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[技术]太阳光源生成器 [复制链接]

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科学家

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只看楼主正序阅读楼主发表于: 2023-04-24

本文描述了用FRED产生太阳光源的脚本，该光源可以模拟太阳光入射到一个倾斜的或者太阳跟踪表面上的性能。计算是基于NREL（国家可再生能源实验室）的“Bird
Simple Spectral Model”的模型。该模型是由Drs. Richard Bird和Carol Riordan创建，可以确定倾斜平面上的辐照度，它是基于太阳在不同时刻、不同位置及一些环境因素的考虑，主要有气溶胶的光学深度、大气可降水量和地表气压等等。包含在本文中的脚本通过与Excel电子数据表格通信，然后提取出它产生的直接、弥散和总的光谱辐照度，并使用期望的光谱创建一个光源。电子表格可以在NREL网站上找到，网址为：
http://rredc.nrel.gov/solar/models/spectral/。注意到如果“SPCTRAL2.xls”电子表没有下载并保存，那么该脚本是不起作用的。

使用Bird Solar Model Source Creator

关于脚本的一些有用的信息和技巧如下。想要知道更多有关Bird Simple Spectral Model和它的输入，请参考列在简介中的NREL页面。

在运行脚本之前，确保：

1. NREL Excel电子表格“SPCTRAL2.xls”已经保存在FRED的当前目录下。如果没有，当运行脚本时，就会产生下面的错误：(1004)’ C:\...\SPCTRAL2.xls’ could not be found。检查文件名的拼写，以及核实文件位置的正确性…
2. 打开了一个FRED文件。

当脚本运行时，一个对话框将会提示：需要模拟的表面类型，如图1所示。Bird Simple Spectral Model可用于模拟太阳光谱辐射到以下表面中的一个：

1. 太阳追踪：太阳光入射到表面上的角度始终为0。

2. 固定倾斜：表面朝向固定的位置，太阳在表面上的入射角取决于太阳的位置。

图1 对话框1：表面类型

根据选择的表面类型，接下来显示的是对话框2或3。如图2和3所示，这两个对话框几乎是相同的，而固定倾斜表面需要几个与表面方向相关的额外参数。

图2 对话框2：当表面是太阳追踪时的参数和属性

图3 对话框3：如果表面是固定倾斜的参数和属性

以下是关于对话框2和3的一些要点和说明：

 默认值是夏季美国图森市的估计值。

 年、月、日都用来确定电子表格输入的“一年中的天数”。这是在给定的一年中从1月1号起经过的天的数目。年是用来调整闰年的。
 纬度是+N, -S；经度是+E, -W。
 反射率（表面反射率）在扩散辐照度计算中使用。
 表面面积用于确定入射到表面上总的积分功率。这被设定为光源功率。
 固定倾斜表面的方向是由两个参数定义：
 表面斜率/倾斜是以度为单位的收集表面的倾斜角度。平的/水平（朝向直线上升）是0度。垂直是90度。
 表面方位方向用度表示。这是表面倾斜的方向。北为0，东为90，南为180，西为270。
 电子表格包含一个基于纬度、经度、和一年中天数的公式，用于估计柱层臭氧（O3）的总量。用户可以选择使用此公式估计或指定一个值。
 点击“打印结果”，在输出窗口就会显示基于输入计算出的一些数值的摘要。该对话框再次出现，保持最后输入的值。将显示以下参数：
 以度显示的太阳天顶角和方位。

 表面上的太阳的入射角。
 集成的直接、扩散和总的辐照度，以W/m2为单位。
 总的辐照度是直接+扩散。
 入射在表面上的总的积分功率（W）
 为（总的辐照度）*（表面面积）
 点击“创建光源”，保存所有值并显示下一个对话框。

对话框4用于创建光源和对应的光谱，如图4所示。

图4 对话框4：光源和光谱参数

生成的光源是一个Detailed Source，光线位置选项为格子平面并制定尺寸、光线数和形状。

在单一方向上的光线点，是根据太阳到达收集表面上的入射角（θ），表示如下：
X分量：0
Y分量：sin(θ)
Z分量：cos(θ)
当它创建后，用户可以手动调整模型光源的位置和取向。

用户可以选择添加一个到六个之间相关的太阳光谱，总间距为0.3微米到4微米。在电子表格中使用Bird solar model，可以推断出直接/扩散/总的光谱辐照度（W/m2/μm）。直接/扩散/总的辐照度（W/ m2）是所有波长间隔内（在电子表格中也已经计算出）的光谱辐照度值的总和。

使用对话框中的下拉菜单“波长光谱”中选择的光谱，光源的波长定义为“根据光谱随机”。所选的频谱将添加到“光谱”文件夹，即使它没有在右手边作为生成的光谱之一检查。如果有需要的话，复选框允许添加额外的光谱。

脚本

脚本的结构如下：
1. 打开Excel电子表格
2. 显示对话框1提示表面类型(太阳追踪或固定倾斜)。
3. 如果在对话框2或3中按下了“打印结果”按钮，开始重复的while循环。
4. 如果表面太阳追迹，显示对话框2；如果表面是一个固定的倾角，显示对话框3。
a. 如果是第一次运行，插入默认值。否则最后输入的值保存在内存中。
b. 收集有关日期和时间、地点、感兴趣的表面和环境属性的信息。
c. 如果点击了“取消”按钮，关闭Excel并终止脚本。
d. 将对话框中的值赋给变量。
5. 使用年、日和月计算每年的天数(即自年初以来过去多少天)，这是电子表格所需的值。对闰年进行调整。
6. 将值插入到相应的Excel电子表格区域中。
7. 从电子表格中提取输出值。
a. 波长和光谱辐照度(直接、扩散和总的) 有122条记录。辐照度(所有波长间隔的光谱辐照度值将从W / m2/um 转化为W / m2)有121条记录，所以0是第一个输入值。
b. 如果点击了“取消”按钮，关闭Excel并终止脚本。
8. 如果点击了“打印结果”，则在输出窗口中显示导出值。
9. 结束while循环。
a. 如果点击了“打印结果”按钮，回到步骤4。
b. 如果点击了“取消”或“创建光源…”，移动到步骤10.
10. 关闭Excel。
11. 构造一个包含可能的光谱名字的数组。这是在对话框4中下拉菜单将显示的。
12. 显示对话框4：光源参数
a. 插入默认值
b. 获取用户的输入，包括光线数、孔径、即将创建的光源光谱以及产生的光谱，然后添加到“光谱”树文件夹中。
c. 如果点击“取消”按钮，终止脚本。
d. 将对话框中的值赋给变量。
13. 将在对话框4中检查或选择为光源光谱的每个光谱添加到“光谱”文件夹中。
14. 使用对话框4中的输入参数创建光源。
15. 在输出窗口打印一些可能是有用的导出值。
16. 打印新创建光源的名称。
17. 完成！

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