基于随机森林的太阳能辐射预测方法研究

发布时间：2020-05-15 09:48

【摘要】：随着我国的经济发展,传统能源消耗带来的污染危机日益严重,为了缓解这种趋势,新能源开发与应用备受关注。太阳能以清洁、安全、可再生和取之不尽等优势在新能源中饱受青睐。为了高效利用太阳能,准确的预测太阳能辐射情况极其重要。本文针对太阳能辐射的预测问题进行深入研究,结合先进的机器学习理论,通过随机森林回归预测功能,能有效的预测太阳能辐射,为太阳能辐射在光伏发电应用中提供了全新的思路,具有重要的研究价值和广泛的应用前景。本文完成的主要工作如下:(1)通过查阅国内外相关技术文献,综述了太阳能利用的现状及太阳能辐射预测方法发展趋势,分析了太阳辐射的相关因素,确定了影响太阳辐射主要变量,构建了基本的太阳辐射数学模型。(2)分析了太阳辐射基本原理及相关因素,确定了太阳高度角、日照时间、晴空指数、平均降雨量等主要影响因子。通过仿真得到太阳辐射与影响因子的特性曲线,分析结果表明日照时间越长,太阳辐射量越大。太阳高度角越大,等量的太阳辐射散布面积越大,即单位面积太阳辐射强度越大,反之亦然。(3)研究了基于随机森林太阳能辐射预测方法,选取了九个主要变量,建立了随机森林树型回归分类器,采用同一地区的不同时间段的太阳能辐射数据,进行仿真实验获得相关辐射因子,构建了基于随机森林的太阳能辐射预测模型。(4)将不同的预测方法进行对比研究,构建了基于BP神经网络和基于支持矢量机(SVM)的太阳辐射预测模型,在相同训练样本的条件下,分别将这两种模型的预测结果与随机森林预测方法的结果进行对比。结果表明:在对无人区的太阳辐射量进行预测时,采用随机森林模型预测效果较好,减少了均方根误差、提高了模型的预测精度。(5)研究了改进的太阳辐射预测方法,针对城区的太阳辐射受更多随机因素干扰出现非平衡数据的问题,提出了一种基于C_SMOTE算法的改进随机森林算法。进行了改进前后随机森林算法的仿真研究,通过对比预测结果,可以看出采用改进的随机森林预测方法减小了 OOB误差,验证了模型有效性。这对复杂环境下的太阳能辐射预测、光伏发电有效利用具有重要指导意义。
【图文】：

示意图,赤纬,角变化,示意图

逡逑太阳直射光线与地球赤道平面所形成的夹角称为太阳赤纬角，简称赤炜，以“Ｓ”表逡逑示。它的变化量是以年为周期的，并规定向北为正值，赤纬角５的变化如图２．１所示。四逡逑季的主要不同有两点：一是气温高低不同；二是昼夜长短互异。四季的形成主要是由赤纬逡逑角５的变化而引起的也可以说是太阳直射的位置不同引起的，即角度的变化也就是太阳光逡逑直射位置的不同造成的。逡逑，逦秋分（９．２３）逦＜５＾逡逑办＇＇逦２逡逑、、g逡逑春分（３．２１）逡逑图２．１地球绕太阳运行示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅａｒｔｈ邋ｍｏｖｉｎｇ邋ａｒｏｕｎｄ邋ｔｈｅ邋ｓｕｎ逡逑太阳的赤纬角随季节在南纬２３邋２７＿与北纬２３＂２７之间来回变动，在地理纬度上将南、北逡逑纬２３邋２７的两条纬线称为南、北回归线。图２．２表示的是太阳的赤纬角随四季变化而变化。逡逑因赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角（Ｓ）可用式（２．１）计算：逡逑ｓｉｎ邋８邋＝邋０．３９７９５邋ｃｏｓ邋［０．９８５６３邋（ｎ邋－１７３）］逦（２．１）逡逑

曲线,太阳高度角,辐射量,太阳时角

０为观测点的地理纬度；５为当日观测时刻的太阳赤纬角；《为观测时刻的太阳时逡逑角，单位均以度计算。逡逑太阳辐射照度和太阳高度角在一天中的变化如图２．３所示。图中的红色曲线是一天的逡逑太阳辐射量变化值，蓝色条是一天的太阳高度角变化。由图中关系可见，随着太阳高度角逡逑的增加太阳辐射照度逐渐增加。逡逑－｜１５０逡逑７．５邋－逡逑－１３５逡逑．：逡逑＼邋－１２０逡逑６－邋／邋＼逡逑＾邋／邋＼邋－１０５逡逑Ｉ逦－９０邋Ｋ逡逑Ｉ４５－逡逑６逦７逦８逦９逦１０逦１１逦１２逦１３逦１４逦１５逦１６逦１７逦１８逦１９逦２０逡逑一天时刻表逡逑图２．３辐射量与太阳高度角随时间的变化图逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｔｈｅ邋ｃｈａｎｇｅｓ邋ｏｆ邋ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｓｕｎ邋ａｎｇｌｅ邋ｏｖｅｒ邋ｔｉｍｅ逡逑２．２．２太阳时角逡逑太阳时角定义为：在正午时《邋＝邋0，每隔一小时绝对值增大１５°，上午为正，下午为负。逡逑例如：上午１１时，《邋＝邋１５。；上午８时，出＝１５、（】２－８）＝６０°；下午１时，，《邋＝邋－１５°；下午３逡逑
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK511;TP181

【参考文献】