CN104006879A - 便携式太阳辐射测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了便携式太阳辐射测试仪，包括外部壳体，其特征在于，所述外部壳体表面设置有至少一个水平面太阳电池单元和一个斜面太阳电池单元，所述水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元均包括太阳电池和太阳电池外侧的保护层，所述水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元分别通过导线与外部壳体内部的控制电路板相连，所述控制电路板包括分别与水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元相连的第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路和第二采样电路分别与第一AD转换器和第二AD转换器相连，所述第一AD转换器和第二AD转换器与单片机相连，所述单片机还与显示器相连。准确计算出水平面、斜面的直接辐射、散射辐射数据。

Description

便携式太阳辐射测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及一种便携式太阳辐射测试仪及测试方法。

背景技术

随着光伏系统安装容量的快速增长，光伏系统的运行评估体系逐渐建立起来，其中最重要的一点是光伏系统效率评估。光伏系统效率一般指实际发电输出与到达光伏方阵表面辐照总量的比值，辐照的准确、快速测量对光伏系统效率评估至关重要。

目前光伏系统效率评估使用的太阳总辐射传感器通常由组合热电堆电路组成，传感器的接收器有一层黑漆，底部为一个半球型玻璃顶罩。该类太阳总辐射传感器能较准确的反应辐射强度，但不能体现辐射光谱差异对光伏发电到来的影响。当热电堆辐射传感器采集到的数据用于光伏系统效率计算时，不能准确评估系统实际性能。

另一方面，在进行光伏发电效率评估时，尤其针对聚光、太阳跟踪光伏系统，除需要总辐射量外，散射辐射、直接辐射数据也非常关键，通常便携辐射测试仪无法同时测量散射辐射、直接辐照，给使用带来诸多不便。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种便携式太阳辐射测试仪及测试方法，采用两组或多组高稳定的太阳电池作为太阳总辐射传感器，采集不同倾角的总辐射数据，准确计算出水平面、斜面的直接辐射、散射辐射数据，消除辐射光谱差异对光伏发电的影响。进一步的，通过优化保证太阳电池的长期使用的稳定可靠性、测试的准确性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

便携式太阳辐射测试仪，包括外部壳体，其特征在于，所述外部壳体表面设置有至少一个水平面太阳电池单元和一个斜面太阳电池单元，所述水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元均包括太阳电池和太阳电池外侧的保护层，所述水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元分别通过导线与外部壳体内部的控制电路板相连，所述控制电路板包括分别与水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元相连的第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路和第二采样电路分别与第一AD转换器和第二AD转换器相连，所述第一AD转换器和第二AD转换器与单片机相连，所述单片机还与显示器相连。

便携式太阳辐射测试仪的测试方法，包括如下步骤：

S01：初次使用前，对水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元的太阳电池均进行大于20KWh/m²的光衰减；

S02：水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元分别采集太阳总辐射，经采样电路获得太阳电池产生的相对应的电流值并传送至单片机；

S03：单片机从实时时钟电路和GPS模块分别获得实时时间和采集地点的经度、纬度；

S04：单片机计算水平面直接辐射强度、水平面散射辐射强度、斜面面直接辐射强度和斜面散射辐射强度。

首先：通过采用太阳电池作为太阳总辐射传感器，与光伏发电的太阳电池光谱响应基本一致，消除了辐射光谱差异对光伏发电的影响。传统的热电堆式辐射传感器对光伏太阳电池的光谱不敏感，例如在大于1100nm的红外光分布比例较大时，目前热电堆型辐射传感器测量出来的高辐射强度不一定对应高的光伏系统发电量。该发明能解决目前光伏电站实际性能评估时，合理辐照测量问题。其次：在一个便携式辐射测试仪器上，同时具有水平总辐射强度传感器与固定斜面总辐射强度传感器，其倾斜度可以自行设定，最终可以直接显示出水平面直接辐射强度、水平面散射辐射强度、斜面面直接辐射强度和斜面散射辐射强度。

本发明的有益效果是：结构简单，使用方便，采用两组或多组高稳定的太阳电池作为太阳总辐射传感器，采集不同倾角的总辐射数据，准确计算出水平面、斜面的直接辐射、散射辐射数据，消除辐射光谱差异对光伏发电的影响。进一步的，通过优化保证太阳电池的长期使用的稳定可靠性、测试的准确性。可广泛应用于光伏电站发电预测与评估。

附图说明

图1是本发明便携式太阳辐射测试仪的外部结构示意图；

图2是本发明便携式太阳辐射测试仪的水平面太阳电池单元结构示意图；

图3是本发明太阳电池的简易等效电路；

图4是本发明便携式太阳辐射测试仪的测试方法流程图；

附图的标记含义如下：

1：外部壳体；2：水平面太阳电池单元；201：保护层；202：太阳电池；203：硅胶封装层；204：开孔；205：导线；206：控制电路板；3：斜面太阳电池单元；4：显示器。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，便携式太阳辐射测试仪，包括外部壳体1，所述外部壳体1表面设置有至少一个水平面太阳电池单元2和一个斜面太阳电池单元3，一般情况下，仅设置一个水平面太阳电池单元2和一个斜面太阳电池单元3可满足多数测量精度和要求，当然也可以设置多个，测量精度更高。其中，水平面太阳电池单元2是测量时平面与水平面相平行的，而斜面太阳电池单元3则是测量时平面与水平面有一定夹角的，具体倾斜度可以自行设定。

如图2所示，需说明的是：水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3只是与水平面的夹角不同，其机械结构以及后续的电气处理电路均是相同的。水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3均包括太阳电池202和太阳电池202外侧的保护层201，通过采用太阳电池202作为太阳总辐射传感器，与光伏发电的太阳电池202光谱响应基本一致，消除了辐射光谱差异对光伏发电的影响。优选水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3均还包括包裹太阳电池202的硅胶封装层203，所述保护层201位于硅胶封装层203外侧。作为传感器的太阳电池202采用具有高可靠性能与高通过率的硅胶封装，使太阳光谱中250nm—3000nm的光均能90％以上透过硅胶封装层203，且在高紫外环境下，具有很好耐候性能，长期户外使用透过率年衰减小于0.4％。作为辐射传感器的太阳电池202在具有耐候硅胶封装层203保护的同时，最外表面采用高透、耐刮、耐候的保护层201，其中保护层201可以是聚四氟乙烯等含氟材料(如杜邦的Tedlar，ETFE)、聚碳酸酯等，即保护层201可以是聚四氟乙烯层或聚碳酸酯层等。保证太阳电池202的长期使用的稳定可靠性、测试的准确性。其中，优选太阳电池202校正前，对水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3的太阳电池202均进行大于20KWh/m²的光衰减，后续使用过程中，可以保证很好的稳定性。

所述水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3分别通过导线205与外部壳体1内部的控制电路板206相连，即在硅胶封装层203上设置开孔204，导线205从太阳电池202引出连接在控制电路板206上相应的采样电路上。

太阳电池202作为太阳总辐射传感器，采集辐射强度，在后续电气处理中，首先需要一个采样电路，现有技术中，这方面的电路已经比较成熟，多是采样其电流，比如：采用电阻法或霍尔传感器等测量方式。其中电阻法的具体实现方法是通过串联小阻值电阻采样，先由太阳电池202将辐射强度值转换为短路电流值，再由高精度小阻值电阻转换为电压值，最后使用AD转换器采样，单片机对采样到的数据进行处理。而使用霍尔传感器对电流采样，即是在半导体薄片两端通电流，并在半导体薄片垂直方向加以磁感应匀强磁场，则在垂直于电流和磁场方向上，将产生霍尔电压，霍尔电流传感器将电流转换为电压值，最后通过AD转换器对电压值采样，单片机对采样到的数据进行处理。

总之，所述控制电路板206包括分别与水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3相连的第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路和第二采样电路分别与第一AD转换器和第二AD转换器相连，所述第一AD转换器和第二AD转换器与单片机相连，所述单片机还与显示器4相连。单片机控制显示器4显示水平面直接辐射强度、水平面散射辐射强度、斜面面直接辐射强度和斜面散射辐射强度。

其中，控制电路板206的整个电路供电可以采用太阳电池202供电，或另接外部稳压电源。若使用太阳电池202供电，则电源电路中，首先经过电容组成的滤波电路对太阳电池202电源滤波，且采用防反二极管，防止电源反接，起到保护电路的作用，其次经过稳压芯片进行稳压，最后将稳压后的输出进行二次滤波，即可用于电路供电。

由于，单片机在计算过程中需要用到测试时间与测试地点，因此，可以手动输入测试时间和测试地点的经度、纬度(此时需要在外部壳体1上设置键盘)。但优选测试仪内部还设置有实时时钟电路和GPS模块，实时时钟电路(图中未示出)和GPS模块(图中未示出)分别与单片机相连，可以自动获取这些参数，更便携和智能化。

其具体测试方法如图4所示：

需说明的是：初次使用前，即太阳电池202校正前，对水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3的太阳电池202均进行大于20KWh/m²的光衰减，后续使用过程中，可以保证很好的稳定性。

水平面太阳电池单元2和斜面太阳电池单元3分别采集太阳总辐射并传送至单片机。

如图3所示，太阳电池202在恒定光照下，其光生电流I_ph不随工作状态而变化，即辐射稳定时，太阳电池202在等效电路中可将其看作是恒流源；而辐射变化时，其光生电流I_ph与辐射到太阳电池202表面的辐射强度成线性关系。

光生电流I_ph一部分流经负载R_L，在负载两端建立起端电压V，反过来又正向偏置于p-n结二极管，引起一股与光电流方向相反的暗电流I_bk，其大小与两端电压V相关。一个理想的p-n同质结太阳电池202的简易等效电路如图3所示，但是，由于太阳电池202金属栅极与半导体材料之间的接触电阻、金属接触与互联、载流子在顶部扩散层的输运以及半导体材料本身固有的体电阻，电池基区和顶层都不可避免地要引入附加电阻。流经负载R_L的电流经过时，必然引起损耗。在等效电路中，可将其总效果用一个串联电阻R_s表示。由于太阳电池202边缘的漏电和制作金属化电极时在太阳电池202的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻R_sh来等效。通常，太阳电池202输出电流I和输出电压V可表示为：

$I=\frac{R_{\mathrm{sh}}}{R_s+R_{\mathrm{sh}}}[I_{\mathrm{ph}}-\frac{V}{R_{\mathrm{sh}}}-I_{\mathrm{bk}}\left(V\right)],$ 其中

I_bk(V)是太阳电池202内部暗电流，其大小与两端电压V相关。

由于R_sh远大于R_s，太阳电池输出电流可以近似表示为当电压V等于0，即短路电流等于光生电流I_ph，光生电流I_ph与辐射到太阳电池202表面的辐射强度成线性关系，通过比较太阳电池202标准1000W/m²辐射强度下的光生电流与实际辐照条件下的输出电流，可以计算到达太阳电池202表面的总辐射强度，包括水平面总辐射强度H与斜面总辐射强度H_T。

本发明中采用两组或多组太阳电池202作为辐射传感器，可以测试水平面总辐射强度H与斜面总辐射强度H_T。根据总辐射强度等于散射辐射强度与直接辐射强度之和(不考虑反射辐射影响)：

H＝H_b+H_d   (1)

H_T＝H_bt+H_dt   (2)

式中，H_b为水平面的直接辐射强度，H_d为水平面的散射辐射强度，H_bt为斜面的直接辐射强度，H_dt为斜面的散射辐射强度。其中：

H_bt＝H_b×R_b   (3)

式中，R_b为倾斜面与水平面上直接辐射量之比。R_b的计算表达式如下：

$R_b=\frac{\cos (\mathrm{\φ}-s)\cos \mathrm{\δ}\sin h_s^{\′}+\left(\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)h_s^{\′}\sin (\mathrm{\φ}-s)\sin \mathrm{\δ}}{\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\δ}\sin h_s+\left(\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)h_s\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\δ}}$

上式中，s为光伏阵列倾角，δ为太阳赤纬，h_s为水平面上日落时角，h_s’为倾斜面上日落时角，Φ是光伏供电系统的当地纬度。单片机可以从实时时钟电路和GPS模块分别获得实时时间和采集地点的经度、纬度。

太阳赤纬随季节变化，按照库珀(Cooper)方程，由下式计算：

$\mathrm{\δ}=23.45\sin [360\×\frac{284+n}{365}]$

式中，n为一年中之天数，如：在春分，n＝81，则δ＝0。

太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角＝0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，可得出日出日落时角表达式：

cosh＝-tgΦtgδ

式中，h——日出或日落时角，以度表示，正为日落时角(即h_s)，负为日出时角。对于北半球，当-1≤-tgΦtgδ≤+1，有h_s＝arcos(-tgΦtgδ)。

本发明采用各向异性的Hay模型进行水平面散射辐射强度和斜面散射辐射强度计算，即倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为：

$H_{\mathrm{dt}}=H_d[\frac{H_b}{H_o}{R}_b+\frac{1}{2}(1-\frac{H_b}{H_o})(1+\cos \mathrm{\β})]---\left(4\right)$

式中，H₀为大气层外水平面上太阳辐射量，β为倾角。

根据公式(1)，(2)，(3)，(4)，通过测试太阳电池202测试的水平面与斜面总辐射量，结合测试点经纬度位置与测试时间，可以计算出H_b(水平面的直接辐射强度)，H_d(水平面的散射辐射强度)，H_bt(斜面的直接辐射强度)，H_dt(斜面的散射辐射强度)值。单片机控制显示器显示这些数值，更直观化。

另外，由于I_bk与并联电阻通过的电流存在，太阳电池202实际输出电流与辐射强度并非成线性关系，传统简单的太阳电池202作为辐射强度传感器，在低辐射情况，测试误差大。本发明可以根据太阳电池202的I/V(电流/电压)特性挑选辐射传感器的封装电池与材料同时，采用低辐射非线性修订方法进行校正。即：当辐射强度低于200W/m²时，通过测试作为传感器的太阳电池202的内部并联电阻R_sh与测试短路电流电路中的串联电阻R，对辐射测试过程中电池产生的电流值I，加上漏电流值进行修订，其中V取I×R，I_bk(V)为通过测试太阳电池标准状况下IV特性计算获得。最后利用修订后的电流值计算总辐射强度。

便携式辐射计采用两或多组太阳电池202作为辐射传感器，并将太阳电池202、控制电路硬件集成在可手持的一体化小型组件上。输出测试点的水平面直接辐射强度、水平面散射辐射强度、斜面直接辐射强度、斜面散射辐射强度。

当然，单片机也可以控制显示器显示水平面总辐射强度H与斜面总辐射强度H_T。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.便携式太阳辐射测试仪，包括外部壳体，其特征在于，所述外部壳体表面设置有至少一个水平面太阳电池单元和一个斜面太阳电池单元，所述水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元均包括太阳电池和太阳电池外侧的保护层，所述水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元分别通过导线与外部壳体内部的控制电路板相连，所述控制电路板包括分别与水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元相连的第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路和第二采样电路分别与第一AD转换器和第二AD转换器相连，所述第一AD转换器和第二AD转换器与单片机相连，所述单片机还与显示器相连。

2.根据权利要求1所述的便携式太阳辐射测试仪，其特征在于，所述水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元均还包括包裹太阳电池的硅胶封装层，所述保护层位于硅胶封装层外侧。

3.根据权利要求2所述的便携式太阳辐射测试仪，其特征在于，所述保护层是聚四氟乙烯层或聚碳酸酯层。

4.根据权利要求1所述的便携式太阳辐射测试仪，其特征在于，所述单片机还分别与实时时钟电路、GPS模块相连。

5.便携式太阳辐射测试仪的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：初次使用前，对水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元的太阳电池均进行大于20KWh/m²的光衰减；

S02：水平面太阳电池单元和斜面太阳电池单元分别采集太阳总辐射，经采样电路获得太阳电池产生的相对应的电流值并传送至单片机；

S03：单片机从实时时钟电路和GPS模块分别获得实时时间和采集地点的经度、纬度；

S04：单片机计算水平面直接辐射强度、水平面散射辐射强度、斜面面直接辐射强度和斜面散射辐射强度。

6.根据权利要求5所述的便携式太阳辐射测试仪，其特征在于，在步骤S02中，当太阳总辐射强度低于200W/m²时，对辐射测试过程中太阳电池产生的电流值进行非线性修订。

7.根据权利要求5所述的便携式太阳辐射测试仪，其特征在于，在步骤S05中，采用各向异性的Hay模型进行水平面散射辐射强度和斜面散射辐射强度计算。