利用 SunSolve 专用传感器从光线追踪中提取辐照度

SunSolve 报告的光线追踪输出已扩展至包括辐射量、辐照度和吸收能量密度。这些新输出使组件平面（POA）传感器的模拟，以及场景中物体吸收能量的追踪成为可能。这回答了许多关于真实光伏系统的细节问题，而这些问题也常常被用户提出。例如：“日射表的位置或倾角会如何影响其接收到的辐照度？”、“我的日射表与组件之间的光谱失配误差是多少？”、“安装在跟踪器立柱上的箱体塑料外壳会吸收多少能量？”、“阵列下方地面上的植物能接收到多少能量？”，甚至是*“组件正面和背面的辐照度分别是多少？”*。本文将介绍这一升级的一个方面：如何通过专用传感器从光线追踪中提取辐照度。

此前版本的 SunSolve 仅通过视角因子模型报告 POA 辐照度，作为瀑布图损失图表的一部分。此次升级使场景中的物体能够在光线追踪步骤中追踪自身的能量吸收。这种吸收量在有限波长范围内求解，再利用气象文件中的宽波段全球水平辐照度进行换算，得到辐照度。¹ 这些物体可以覆盖整个组件，用于测量全区域 POA；也可以布置在离散位置。它们可以随组件跟踪，也可以保持固定。您甚至可以为它们设置倾角，以考察传感器在真实现场安装不完全准确时会发生什么。

图 1： 在 SunSolve 中建模的组件平面传感器示例，布置在双组件竖装（2P）跟踪器上。

在 SunSolve 中模拟 POA 传感器

使用热电堆日射表监测场地太阳能资源是常见做法。这些传感器可以水平放置以测量全球水平辐照度（GHI），也可以与组件并排安装，以测量入射到倾斜平面上的辐照度（GTI 或 POA）。这些传感器经过校准，可报告代表太阳全光谱的辐照度。² 它们也旨在不受入射角影响地捕获辐照度。这不同于典型的晶体硅组件：晶体硅组件只能收集 300 nm 至 1200 nm 之间的光子，而且其吸收会因空气-玻璃界面而具有角度依赖性。

为展示如何在 SunSolve 中对它们进行建模，我们将使用由 FTC Solar 与 NREL 合作运行的一个场地。您可以在我们当时的合作论文和相关视频中了解该场地详情。其计量设备包括朝向组件正面和背面的 POA 传感器，这些传感器维护良好且近期完成了校准。下图均在左侧展示现场照片，在右侧展示其在 SunSolve 中的重建模型。SunSolve 中的传感器可从正面探测光线（浅蓝色）和背面探测光线（红色）。

图 2： FTC Solar / NREL 场地的正面 POA 传感器（左）及其在 SunSolve 中的重建模型（右），其中正面探测面以浅蓝色显示。

图 3： 该场地的背面 POA 传感器及其在 SunSolve 中的重建模型，其中背面探测面以红色显示。

在其中一个测量日，组件和传感器下方的地面铺设了白色防水布。这使得测量期间的反照率均匀且可控。下图显示了 SunSolve 与当天测量结果的对比。结果表明，光线追踪结果与现场测量值之间具有良好的一致性。拟合中唯一的自由变量是固定反照率值，设为 59%；遗憾的是，现场并未测量该值。

图 4： 测量日内的正面 POA 辐照度，对比 SunSolve 光线追踪结果与现场测量值。

图 5： 测量日内的背面 POA 辐照度，对比 SunSolve 光线追踪结果与现场测量值。

5 分钟时间步长显示出细微变化。在背面，这些变化对应于两个相邻组件行移动时在地面投下的阴影和光带，以及传感器探测区域的变化。

在 SunSolve 中模拟 GHI 测量

乍看之下，尝试模拟 GHI 传感器似乎有些奇怪，尤其是因为 GHI 是仿真的输入。然而，许多基于辐照度的软件包并不能忠实重现 GHI，这会让人意外。运行此类仿真是一个很好的验证测试，也有助于解读测量数据。

例如，图 6 展示了晴天期间用保持水平的正面 POA 传感器获得的一组测量结果，及其与 SunSolve 对水平传感器的仿真结果的对比。³ 图 7 将相同测量结果与向东倾斜 2.5° 安装的传感器仿真进行比较。请注意，图 7 中的结果对齐得更好。这很可能是因为现场的 POA 传感器安装时存在非常轻微的偏差。

图 6： 使用水平正面 POA 传感器测得的 GHI，与 SunSolve 对水平传感器的仿真结果对比。

图 7： 将相同测量结果与 SunSolve 对向东倾斜 2.5° 的传感器仿真进行对比。更好的对齐表明现场安装中存在轻微偏差。

本文展示的光线追踪结果采用了 SunSolve 的直接光线追踪模式。在该模式下，SunSolve 会对每个太阳位置计算光学解，分别计算直射光和散射光。该模式通常应用于较短时间段，例如以 5 分钟为步长的单日分析，用于详细研究系统性能。它不同于年度求解所用的模式，后者采用离散太阳弧和插值。

您几乎可以将传感器放置在场景中的任何位置：平放在地面上、安装在组件旁，或倾斜以匹配真实世界中不完美的安装。这类细节很容易被忽视，却恰恰是标准发电量工具往往遗漏的内容。这是 SunSolve 帮助您看到他人所看不到之处的另一种方式。

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本文获得澳大利亚可再生能源署（ARENA）资助。文中观点不一定代表澳大利亚政府观点，澳大利亚政府亦不对本文所载任何信息或建议承担责任。