一种光伏电站场区气象微环境监测系统及其应用的制作方法

1.本发明涉及气象环境监测方法，特别涉及一种能够实现精准揭示光伏电站场区气象微环境时空变化特征的监测系统及其应用。


背景技术：

2.高比例新能源为主导的新型电力系统中，光伏发电是我国大力发展的零碳能源之一，承担电力系统的低碳重任。为深入挖掘光伏行业的减排效益，光伏阵列对局地气候的影响成为关注的重点，但仍有很多关键技术亟待突破。光伏阵列改变场区内气温、气湿、风速、风向、光合有效辐射等局地气象条件。光伏板对太阳辐射吸收利用、风廓线改变和降雨量再分配导致光伏场区生境异质性增强。摸清光伏场区气象微环境的时空异质性是促进场区植被生态效益提升、固碳增汇、智慧农光互补模式构建的重要前提。
3.但是传统方法的单个监测系统覆盖面窄，面对光伏阵列影响下的异质性气象环境监测具有非常大的局限性，传统监测方法的结果对微环境特征变化机制的不明确，结果往往存在显著的偏差，影响光伏场区效益核算与优化模型构建的精准性，限制光伏场区植被恢复物种筛选研究、农业光伏智能化发展。
4.申请公布号cn111290051a提出了一种沙漠气象监测装置以及其监测方法，该专利主要是针对沙漠的气象进行监测，沙漠下垫面环境较低的异质性与光伏场区的高度异质性环境有根本上的不同，其方法不足以反映光伏场区的异质性气象环境特征；申请公布号cn 113960255a公布了多点位环境空气监测方法及系统，其技术领域属于环境空气监测，是一种回溯、定位污染源的监测方法，不能应用于光伏场区的气象微环境监测。
5.因此，亟待研发一种光伏电站场区气象微环境异质性特征监测的新方法，尤其是针对光伏板遮挡后，影响植物光合作用的光合有效辐射强度的时空异质性规律，解决传统气象监测方法对光伏阵列影响下微环境的时空异质性特征掌握的不足，奠定场区植物筛选、生态光伏效益提升模式构建的数据和理论基础。


技术实现要素：

6.本发明通过对光伏电站的长期调研和相关研究梳理，研发出一套综合监测光伏电站建设后不同微环境气象要素差异的方法。该方法实现光伏电站建设后场区内光伏板上方、板下方气象微环境的时间、空间分异规律精准监测，获得的数据全面、可靠，且降低监测成本，解常规气象站监测方法所得数据结构偏差明显的瓶颈。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种光伏电站场区气象微环境监测及应用方法，包括：
8.光伏场内影响监测系统，位于光伏场区中心；
9.光伏场外对照监测系统，位于距场区边缘100m处平坦、无遮挡、无人类活动干扰区；
10.进一步地，场内和场外监测系统包括：
11.支撑骨架，固定在监测点位，支撑监测系统其它各项组件；
12.数据采集组件，包括气象要素监测模块和数据传输线，监测模块安装在支撑骨架上通过数据传输线将数据传入数据存储组件；
13.中控箱，安装在支撑骨架上，内置信号处理组件、计算存储组件、无线通讯模块、蓄电池；信号处理组件获取监测模块的电信号并将之转换成数字信号，通过数据传输线与数据采集组件进行数字信号通讯，通过无线通讯组件将数据上传至在线存储云平台；
14.供电组件，包括太阳能板、蓄电池、输电线，蓄电池安装在中控箱内，通过输电线连接，为监测系统提供工作电源；
15.进一步地，支撑骨架特征在于：光伏场区支撑骨架安装在光伏场区中心光伏组件行间中轴线上，高度高于光伏组件最高边缘1.5m，包括垂直立杆和水平横臂，水平横臂利用螺栓、螺母和管卡固定在垂直立杆上并与之夹角为∠90
°
，距离地面高度h＝1.5m，横臂两臂分别从邻近光伏板前檐和后檐伸入，终点位于光伏板中垂线处，与前檐和后檐在地面的垂直投影夹角为∠90
°
；光伏场外支撑骨架与光伏场内支撑骨架处于相同海拔、坡度、坡向、坡位的位置；
16.进一步地，数据采集组件特征在于：光伏板上方数据采集组件和场外对照监测系统数据采集组件安装在支撑骨架；光伏板下方数据采集组件安装在水平横臂上；各数据采集组件通过数据线传输数据；
17.进一步地，数据采集组件特征还包括：
18.光伏板上方数据采集组件，包括温度监测模块、湿度监测模块、风速监测模块、风向监测模块、气压监测模块、降雨量监测模块、光合有效辐射监测模块、四分量监测模块；
19.光伏板下方数据采集组件，包括温度监测模块、湿度监测模块、风速监测模块、风向监测模块、光合有效辐射监测模块、四分量监测模块；优化减少了气压和降水监测要素；
20.场外对照监测系统数据采集组件，包括温度监测模块、湿度监测模块、风速监测模块、风向监测模块、气压监测模块、降雨量监测模块、光合有效辐射监测模块、四分量监测模块；
21.进一步地，数据采集组件工作方法还包括：
22.光伏板下方区域包括光伏板垂直投影区和光伏组件行间；
23.温度监测模块、湿度监测模块、风速监测模块、风向监测模块安装在水平横臂一端；四分量监测模块安装在水平横臂另一端；光合有效辐射监测模块在水平横臂上多点位安装，共布设12个光合有效辐射监测点；
24.光合有效辐射监测模块安装点位包括光伏板垂直投影区和光伏组件行间不同位置；设定横臂两臂长度均为l，光伏板垂直投影区区段长度均为l1和光伏组件行间区段长度均为l2，即 l1 l2＝l；
25.光伏板垂直投影区l1在远端、中位点、前檐和后檐垂直投影处布设光合有效辐射监测组件，即以横臂远端为起点，板下光合有效辐射监测点布设在0、1/2l1、l1位置处；
26.光伏组件行间区段l2以垂直立杆为起点，光合有效辐射监测点布设在1/4l2、1/2l2、3/4l2位置处。
27.进一步地，还包括：
28.供电组件的太阳能板利用螺栓、螺母固定在支撑骨架上，最佳倾角根据区域纬度、
太阳高度角进行确定。
29.进一步地，光伏场区适宜光资源生态位植物筛选：
30.计算光伏场内光伏板下方区域不同位置光合有效辐射日总量，计算公式如下：
[0031][0032]
具体的，dli(x)为位置x的光合有效辐射日总量(mol
·
m-2
·
d-1
)，ppfd为光合有效辐射监测值(μmol
·
m-2
·
s-1
)，t0、ti分别为位置x光合有效辐射监测模块所监测ppfd＞0的起始时间和结束时间；
[0033]
进一步的，根据光合有效辐射日总量绘制年内变化规律，根据植物光资源生态位筛选光伏场区适宜植物进行不同位置植物种植模式布局；
[0034]
本发明的一个优选方案中，所述监测系统由光伏场内影响监测系统和光伏场外对照监测系统，光伏场内影响监测系统由板上方监测和板下方监测共同构成；光伏场内影响监测系统布设在光伏阵列中心两列光伏组件行间中轴线，场外对照监测系统布设在场外距场区边界 100m的平坦、无遮挡、无人类活动干扰区，且两个观测点的海拔、坡度、坡向、坡位等地理环境一致。以场外对照监测系统的气象数据为对照，分析光伏场区的气象微环境效应。所述光伏场内影响监测系统高度根据光伏组件后檐高度(
△
h)进行设置，板上方监测模块高度为(
△
h 1.5)m。
[0035]
本发明的进一步优化方案中，构建了垂向和水平多范围空间优化监测的气象观测系统，将光伏电站场外和场内受光伏板影响程度不同位置的气象微环境进行同步监测。在光伏电站场区内，鉴于光伏板的遮挡效应，在光伏板下方的气象监测中优化减少了降水和气压的监测；在距地面1.5m高度处，布设从光伏板前檐和后檐伸入的横臂，在臂上布设12个点监测光合有效辐射，监测点基于光伏板对太阳能的吸收作用对光合有效辐射的再分配选择关键点进行监测。
[0036]
本发明的优异效果在于：
[0037]
1、本发明涉及的气象监测点位布设涵盖了光伏电站场外、场内，能够通过与场区外天然环境进行对比，识别光伏电站建设后局地气象微环境差异。
[0038]
2、本发明涉及的气象监测点位布设分布在受光伏板不同遮荫程度影响的代表性位置，通过高于地面1.5m的两个分别从前檐和后檐伸入板下的横臂，实现对板下不同遮荫程度关键位置光合有效辐射的精准监测，揭示影响光伏场区植物光合作用的关键气象要素变化规律。
[0039]
3、本发明根据光伏电站建设规模、地理位置、电板设计规格等，所述观测系统的实际安装参数可因地制宜而进行调整，根本要求是基于本发明所述的多方位监测要求进行布设。
附图说明
[0040]
图1：本发明系统工作结构图；
[0041]
图2：本发明系统各组件连接布局示意图；
[0042]
图3：本发明支撑骨架(1)示意图；
[0043]
图4：本发明监测组件(2)图形示例；
[0044]
图5：本发明中控箱(3)局部结构示意图；
[0045]
图6：本发明供电组件(4)示意图；
[0046]
图7：本发明提供的一种基于光伏场区光合有效辐射多点位监测筛选适生植物的方法流程图。
[0047]
图中：1：支撑骨架；2：数据采集组件；3：中控箱；4：供电组件；a1：场内支撑骨架； a11：垂直立杆；a12：水平横臂；b1：场外支撑骨架；a2：场内影响监测系统数据采集组件；a21：光伏板上方数据采集组件；a211：温度监测模块；a212：湿度监测模块；a213：风速监测模块；a214：风向监测模块；a215：气压监测模块；a216：降水量监测模块；a217：光合有效辐射监测模块；a218：四分量监测模块；a22：光伏板下方数据采集组件；a221温度监测模块；a222：湿度监测模块；a223：风速监测模块；a224：风向监测模块；a225：光合有效辐射监测模块；a226：四分量监测模块；b2：场外对照监测系统数据采集组件；b21：温度监测模块；b22：湿度监测模块；b23：风速监测模块；b24：风向监测模块；b25：气压监测模块；b26：降水量监测模块；b27：光合有效辐射监测模块；b28：四分量监测模块； 31：箱体；32：信号处理组件；33：计算存储组件；34：无线通讯组件；41：太阳能板；42：蓄电池；43：输电线。
具体实施方式
[0048]
结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明的保护范围。
[0049]
实施例1
[0050]
请参阅图1至图2，本实施例的一种光伏电站场区气象微环境监测系统，包括光伏场内影响监测系统(a)和光伏场外对照监测系统(b)；光伏场内影响监测系统(a)安装于光伏场区中心；光伏场外对照监测系统(b)安装在距场区边缘100m处平坦、无遮挡、无人类活动干扰区；两个监测系统均包括支撑骨架(1)、数据采集组件(2)、中控箱(3)和供电组件(4)。场内支撑骨架(a1)安装在光伏场区中心光伏组件行间中轴线上，包括垂直立杆 (a11)和水平横臂(a12)；场外支撑骨架(b1)与场内支撑骨架(a1)处于相同海拔、坡度、坡向、坡位的位置；数据采集组件(2)包括光伏板上方数据采集组件(a21)、光伏板下方数据采集组件(a22)和场外对照监测系统数据采集组件(b2)，采集组件安装在支撑骨架上，监测不同环境位置的气象要素，然后通过数据线进行数据传输至数据存储组件中；中控箱(3)利用膨胀螺丝安装在支撑骨架(1)上，包括箱体(31)、信号处理组件(32)、计算存储组件(33)、无线通讯组件(34)，通过数据传输线与数据采集组件(2)进行数据通讯，通过无线通讯组件将数据上传至在线存储云平台；供电组件(4)包括太阳能板(41)、蓄电池(42)、输电线(43)，利用输电线连接太阳能板和蓄电池，存储富余的电量，蓄电池安装在中控箱(3)内，通过输电线为所述监测系统提供工作电源。
[0051]
具体的，本实施例中，支撑骨架(1)安装时通过地钻提前打孔，孔φ＝50～80cm，深 h＝40～60cm，浇筑混凝土和碎石块进行固定；
[0052]
具体的，中控箱(3)为侧开门，在门内侧边缘和箱体边缘固定橡胶圈，保护中控箱内各组件不受雨水、昆虫等干扰；
[0053]
具体的，光伏板上方数据采集组件(a21)包括温度监测模块(a211)、湿度监测模块 (a212)、风速监测模块(a213)、风向监测模块(a214)、气压监测模块(a215)、降雨量监测模块(a216)、光合有效辐射监测模块(a217)、四分量监测模块(a218)；各监测模块安装在垂直立杆(a11)；
[0054]
光伏板下方数据采集组件(a22)包括温度监测模块(a221)、湿度监测模块(a222)、风速监测模块(a223)、风向监测模块(a224)、光合有效辐射监测模块(a225)、四分量监测模块(a226)；各监测模块安装在水平横臂(a12)上；
[0055]
场外对照监测系统数据采集组件(b2)包括：温度监测模块(b21)、湿度监测模块(b22)、风速监测模块(b23)、风向监测模块(b24)、气压监测模块(b25)、降雨量监测模块(b26)、光合有效辐射监测模块(b27)、四分量监测模块(b28)；各监测模块安装在垂直立杆(b1)。
[0056]
具体的，各监测组件通过数据线与中控箱中信号处理和计算存储组件连接，将数据传送至存储组件中，在通过无线通讯模块实现远程共享数据，用户可在在线存储云平台上进行数据实时查看、下载、分析。
[0057]
实施例2
[0058]
请参阅图1至图2，基于上述所述的一种光伏电站场区气象微环境监测及应用方法，本实施例还提供了一种光伏场区光合有效辐射全面监测的方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤一、支撑骨架(1)安装设定，场内支撑骨架(a1)高度高于光伏组件最高边缘1.5m；水平横臂(a12)利用螺栓、螺母和管卡固定在垂直立杆(a11)上并与之夹角为∠90
°
，距离地面1.5m，横臂两臂分别从邻近光伏板前檐和后檐伸入，终点位于光伏板中垂线处，与前檐和后檐在地面的垂直投影夹角为∠90
°
；
[0060]
步骤二、光合有效辐射监测组件布局设定，光合有效辐射监测组件由场外对照监测、场内光伏板上方监测、场内光伏板下方监测的水平、垂向空间组成；
[0061]
具体的，场外对照监测光合有效辐射监测组件安装在支撑骨架(b1)顶端，利用螺栓、螺母和管卡固定，通过数据线连入场外中控箱(b3)；
[0062]
具体的，场内光伏板上方光合有效辐射监测组件安装在垂直立杆(a11)顶端，利用螺栓、螺母和管卡固定，通过数据线连入场内中控箱(a3)；
[0063]
具体的，场内光伏板下方光合有效辐射监测组件安装在水平横臂(a12)上；其中，设定横臂两臂长度均为l，光伏板垂直投影区区段l1和光伏组件行间区段l2的长度之和等于l，即l1 l2＝l；
[0064]
具体的，光伏板垂直投影区区段l1在远端、中位点、前檐和后檐垂直投影处布设光合有效辐射监测组件，即以横臂远端为起点，板下光合有效辐射监测点布设在0、1/2l1、l1位置处；
[0065]
光伏组件行间区段l2以垂直立杆(a11)为起点，光合有效辐射监测点布设在1/4l2、1/2l2、 3/4l2位置处。
[0066]
步骤三、运行监测设定，本实施例中，为实现光合有效辐射全天候动态监测，设定数据采集频率为30min/个。
[0067]
实施例3
[0068]
请参阅图1至图3，基于上述所述的一种光伏电站场区气象微环境监测系统及其应
用，本实施例还提供了一种基于光伏场区光合有效辐射进行适宜植物筛选的方法，包括以下步骤：
[0069]
步骤一、调查、选定光伏场内和场外监测系统地理位置；
[0070]
步骤二、根据光伏组件行间宽度和光伏板宽度、高度确定场内支撑骨架垂直立杆高度和水平横臂长度；
[0071]
步骤三、完成安装并调试相关监测模块；
[0072]
步骤四、获取数据，计算光伏场内光伏板下方区域不同位置光合有效辐射日总量，计算公式如下：
[0073][0074]
具体的，dli(x)为位置a的光合有效辐射日总量(mol
·
m-2
·
d-1
)，ppfd为光合有效辐射监测值(μmol
·
m-2
·
s-1
)，t0、ti分别为位置x光合有效辐射监测模块所监测ppfd＞0的起始时间和结束时间；
[0075]
进一步，根据光合有效辐射日总量绘制年内变化规律；
[0076]
步骤五、调查乡土适生植物，建立物种资源库，分析光资源需求；
[0077]
步骤六、根据植物光资源需求筛选光伏场区适宜植物进行不同位置植物种植模式布局；当生长旺季dli值大于15时，可选择喜光植物。
[0078]
相比于传统方法单点监测结果，本发明所得监测结果更加全面、精准地揭示了光伏电站场区不同位置的气象微环境异质性特征，提高光伏阵列中变化气象微环境的监测效率、科学性以及监测数据的实用性。
[0079]
(1)本技术的监测方法在气象监测方面：现有监测布局方法缺少对光伏阵列中异质性气象环境效应的监测，但是，在光伏电站场区，太阳高度角、光伏板最佳倾角等差异导致阵列区不同位置光照环境改变。监测方法的缺失制约对光伏场区环境特征分析，影响场区植物筛选、生态恢复。基于此，本发明通过创新光合有效辐射多监测点位空间布局，与光伏场外不受光伏影响区进行对比分析，识别光伏场区不同典型环境下光资源特征，创新的监测布局方法克服了传统气象站单点观测的数据偏差。
[0080]
(2)本技术的监测方法在理论支撑方面：本发明的监测布局方法将气象要素因光伏电站建设而被划分成的多个微环境的监测模块耦合，能显著提高光伏阵列影响下变化气象环境的监测效率、科学性以及监测数据的实用性，监测点位布局方法为提升光伏场区生态建设提供环境解释，为全面、深入分析光伏电站对生态系统的影响提供更翔实的数据支撑和更扎实的理论依据。
[0081]
以上对本发明所提供的一种光伏电站场区气象微环境效应精准监测方法进行了详尽介绍，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。