低成本遮阳分析仪与场地评估仪设计，用于确定太阳能系统安装区域

1. 引言

无碳能源发电的重要性已被认识到；太阳能发电或光伏（PV）技术作为一种潜在的广泛应用的可持续能源发电方式，已引起关注[1–3]。然而，评估太阳能电池中的功率损失是识别技术和材料问题的关键。此外，光伏组件和安装地点的特征会极大地影响太阳能系统的性能[2]。

另一方面，可通过多种测量和研究提高太阳能系统的效率。在提高光伏系统效率的不同研究中，一项措施是在电站中采用新型储能技术，因其具有宽范围的功率输出、高储能效率、快速响应、低维护成本和长生命周期[4]。

在提升电力系统方面的最重要研究包括对安装地点的评估、环境障碍引起的遮挡分析以及天气条件的影响[5]。

诸如森林地区的树叶、山区的积雪、鸟粪和空气污染等临时遮挡因素，只要系统具备自清洁能力，就不会成为重要影响因素。此外，某些垂直或水平布置的阵列布置可能降低空气状况的影响。更常见的是，积雪造成的遮挡通常仅影响少数几排光伏组件。然而，与临时遮挡因素相比，远处或近处的山脉、速生树木和高层建筑是更为显著的影响因素。在城市化进程推进过程中，尤其是在有效利用太阳能方面，居民区和建筑物的建筑结构在大城市中变得愈发重要。大型建筑之间的距离及其高度限制了可利用的直射阳光。目前存在一些用于城市建筑能量评估和建筑场地规划的方法。这些方法分别表示在选定时间段（日或年）内，建筑物或土地接收到的入射太阳辐射与同一地点接收到的无遮挡太阳辐射之比[6]。

在选择太阳能系统安装位置方面是相同的。然而，由于一些研究考虑了树木遮荫的影响，建筑物的太阳能利用性能已得到提升[7, 8]。

安装地点周围的环境物体降低了光伏系统的效率和发电效率。由建筑物、山脉和树木造成的各种遮挡会导致地平线提前变暗。因此，必须利用遮阳分析仪结合日和年太阳能数据，评估距离安装区域远近的山脉、树木和建筑物的高度，以确定它们对太阳能系统发电效率和效率的影响。为此，许多现有的设备将软件、硬件或软硬件结合使用[9]。另一方面，目前有许多关于用于太阳能发电安装可行性分析及已建太阳能电站环境影响的新智能方法的研究[10, 11]。

在本研究中，对一些现有的遮阳分析仪进行了简要的考察和介绍。随后，提出并阐述了一种不同的成本效益高的遮阳分析仪和场地评估仪设备，以及开发的软件。

选择土耳其代尼兹利‐亚西霍尤克地区作为案例研究区域。同时给出了模拟和实验结果，并进行了讨论。结果表明，该proposed系统使研究人员能够确定太阳能系统周围的遮挡，并分析其对系统效率的影响。

2. 遮荫分析工具

树木、房屋或山脉等障碍物的遮蔽效应会导致光伏系统日照时间减少。因此，为了确定所建系统的效率，必须结合本地区域的年度太阳轨迹图对安装地点的周边环境进行评估。首先，必须明确由障碍物引起的遮挡持续时间。迄今为止，已开发出一些用于分析遮蔽效应的设备。

在仅使用硬件设备的系统中，将本地区的年度遮荫图绘制在年度日照图上。随后，所有获取的数据可通过一种名为太阳路径查找器[12]的专用软件进行评估。在仅包含软件单元的系统中，需要用户提供预先记录的周边环境数据。此外，像谷歌地球这样的辅助程序会维护年度日照数据库。此类系统的示例包括Amethyst[13], Sombrero[14], 和SUNDI[15]。

使用软件和硬件单元的阴影分析仪采用实时数据。周围环境的数据可以通过接口传输到任何计算机。Sun Eye是这类设备的一个示例[16]。

除了三种类型的遮阳分析仪外，本研究中所提出的设备也易于应用且成本效益高。由于结构原因，许多上述设备未考虑环境障碍对太阳能系统效率的遮蔽效应。然而，远处的环境障碍物对安装地点的影响包括日照时长、太阳照射情况以及太阳能输入。这些设备大多包含大量复杂的硬件部件，且用户开发的软件无法独立使用。

3. 太阳路径查找器和场地评估仪

太阳路径查找仪设备已在太阳能行业用于遮阳分析数十年。通过即时的全景反射，可提供全年准确的太阳和遮阳数据。太阳路径查找仪设备是非电子仪器，能够测量任何地点的遮挡情况，用户可通过其反射原理查看全年可能遮挡系统的物体。此外，实际太阳位置与分析时间无关，事实上，即使在没有直射阳光的情况下，该设备也能轻松使用。太阳路径查找器的一个重要组成部分是安装在坚固底座上的透明高抛光凸面塑料圆顶。用户俯视圆顶即可看到场地的全景反射。地点中所有阻碍阳光的障碍物都能在反射中清晰可见。表示太阳一年中每个月份及每天各小时在天空中运行轨迹的太阳路径图绘制在纸张上，并放置于圆顶下方。圆顶侧面的槽口允许用户用彩色铅笔将反射中障碍物的轮廓描画到图上，从而确定哪些障碍物会遮挡所选的安装地点及其确切时间，如图1所示。尽管该分析系统结构简单，但其指南针显示的是磁北极，因此必须了解安装地点的偏差角，并将其纳入所有计算中。此外，距离电力系统较远且会影响遮蔽因子的障碍物无法被精确感知。

一些场地评估仪设备会拍摄被地平线上的山脉和远处障碍物遮挡的全景照片。这些照片被传输到计算机，以便结合年度太阳轨迹图进行评估。Asset和PV Watts[17]是用于将照片上传至计算机并叠加太阳路径图的软件部分的知名示例，如图2所示。

4. 地平线捕获器和实时阳光观测器

地平线捕获器包含一个数字相机、一个地平线镜、分析软件、三脚架、指南针和校正单元，如图3所示的模型。这些设备拍摄安装地点周围地平线及障碍物的全景图像[18]。

包含地平线和障碍物的图像用于通过这些设备的专用软件来确定太阳能输入、日照时长以及树木、房屋或山脉等障碍物对太阳照射的遮挡情况。该分析必须在现场进行。捕获器类型是拍摄户外地平线图像的简便快捷工具，尽管这些图像需要特殊的计算机处理。

使用本地太阳路径图的程序。此外，手动校正了磁北与地理北极之间的夹角。

如图4所示，一些地平线捕获器仅包含电子设备，例如安装了鱼眼镜头的数字相机、便携式硬件和电子设备

指南针、可选的GPS模块和嵌入式软件。这些设备类型比其他设备更有用，但价格也更高。然而，这些设备能够快速准确地进行现场遮阳分析，并导出适合打印的报告或将结果作为电子邮件发送给用户。

5. 跟踪器和手机专用软件

此类软件可进行场地评估，并确定场地对太阳能发电安装的适用性

以及允许用户计算安装地点的太阳能和直射阳光小时数。它是一种集成了太阳能计算和遮阳分析的特殊应用。此外，该系统可以简化以追踪局部地平线轮廓，生成每一度方位角对应的障碍物高度角轨迹，并将其与太阳轨道一同显示。然而，用户必须设置太阳能阵列的倾斜角和位置。之后，程序将计算全年太阳的位置和高度角。当某地点处于直射阳光下且太阳被局部障碍物遮挡时，可通过气象站数据库中的计算数据来确定。此外，还可利用典型气象数据识别安装地点的日太阳能潜力。

此外，该应用程序包含大量的光伏组件和逆变器数据库，使用户能够更轻松地进行系统配置[19]。然而，这种可评估房地产的系统仅适用于iPhone和安卓操作系统，如图5所示。

6. 一种新的遮阳分析设计

在传统系统中，使用量角器和铅垂线足以测量物体的高度角，如图6所示。然而，在proposed系统中，采用生成4095脉冲的编码器代替量角器来测量高度角。因此，任何障碍物的高度角都可以在每个垂直测量步长内以0.08789度的精度进行计算。在全景视图中，障碍物的水平角也可以以相同的灵敏度进行测量。为此，使用第二个编码器来记录障碍物的水平位置

编码器‐1 用于高度角
编码器‐2 位置的 全景视图中的障碍物 LCD
MOREPP RTC
RS
1 3
2 2 3
0 7
CPI
1
8F
4 5 2 0

360度全景视图，每步多一度。

7. 所提出系统的原理

用于检测障碍物垂直和水平位置的编码器在每个测量步长产生数据脉冲，并将这些数据发送到分析工具控制板电路上集成有实时时钟的微处理器。测量位置和角度结合时钟数据，通过微处理器支持的串行端口传输到计算机。开发的系统模型如图7和8所示。该系统包括一个用于观察和跟踪障碍物顶部的小型望远镜，两个编码器用于在360度全景中获取障碍物的高度角和水平位置，以及为本研究特别开发的嵌入式微处理器软件，用于评估接收的数据并执行数据传输处理。

通过设备上的小型望远镜，可以轻松观察并准确确定安装地点周围远处的障碍物。通过绕自身轴旋转并跟踪安装地点周围所有障碍物的顶端点，所有测量数据均由微处理器即时记录。

此外，该系统还包含一个显示单元，以便用户无需使用任何PC软件即可查看障碍物的高度角或水平位置角。

用于场地评估和遮阳分析的实现设备如图9所示，实现电路如图10所示。

为了确定地理北极，系统在用户向系统输入本地站点的纬度和经度值后，根据实时时钟（RTC）接收到的数据计算太阳在水平轴上的角度。随后，将望远镜的镜头对准太阳并聚焦，同时记录此时太阳的位置。

当显示屏上的角度为零时，相对于太阳确定地理北极。该系统中寻找地理北极的另一种方法是确定磁北极，并调整站点的本地校正角度（该角度已预先设置在处理器中）。此外，已实现的系统可以轻松地与任何评估软件（如SUNDI等）配合使用，而不会遇到任何问题。

8. 为软件确定太阳路径

根据地球上的经度和纬度，可以计算出特定时间点太阳在空间中的位置。此外，通过一些方程，还可以根据地球的轨道精确计算太阳的位置。换句话说，如果有时间、经度和纬度信息，就可以准确计算出太阳相对于应用区域的位置。

首先，地球在绕太阳轨道上运行的倾角介于+23.45到−23.45度之间。该角度每年的变化幅度非常小。然而，倾角 δ 可通过[9, 20]中给出的不同方法进行计算。

$$
\delta = \delta_0 \cdot \sin\left(\frac{360 (284 + n)}{365}\right) = 23.45 \cdot \sin\left(\frac{336650 (n - 81)}{}\right),
$$

其中 $\delta_0$ 等于 $23.45^\circ$，$n$ 为年中的日期序号。例如，2月14日其值等于45。一天中任意时刻太阳的位置由其太阳高度角$\beta$和方位角$\varphi_s$表示：

$$
\sin\beta = \cos L \cdot \cos\delta \cdot \cos H + \sin L \cdot \sin\delta,
$$
$$
\sin\varphi_S = \frac{\cos\delta \cdot \sin H}{\cos\beta}.
$$

为了获得日出和日落时间，$\beta$被假定为零，并且$H$（考虑时角）由(3)给出，即本地子午线（应用区域经度的连线）与太阳子午线（任意时刻）之间角度的差值，早晨取正值：

$$
H = \pm \left(15^\circ/\text{hour}\right) (\text{hour before or after SN}).
$$

太阳时$ST$的计算方法如下：

$$
ST = CT + \frac{4\,\text{min}}{\text{deg}}(LTM - LL)^\circ + EOT(\text{min}).
$$

正午太阳$SN$通过民用时与太阳时之间的关系得到，如方程(5)所示，

$$
CT = ST - \frac{4\,\text{min}}{\text{deg}}(LTM - LL)^\circ - EOT(\text{min}),
$$

其中$CT$在不同文献中被称为地方时间、正午太阳或钟表/民用时间。太阳时$ST$等于$12:00$，即地方标准正午。

均时差$EOT$由下式得到：

$$
EOT = 9.87 \sin 2B - 7.3 \cos B - 1.5 \sin B,
$$

其中$B$如下所示：

$$
B = \left[\frac{336640 (n - 81)}{}\right].
$$

9. 应用与结果

本研究中提出的模型是利用本地设施开发的，与另外三种模型（即太阳路径查找器和场地评估仪、地平线捕获器和实时阳光观测器、跟踪器和手机专用软件）相比，该模型具有进一步改进的空间。此外，这是土耳其——一个太阳能资源丰富的地区——首个此类研究。尽管该模型所使用的软件已取得相当积极的结果，但仍具备进一步改进的潜力。

土耳其代尼兹利的亚西霍尤克县被选为太阳能电站安装地点的试点区域，用于测试proposed系统。图11中的照片拍摄于2013年5月26日19:30。太阳在所述时间从292度方位落下地平线。

通过所提出的系统记录安装地点的环境遮挡后，为所提出的设备开发的软件绘制了该安装地点的太阳路径图，并将其与预录数据结合，以生成阴影图。所得结果与图11和12中所示图片一致。

当根据全年太阳轨迹评估测量值时，可以计算待建立系统的效率，并确定安装地点是否适合太阳能系统。

10. 评估软件与结果

太阳能应用在土耳其日益增加。然而，确定太阳能系统的安装地点仍然需要高级的知识和经验。

这可以通过多种设备实现。本研究中提供的设备将为土耳其未来的投资开创先河。遮挡是影响光伏系统效率的最重要因素之一。计算遮挡至关重要。由于太阳位置随季节变化，使用传统方法计算遮蔽因子较为困难。借助开发的软件，可以对太阳运动进行建模并测量遮蔽因子。当已知光伏系统拟建地点的年辐射率时，即可计算该系统所能产生的潜在能量。

由于通过已实现的系统记录的任何安装地点的数据均可由任意Office软件进行评估，因此基于Microsoft Visual C#平台开发了评估与监控软件，以估算阴影对电力系统效率的影响。借助此界面程序，可在计算机上估算并显示有无阴影情况下的阳光采光量。

此外，用户可获取本地纬度‐经度数据、光伏组件的朝南角度和倾角。本研究开发的界面程序的部分预览图如图13和14所示。

11. 结论

为了减少用于发电的化石燃料消耗及其温室气体排放，应紧急考虑并进一步分析现有的可再生能源。就光伏系统而言，遮蔽因子与坐标同样重要。围绕光伏系统的遮挡物对其辐射值的影响程度与其地理位置相当。由于太阳位置随季节变化，使用传统方法计算遮蔽因子较为困难。借助开发的软件，可以对太阳运动进行建模，并测量遮蔽因子。当已知光伏系统拟建地点的年辐射率时，便可计算该系统所能产生的潜在能量。在这方面，2%的遮蔽因子在大型光伏系统中将导致巨大的能量损失。

因此，有必要计算光伏系统所在位置的辐射值需要安装的设备。本研究是土耳其范围内关于遮蔽因子计算的最重要研究之一。该模型所使用的软件取得了非常积极的结果，而且仍有进一步改进的空间。此外，那些计划建立新的太阳能系统并利用太阳能的人应充分认识到提高太阳能发电效率的重要性。对太阳能电站遮蔽效应的分析是提高效率的最大化技术之一。本研究综述了现有的阴影分析仪，并介绍了一种基于小型望远镜并使用两个编码器的新遮阳分析仪和场地评估仪，同时详细描述了其界面程序。新设计设备和新开发软件的特点与其他设备进行了比较[21–23]。

所提出的模型独立运行，无需任何接口程序，并且能够识别太阳能系统安装场地上的远处障碍物。通过水平和垂直编码器检测到的障碍物信息，还可以借助开发的基于微处理器的接口卡，通过超级终端传输到任意计算机。该系统使用起来非常简便快捷。此外，根据用户的特定需求，可逐度或以低于一度的灵敏度更精确地识别场地上的障碍物。另外，本研究中提出的模型具有较高的成本效益。

符号说明

• B ：太阳高度角
• CT ：地方时或钟表时间
• EOT ：均时差
• φS ：太阳方位角（+在太阳正午之前，−在太阳正午之后）
• HSR ：日出日落时角
• NOAA ：美国国家海洋和大气管理局
• n ：年中的日期序号
• GHSR ：几何日出日落时角
• SST ：日落时间
• Q ：调整因子
• L ：纬度
• LTM ：地方时子午线
• LL ：本地经度
• SN ：正午太阳
• ST ：太阳时
• SRT ：日出时间
• H ：时角