据外媒报道，马德里理工大学（Polytechnic University of Madrid，UPM）研究人员开发出新模型，用于模拟建筑物和物体对车载光伏系统（VIPV）中直接和散射太阳辐照度的影响。为了进行建模，科学家们使用了光检测和测距（LiDAR）设备、辐照度传感器和全天空全景成像。

图片来源：马德里理工大学

“我们研究的基本目标一直是开发一种建模工具，无需依赖任何外部测量设备，即可估算车辆光伏表面的太阳能资源，”通讯作者Javier Macias表示。“验证过程证实，该软件提供的结果与真实情况非常吻合，这意味着准确估算太阳能资源所需的所有必要输入确实都可以仅从LiDAR数据中得出，而无需额外的天空成像或硬件。”

研究的一个关键方面涉及使用LiDAR点云生成城市地形的准确虚拟表示。据Macias称，最具挑战性的方面之一是开发能够从LiDAR和太阳位置数据中准确估算每个辐照度分量的算法。

“处理反射辐照度时，复杂性会增加，因为它不仅取决于任何特定时刻的太阳角度，还取决于城市元素的反射特性，”Macias表示。“尽管LiDAR数据提供了高度详细的城市场景，但它们不包括物体的物理属性，例如颜色和材质。找到一种可以仅基于点云和太阳数据估计反射分量的算法特别困难。”

实验设置是一辆汽车在冬天停在研究人员实验室附近一天，那里的建筑物和树木全天都会造成阴影。研究团队表示，为了模拟阴影，阴影系数（SF）被定义以在车辆处于阴影下时消除直接辐射分量。研究人员表示，为了模拟漫射分量，各向同性天空的可见部分被视为通过天空视角系数（SVF）来表达，而该分量由建筑物反射。研究人员补充说，明亮立面视角系数（BFVF）的定义考虑了以朗伯方式反射直接太阳光成分的建筑物立面。

车辆车顶上放置了一个鱼眼相机，用于拍摄高质量的半球图像，并安装了一个传感器，用于测量车辆五个方向的辐照度，即引擎盖、车顶、行李箱、左门和右门。白天每分钟进行一次测量。停放车辆附近还安装了一个气象站。

比较表明，建筑物的阴影效应可以准确预测。“结果显示，测量结果和模拟结果之间的平均差异为36W/m2。此外，我们还观察到，由于建筑物反射而产生的漫射分量与天空产生的分量属于同一量级，”研究小组表示。

“此外，根据车辆的位置，有效天空漫射会根据可见天空部分而变化，并且建筑物反射的辐照度水平会根据太阳的位置而变化，”研究人员补充道。

LiDAR数据可以以与使用全天空图像相似的精度获得SVF和BFVF，相对误差分别为3%和4%。这项研究的详细介绍见期刊《Solar Energy Materials and Solar Cells》上的论文“关于车辆集成光伏建模工具的验证：城市环境中的反射辐照度”。

展望未来，该团队希望在移动车辆中测试所提出的模型。“我们将使用安装在车顶上的定制传感器收集行驶车辆的辐照度数据。然后，这些实际测量值将与软件生成的理论预测进行比较，使我们能够改进模型，以用于移动车辆和多样化的城市环境，”Macias说。

这项研究是在UPM太阳能研究所完成的，研究人员一直在开发表征工具和模型，这些工具和模型结合了VIPV的独特方面，例如车辆表面的曲率、动态运动和城市景观的影响。