移动轨迹；设置在导轨4端部的滑轮43，限制牵引绳21的移动路径，在导轨4曲率产生变化的过程中，导轨4的端部对应改变其在遮光室1外部的伸出量，进而通过其端部的滑轮43调节牵引绳21在日光源2与电动滚筒11间的张紧状态，维持电动滚筒11牵引日光源2的移动精度；设置在遮光室1中的电动推杆121，对其顶部铰接的定位架12进行控制，用以将进行模拟运行的光伏组件调整至不同的倾角状态，并与遮光室1顶部的日光源2相配合，模拟出光伏组件在不同纬度地区所受的光照参数；设置在遮光室1中的网板15，减缓循环管路3中产生的局部高速气流，设置在网板15边缘的风环16与循环管路3相连通，使循环管路3中的气流沿着风环16的敞口161进入，从细缝162端流出，增加了风环16部位的流速并降低了压强，产生的压强差增加了循环管路3进入遮光室1中的风量，并利用气动包31中的空气压缩机作为空气流通的动力源，避免了风扇的叶片对气流产生切割，向遮光室1内提供稳定的气流，更接近于自然风的效果，进而维持了空气对光照参数干扰的真实性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。