CN105352597B - 一种辐照传感器用太阳电池最优外接串联电阻的选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辐照传感器用太阳电池最优外接串联电阻的选择方法，可在不用测试太阳电池I‑V曲线的情况下，保证不同辐照强度与对应的电流呈线性关系，从而保障以太阳电池板作为传感器的一类辐照仪测试值的准确性。本发明方法为对于某一型号的电池板，只需确定其在标准测试条件下的开路电压Uoc、短路电流Isc，选择阻值R在范围内的电阻作为太阳电池板的串联电阻，则可在一定精度范围内保证辐照强度与电流的线性关系。

Description

一种辐照传感器用太阳电池最优外接串联电阻的选择方法
技术领域
本发明涉及一种辐照传感器用太阳电池最优外接串联电阻的选择方法，属于光伏系统技术领域。
背景技术
随着光伏系统的发展，光伏效率的评估显得尤为重要。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。而光伏效率评估的辐照强度的计算主要靠太阳辐射传感器实现，一种是由组合热电堆电路组成，能较准确反应辐射强度，但不能体现辐射光谱差异对光伏发电到来的影响。另一种则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。
以太阳电池作为总辐射传感器的基本原理是：太阳电池将辐照强度值转换为短路电流值，再通过串联高精度电阻作为负载将其转换为电压值，最后将电阻与单片机相连，单片机采集负载两端的电压信号进行运算，如图1所示，最终将辐照值在液晶显示屏上(LCD)显示出来。与测量过程相关的参数分别为：负载两端的电压值U(单位：V)，流过负载的电路值I(单位：A)，电阻值R(单位：Ω)，辐照强度H(单位：W/m2)。
在一定辐照强度下，负载R从0变到无穷大时，测得其两端电压U和流过的电流I之间呈如图2所示的曲线，即太阳能板的伏安特性曲线(I-V曲线)，图中Uoc：开路电压，为在一定温度和辐照度条件下，太阳能电池在空载(开路)情况下的端电压；Isc：短路电流，为在一定的温度和辐照度条件下，太阳电池在端电压为零时的输出电流。
在一定太阳辐照度和工作温度条件下，伏安特性曲线上的任何一点都是工作点，工作点和原点的连线称为负载线，负载线斜率的倒数即为负载电阻R的值，与工作点对应的横坐标称为工作电压U，纵坐标为工作电流I。当辐照强度变化时，我们期望负载两端的电流与辐照值呈线性(或近似线性)关系，这样当单片机采集到负载两端电压信号后即可直接乘以一个系数K(K值由实验得出)从而得到辐照值。如对某组件的测试有如下表1数据：
表1某组件在不同辐照强度下的电压电流测试数据
其辐照强度与电流关系曲线如图3所示。
然而我们在测试辐照计的过程中发现，太阳能电池板所接负载阻值大小的不同对上述线性关系影响很大，说明以太阳电池作为传感器，选择合适的负载至关重要。
发明内容
本发明提供一种辐照传感器用太阳电池最优外接串联电阻的选择方法，保障以太阳能电池板作为传感器测量辐照强度的一类辐照测试仪的测试精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种辐照传感器用太阳电池最优外接串联电阻的选择方法，包括以下步骤：
1)测试出太阳电池在标准辐照强度下的开路电压Uoc和短路电流Isc；
2)利用公式求出对应的电阻值R；
3)在范围内选择电阻作为太阳电池的外接串联电阻R外。
按本发明方法快捷选择太阳电池板最优化串联电阻，可在不用测试太阳电池的I-V曲线的情况下，保证不同辐照强度与对应的工作电流呈线性关系，最终保障辐照仪测试值的准确性。
附图说明
图1为采用太阳电池作为太阳总辐射传感器的太阳电池与负载、单片机的连接原理图；
图2为太阳电池的伏安特性曲线；
图3为表1所测试的组件的辐照强度与电流关系曲线；
图4为太阳电池的伏安特性曲线中的最佳负载电阻；
图5为太阳电池在不同辐照强度下的I-V曲线图；
图6为图5的不同辐照强度下的太阳电池连接不同负载的负载线示意图；
图7为负载电阻时，工作电流I与辐照强度H的关系图；
图8为负载电阻时，工作电流I与辐照强度H的关系图；
图9为负载电阻时，工作电流I与辐照强度H的关系图；
图10为负载电阻时，工作电流I与辐照强度H的关系图；
图11为单片机采集负载电压信号测量辐照强度的流程图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式详细对本发明作进一步详细说明。
如图4所示，在太阳电池的伏安特性曲线上，当负载电阻RL为某一值Rm时，在曲线上得到一点M，使得对应的工作电流Im和工作电压Um的乘积(功率)为最大，则此时的Im为最佳工作电流，Um为最佳工作电压，Rm为最佳负载电阻。
其中，
其中，Iph为太阳电池的光生电流；I0为与暗电流相关的指数前因子；q为单位电荷量；A为二极管因子；k为普朗克常量；T为太阳电池PN结的绝对温度。
系数I0,A,k,T由太阳电池本身结构决定。
现有技术中，可用式(1)、(2)、(3)确定最佳负载电阻大小，但繁琐的计算过程不可避免。相比之下，本发明采用通过测量太阳电池的Uoc与Isc来确定选择负载电阻范围则要方便得多。
为确定最终串联电阻选择范围，本发明将通过分析以下各种情况下，不同串联电阻值对太阳电池板工作电流、电压、辐照值之间关系的影响，证明其合理性。
为了更形象地描述上述关系，以一块某型号的太阳能电池板为例，测试出其在辐照强度分别为1000W/m2,800W/m2,600W/m2,400W/m2,200W/m2时对应的开路电压Uoc与短路电流Isc，然后在太阳能电池板两端串联一个可变电阻，分别在上述各辐照强度下，通过不断改变其阻值，得到数十组可变电阻两端的电压值以及电流值，输入Excel，最终绘制出伏安特性曲线如图5所示。
负载电阻值的确定：
(1)取负载电阻时
前述已提及，伏安特性曲线上某一点与坐标原点的连线称为负载线，其斜率的倒数为所接负载R的电阻值。由图5中读出，在1000W/m2辐照强度下，Isc＝88mA＝0.088A，Uoc＝6.05V，令
在图5上过原点以为斜率作直线与I-V曲线相交，如图6中的负载线I所示，读出各交点数据如下表2所示：
之前已将所测数据输入Excel得到I-V曲线图如图5所示，此时作出负载线与I-V曲线相交后，即可在图5中查看得到各交点数据的值。
表2负载线I与I-V曲线相交的电压电流数据
H(W/m^2) U(V) I(A)
1000 4.95 0.072
800 4.36 0.067
600 3.44 0.053
400 2.28 0.035
200 1.09 0.018
0 0 0
作工作电流I与辐照强度H的关系图如图7所示，
误差分析：
从图7中的拟合直线看，此时电流与辐照强度的线性关系并不是十分显著，这是因为在此电阻值下，太阳电池的工作点部分位于伏安特性曲线上不平坦的“下降”区域，与太阳电池在短路电流值下所呈标准线性关系相比，其误差计算如下表3：
表3电流误差计算
H(W/m2) I＝Isc(A) IR＝Uoc/Isc(A) 误差
0 0 0 0.00％
200 0.017664 0.018 -1.90％
400 0.035328 0.035 0.93％
600 0.052992 0.053 -0.02％
800 0.070656 0.067 5.17％
1000 0.08832 0.072 18.48％
随着辐照强度的增强，误差逐步增大。初步推断只有让太阳电池工作在伏安特性曲线相对平直的区域，才可减小误差。
(2)取负载电阻时，
此时R＝34.25Ω，同理作如图6中的负载线II与各辐照强度下的I-V曲线相交，读出各点数据如下表4：
表4负载线II与I-V曲线相交的电压电流数据
H(W/m^2) U(V) I(A)
0 0 0
200 0.505 0.0176
400 1.093 0.035
600 1.746 0.053
800 2.303 0.0706
1000 3.014 0.0881
作辐照强度H与工作电流I的关系如图8所示，
线性误差计算如下表5：
表5电流误差计算
H(W/m2) I＝Isc(A) IR＝0.5Uoc/Isc(A) 误差
0 0 0 0
200 0.017664 0.0176 0.36％
400 0.035328 0.035 0.93％
600 0.052992 0.053 -0.02％
800 0.070656 0.0706 0.08％
1000 0.08832 0.0881 0.25％
结合图8和表5分析可知，此时辐照强度H与电流I呈近线性关系，与太阳电池在短路电流值下所呈标准线性关系相比，其误差不超过1.0％，故选择满足线性要求。
精度分析：
假设所用单片机AD转换模块基准电压为5V，ADC位数为8，则其分辨率(数字量变化一个最小刻度时，模拟信号的变化量)为：5÷(28-1)＝0.02V，设某时刻辐照变化ΔH'，电压变化ΔU，则，辐照变化精度ΔH由以下关系计算：
从而
由表4中数据读出1000W/m2时对应的U＝3.014V,I＝0.081A，800W/m2时对应的U＝2.303V,I＝0.0706A，当辐照从1000W/m2变化为800W/m2时，电压变化为ΔU＝3.014V-2.303V＝0.711V。模拟信号每改变0.02V，对应辐照强度的变化量(精度)为
(3)取负载电阻时，
此时R＝22.8Ω，同理作如图6中的负载线III，并读出以下数据：
表6负载线III与I-V曲线相交的电压电流数据
作辐照强度H与工作电流I的关系如图9所示，
精度分析：
同样，由表6中数据读出1000W/m2时对应的U＝2.009V,I＝0.088A，800W/m2时对应的U＝1.612V,I＝0.0707A，当辐照从1000W/m2变化为800W/m2时，电压变化为ΔU＝2.009V-1.612V＝0.397V。模拟信号每改变0.02V，对应辐照强度的变化量为
(4)取负载电阻时，
若取R＝3Ω，同理作如图6中的负载线Ⅳ与各辐照强度下的I-V曲线相交，由图6可知，该负载线位于I-V曲线上比较平坦的区域，且若拟合出H-I曲线，H与I必然满足线性关系。但不难发现，该负载线斜率过大，这就意味着当辐照强度发生改变时，电流值也相应做出改变，而电压值的变化微乎其微。由于单片机AD转换模块采集的是负载两端的电压信号，倘若精度不高，便无法“感受”到电压信号的微小变化；相反，若电压值有稍大一点的改变，将引起辐照强度发生巨大变化，不管是哪种情况终将使得辐照计无法正确显示出实时辐照值。例如，从负载线Ⅳ上读出1000W/m2时对应的U＝0.264V,I＝0.088A，800W/m2时对应的U＝0.2118V,I＝0.0706A，当辐照从1000W/m2变化为800W/m2时，电压变化为ΔU＝0.264V-0.2118V＝0.0522V。同理模拟信号每改变0.02V，对应辐照强度的变化量为
因此，当时，辐照计精度不高。
(5)当
上述已提及，若模块分辨率为0.02V，某时刻辐照变化ΔH'，电压变化ΔU，辐照变化精度可见要提高辐照精度，可通过增大负载阻值实现。
取R＝500Ω，同理作出如图6中的负载线Ⅴ与各辐照强度下的I-V曲线相交，读出各点数据如下表7：
表7负载线V与I-V曲线相交的电压电流数据
H(W/m2) U(V) I(A)
0 0 0
200 4.823 0.01
400 5.358 0.011
600 5.626 0.0121
800 5.733 0.01244
1000 5.9 0.01284
当辐照强度H从1000W/m2变化到800W/m2时，辐照精度可以保证。
作辐照强度H与工作电流I的关系如图10所示，
误差分析如下表8：
表8电流误差计算
H(W/m2) I＝Isc(A) IR》Uoc/Isc(A) 误差
0 0 0 0.00％
200 0.017664 0.01 43.39％
400 0.035328 0.011 68.86％
600 0.052992 0.0121 77.17％
800 0.070656 0.01244 82.39％
1000 0.08832 0.01284 85.46％
从图10的拟合曲线可以看出，虽然此时辐照精度已得以保证，但电流与辐照强度已无线性关系，故当(即R过大)时，单片机采集到的电压信号无法直接通过乘以实验系数K得到辐照值。
综合以上分析，在确定Uoc和Isc后，不必通过测试太阳电池I-V曲线即可确定最优串联电阻阻值，只要选择串联电阻值R在范围内，便可保障所测辐照精度在10W/m2内，电流与辐照强度满足良好的线性关系。
如图11所示，采用本发明的方法后，采用太阳电池作为太阳总辐射传感器计算到达光伏方阵表面辐照强度的方法为：选择特定型号的太阳电池板，测量其在1000W/m2的辐照强度下的开路电压Uoc和短路电流Isc，然后在太阳电池板两端串联负载电阻，所串联的负载电阻的阻值选择范围内，将单片机AD转换模块与负载电阻两端相连，单片机采集负载电阻两端的电压信号，通过计算即可显示出到达太阳电池板上的辐照强度。

Claims (1)

1.一种辐照传感器用太阳电池最优外接串联电阻的选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)测试出太阳电池在标准辐照强度下的开路电压Uoc和短路电流Isc；
2)利用公式求出对应的电阻值R；
3)在范围内选择电阻作为太阳电池的外接串联电阻R外。
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