簡介
 

本文描述了用FRED產生太陽光源的腳本，該光源可以模擬太陽光入射到一個傾斜的或者太陽跟蹤表面上的性能。計算是基于NREL（國家可再生能源實驗室）的“Bird

Simple Spectral Model”的模型。該模型是由Drs. Richard Bird和Carol Riordan創建，可以確定傾斜平面上的輻照度，它是基于太陽在不同時刻、不同位置及一些環境因素的考慮，主要有氣溶膠的光學深度、大氣可降水量和地表氣壓等等。包含在本文中的腳本通過與Excel電子數據表格通信，然后提取出它產生的直接、彌散和總的光譜輻照度，并使用期望的光譜創建一個光源。電子表格可以在NREL網站上找到，網址為：

http://rredc.nrel.gov/solar/models/spectral/。注意到如果“SPCTRAL2.xls”電子表沒有下載并保存，那么該腳本是不起作用的。

 

使用Bird Solar Model Source Creator
 

關于腳本的一些有用的信息和技巧如下。想要知道更多有關Bird Simple Spectral Model和它的輸入，請參考列在簡介中的NREL頁面。

 

在運行腳本之前，確保：
 

1. NREL Excel電子表格“SPCTRAL2.xls”已經保存在FRED的當前目錄下。如果沒有，當運行腳本時，就會產生下面的錯誤：(1004)’ C:\...\SPCTRAL2.xls’ could not be found。檢查文件名的拼寫，以及核實文件位置的正確性…

2. 打開了一個FRED文件。

 

當腳本運行時，一個對話框將會提示：需要模擬的表面類型，如圖1所示。Bird Simple Spectral Model可用于模擬太陽光譜輻射到以下表面中的一個：
 

1. 太陽追蹤：太陽光入射到表面上的角度始終為0。
 

2. 固定傾斜：表面朝向固定的位置，太陽在表面上的入射角取決于太陽的位置。

 

圖1 對話框1：表面類型

 

根據選擇的表面類型，接下來顯示的是對話框2或3。如圖2和3所示，這兩個對話框幾乎是相同的，而固定傾斜表面需要幾個與表面方向相關的額外參數。

 

圖2 對話框2：當表面是太陽追蹤時的參數和屬性

 

圖3 對話框3：如果表面是固定傾斜的參數和屬性

 

以下是關于對話框2和3的一些要點和說明：
 

? 默認值是夏季美國圖森市的估計值。
 

 

? 年、月、日都用來確定電子表格輸入的“一年中的天數”。這是在給定的一年中從1月1號起經過的天的數目。年是用來調整閏年的。

? 緯度是+N, -S；經度是+E, -W。

? 反射率（表面反射率）在擴散輻照度計算中使用。

? 表面面積用于確定入射到表面上總的積分功率。這被設定為光源功率。

? 固定傾斜表面的方向是由兩個參數定義：

? 表面斜率/傾斜是以度為單位的收集表面的傾斜角度。平的/水平（朝向直線上升）是0度。垂直是90度。

? 表面方位方向用度表示。這是表面傾斜的方向。北為0，東為90，南為180，西為270。

? 電子表格包含一個基于緯度、經度、和一年中天數的公式，用于估計柱層臭氧（O3）的總量。用戶可以選擇使用此公式估計或指定一個值。

? 點擊“打印結果”，在輸出窗口就會顯示基于輸入計算出的一些數值的摘要。該對話框再次出現，保持最后輸入的值。將顯示以下參數：

? 以度顯示的太陽天頂角和方位。

? 表面上的太陽的入射角。

? 集成的直接、擴散和總的輻照度，以W/m2為單位。

? 總的輻照度是直接+擴散。

? 入射在表面上的總的積分功率（W）

? 為（總的輻照度）*（表面面積）

? 點擊“創建光源”，保存所有值并顯示下一個對話框。

 

對話框4用于創建光源和對應的光譜，如圖4所示。
 

圖4 對話框4：光源和光譜參數

 

生成的光源是一個Detailed Source，光線位置選項為格子平面并制定尺寸、光線數和形狀。 

 

在單一方向上的光線點，是根據太陽到達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)

當它創建后，用戶可以手動調整模型光源的位置和取向。

 

用戶可以選擇添加一個到六個之間相關的太陽光譜，總間距為0.3微米到4微米。在電子表格中使用Bird solar model，可以推斷出直接/擴散/總的光譜輻照度（W/m2/μm）。直接/擴散/總的輻照度（W/ m2）是所有波長間隔內（在電子表格中也已經計算出）的光譜輻照度值的總和。

 

使用對話框中的下拉菜單“波長光譜”中選擇的光譜，光源的波長定義為“根據光譜隨機”。所選的頻譜將添加到“光譜”文件夾，即使它沒有在右手邊作為生成的光譜之一檢查。如果有需要的話，復選框允許添加額外的光譜。
 

腳本
 

腳本的結構如下：

1. 打開Excel電子表格

2. 顯示對話框1提示表面類型(太陽追蹤或固定傾斜)。

3. 如果在對話框2或3中按下了“打印結果”按鈕，開始重復的while循環。

4. 如果表面太陽追跡，顯示對話框2；如果表面是一個固定的傾角，顯示對話框3。

a. 如果是第一次運行，插入默認值。否則最后輸入的值保存在內存中。

b. 收集有關日期和時間、地點、感興趣的表面和環境屬性的信息。

c. 如果點擊了“取消”按鈕，關閉Excel并終止腳本。

d. 將對話框中的值賦給變量。

5. 使用年、日和月計算每年的天數(即自年初以來過去多少天)，這是電子表格所需的值。對閏年進行調整。

6. 將值插入到相應的Excel電子表格區域中。

7. 從電子表格中提取輸出值。

a. 波長和光譜輻照度(直接、擴散和總的) 有122條記錄。輻照度(所有波長間隔的光譜輻照度值將從W / m2/um 轉化為W / m2)有121條記錄，所以0是第一個輸入值。

b. 如果點擊了“取消”按鈕，關閉Excel并終止腳本。

8. 如果點擊了“打印結果”，則在輸出窗口中顯示導出值。

9. 結束while循環。

a. 如果點擊了“打印結果”按鈕，回到步驟4。

b. 如果點擊了“取消”或“創建光源…”，移動到步驟10.

10. 關閉Excel。

11. 構造一個包含可能的光譜名字的數組。這是在對話框4中下拉菜單將顯示的。

12. 顯示對話框4：光源參數

a. 插入默認值

b. 獲取用戶的輸入，包括光線數、孔徑、即將創建的光源光譜以及產生的光譜，然后添加到“光譜”樹文件夾中。

c. 如果點擊“取消”按鈕，終止腳本。

d. 將對話框中的值賦給變量。

13. 將在對話框4中檢查或選擇為光源光譜的每個光譜添加到“光譜”文件夾中。

14. 使用對話框4中的輸入參數創建光源。

15. 在輸出窗口打印一些可能是有用的導出值。

16. 打印新創建光源的名稱。

17. 完成！

 

有興趣的讀者可依次深入：

 

Bird, R.E., and C. Riordan, Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres, Technical Report No. SERI/TR-215-2436, Golden, CO: Solar Energy Research Institute, 1984