CN106768314A - 一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置和方法，其装置包括水平、正南、西南和东南四个太阳电池单元以及支撑架，水平太阳电池单元在支撑架上水平放置，正南太阳电池单元在支撑架上以方位角为0度及与水平面夹角为β的正南方向放置，西南太阳电池单元在支撑架上以方位角为α度及与水平面夹角为β的西南方向放置，东南太阳电池单元在支撑架上以方位角为‑α度及与水平面夹角为β的东南方向放置，四个太阳电池单元接受太阳辐照信号并经过采样电路将辐照信号传输到单片机进行运算得到正南面太阳直射、散射实时辐照强度。本发明通过优化保证太阳电池的长期使用的稳定可靠性，可运用于光伏发电站发电预测、评估与最佳倾角设计。

Description

一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置和方法，属于太阳光辐照计算技术领域。

背景技术

太阳能是可再生并且用之不竭的能源，已被广泛运用到日常生活和生产中；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。总太阳辐射可以通过光电或者光热探测器的辐照计测量出来。然而，直接或散射辐射数据需要通过其他的设备来测量，例如通过太阳跟踪器来跟踪太阳的运行轨迹和太阳遮光装置。整体上说，通过一个高精度的直接太阳辐照计安装在一个跟踪器上去获取太阳辐射中的直接太阳辐射，散射成分则通过安装在跟踪装置上的遮光环或者遮光球遮住直接太阳辐射测量得到。这个过程只要跟踪器可以准确跟踪太阳轨迹精度可大大提高，但设备价格昂贵，光伏行业运用还不是很广泛。并且，机械跟踪装置也有失败的风险和维护问题，这些问题从污染清洁到跟踪器装置都存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置和方法，能够快速准确地计算得到正南朝向平面上的直射辐射强度和散射辐射强度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置包括：水平太阳电池单元、正南太阳电池单元、西南太阳电池单元、东南太阳电池单元以及用于支撑太阳电池单元的支撑架；

所述水平太阳电池单元在支撑架上水平放置，所述正南太阳电池单元在支撑架上以方位角为0度及与水平面夹角为β的正南方向放置，所述西南太阳电池单元在支撑架上以方位角为α，α>0度及与水平面夹角为β的西南方向放置，所述东南太阳电池单元在支撑架上以方位角为-α度及与水平面夹角为β的东南方向放置；所述方位角指太阳电池单元法线方向在水平面的投影与正南方向的夹角，所述与水平面夹角β是测试地点通过PVsyst软件模拟出的光伏组件并网系统最佳倾角；

所述四个太阳电池单元各自连接一个采样电路，所述采样电路均连接单片机。

前述的四个太阳电池单元所有特性均相同并进行光谱失配修订、低辐照修订。

前述的四个太阳电池单元均包括保护外壳、太阳电池、包裹太阳电池的硅胶封装层以及起保护作用的聚四氟乙烯层。

前述的采样电路是指与太阳电池单元的太阳电池相连的串联电阻、与串联电阻相联的AD转换器构成的电路；四个采样电路完全相同。

前述的单片机具有实时时钟功能、GPS功能和显示功能。

前述的方位角的确定公式如下：

cosθ_i>＝0 (1)

其中，θ_i为太阳直射光与i，i＝s，h，se，sw面法线方向的夹角，i取值为s代表正南方向平面，h为水平面，se为东南方向平面，sw为西南方向平面，则θ_s表示太阳直射光与正南方向平面法线方向的夹角，θ_se表示太阳直射光与东南方向平面法线方向的夹角，θ_sw表示太阳直射光与西南方向平面法线方向的夹角，

δ为太阳赤纬角，δ＝23.45(360(284+n)/365)，其中，n为日期号，

为辐照测量仪器安装位置的纬度；

ω为时角，ω＝15(ST-12),ST＝T+(LO-120)/15，ST为地方时，T为北京时间，LO为测试点的经度，ω的范围是[-60°，60°]，保证地方时早八点至下午四点都有直射光射入四个太阳电池单元。

确定正南面太阳直射散射实时辐照的方法，包括如下步骤：

1)初次使用前，首先对四个太阳电池单元均进行大于20KWh/m²的光衰减；然后通过PVsyst软件模拟出该地区光伏组件并网系统最佳倾角β作为辐照装置的太阳电池单元与水平面的夹角；然后选择地方时早八点至下午四点有直射光射入四个太阳电池单元的夹角作为辐照装置的西南太阳电池单元及东南太阳电池单元的方位角；

2)将正南太阳电池单元朝正南方向放置，采集辐照；

3)通过四个太阳电池单元的采样电路将四个方向上的总辐照信号送到单片机中进行运算；

4)单片机计算得到正南方向平面上太阳散射辐照强度、直接辐照强度及总辐照强度，并在显示器上显示。

前述的步骤4)中，正南方向平面上太阳直接辐照强度由四块太阳电池单元测量得到的总辐照强度经过光谱失配修正、低辐照修正计算得到，计算公式如下：

其中，I_s为正南方向平面上太阳直接辐照强度，G_se为东南方向平面的总辐照强度，G_sw为西南方向平面的总辐照强度，θ_s表示太阳直射光与正南方向平面法线方向的夹角，θ_se表示太阳直射光与东南方向平面法线方向的夹角，θ_sw表示太阳直射光与西南方向平面法线方向的夹角；

正南方向平面上太阳散接辐照强度为：

D_s＝G_s-I_s (8)

其中，D_s为正南方向平面上太阳散接辐照强度，G_s为正南方向平面的总辐照强度。

本发明有益效果是：采用至少四块太阳电池片作为辐照传感器，采集不同方位的总辐射数据，通过光谱失配修订、低辐照修订准确计算出太阳直接辐射强度，进一步准确计算出任意正南方向斜面上的直射辐射强度、散射辐射强度和总辐照强度，通过优化保证太阳电池的长期使用的稳定可靠性，可运用于光伏发电站发电预测、评估与最佳倾角设计。

附图说明

图1为太阳辐照测量装置的整体示意图；

图2为太阳辐照测量装置的简易等效电路图；

图3为太阳辐照测量流程图；

图4为太阳法向直射辐射与某平面的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的确定正南朝向平面上太阳直射散射实时辐照的装置，至少采用四个太阳电池单元作为太阳辐照传感器，包括：水平太阳电池单元、正南太阳电池单元、西南太阳电池单元、东南太阳电池单元以及用于支撑整个装置的支撑架。应当说明的是，四个太阳电池单元除位置不一样外其他特性均相同并进行光谱失配修订、低辐照修订。

这里的水平太阳电池单元表示水平放置，正南太阳电池单元表示方位角为0度及与水平面夹角为β的正南方向放置，西南太阳电池单元表示方位角为α(α>0)度及与水平面夹角为β的西南方向放置，东南太阳电池单元表示方位角为-α度及与水平面夹角为β的东南方向放置。方位角指太阳电池单元法线方向在水平面的投影与正南方向的夹角，β是测试地点通过PVsyst软件模拟出的光伏组件并网系统最佳倾角。

西南太阳电池单元及东南太阳电池单元以α度、-α度为电池面方位角，可保证各电池面都有在一年内地方时早晨九点至地方时下午三点之间有直射光射入。

方位角α确定公式如下：

cosθ_i>＝0 (1)

其中，θ_i为太阳直射光与i(i＝s，h，se，sw)面法线方向的夹角，i取值为s代表正南方向平面，h为水平面，se为东南方向平面，sw为西南方向平面，则θ_s表示太阳直射光与正南方向平面法线方向的夹角，θ_se表示太阳直射光与东南方向平面法线方向的夹角，θ_sw表示太阳直射光与西南方向平面法线方向的夹角。

δ为太阳赤纬角，δ＝23.45(360(284+n)/365)，其中n为日期号，例如一月一日时，n为1；

为辐照测量仪器安装位置的纬度；

ω为时角，ω＝15(ST-12),ST＝T+(LO-120)/15，ST为地方时，T为北京时间，LO为测试点的经度，ω的范围是[-60°，60°]，保证地方时早八点至下午四点有直射光射入四个太阳电池单元。

四个太阳电池单元包括了保护外壳、太阳电池、包裹太阳电池的硅胶封装层以及起保护作用的聚四氟乙烯层。

如图2所示，四个太阳电池单元接受太阳辐照信号并各自经过水平采样电路、正南采样电路、西南采样电路及东南采样电路将辐照信号传输到单片机进行运算。

水平采样电路是指与水平太阳电池单元的太阳电池相连的串联电阻、与串联电阻相联的AD转换器构成的电路，正南采样电路、西南采样电路、东南采样电路具备相同的电路结构。采样电路将辐照信号转换成电压信号，然后转换成数字信号传输到单片机进行运算。

如图3为本发明的太阳辐照测量流程图，具体步骤如下：

S1：初次使用前，首先对四个太阳电池单元均进行大于20KWh/m²的光衰减；然后通过PVsyst软件模拟出该地区光伏组件并网系统最佳倾角β作为太阳辐照测量装置的西南太阳电池单元，正南太阳电池单元和东南太阳电池单元与水平面的夹角；然后选择地方时早八点至下午四点有直射光射入四个太阳电池单元的方位角α作为太阳辐照测量装置的西南太阳电池单元及东南太阳电池单元的方位角。

S2：将正南太阳电池单元朝正南方向放置，采集辐照；

S3：通过四个太阳电池单元的采样电路将四个方向上的总辐照信号送到单片机中进行运算；

S4：根据上述计算的数据，单片机计算得到正南方向平面上太阳散射辐照强度、直接辐照强度及总辐照强度，并在显示器上显示。

其中，步骤S4中的太阳直接辐照强度可由四块太阳电池单元测量得到的总辐照强度经过光谱失配修正、低辐照修正计算得到。

本装置采用太阳电池片作为传感器，其可吸收太阳光谱波段远小于热电堆型辐照测量装置，势必带来误差，所以需要对各种天气情况下采集光谱数据、太阳电池产生的电量(电流、电压)及实际辐照值，修正各种天气情况下电量与辐照强度的关系。此外，在辐照强度较低的时候，电流与辐照强度的线性关系不明显，通过分析太阳电池两段电量、太阳辐照强度、太阳电池温度的关系，修正低辐照情况时，电量与辐照强度的关系。

根据图4所示的几何关系以及辐照强度，太阳直接辐照在经过大气衰减后到达地面某处时，垂直于太阳光方向的单位面积上所获得太阳辐照强度，称为法向直接辐照强度I_b，各面上直接辐照强度计算方法为：

I_i＝I_bcosθ_i (3)

其中，I_i为i面的直接辐照强度，i＝s，h，se，sw，I_s代表正南方向平面的直接辐照强度，I_h为水平面的直接辐照强度，I_se为东南方向平面的直接辐照强度，I_sw为西南方向平面的直接辐照强度。

根据现有散射模型认为水平面散射辐照以及其他平面散射辐照是存在系数关系，可表示为：

D_i＝D_hR_i (4)

其中，D_i为i面散射辐照强度，i＝s，h，se，sw，D_s代表正南方向平面的散射辐照强度，D_h为水平面的散射辐照强度，D_se为东南方向平面的散射辐照强度，D_sw为西南方向平面的散射辐照强度。R_i为水平面散射辐照强度和i面散射辐照强度的转换系数，i取h时，R_h的值为1，i为se与sw时，水平面散射辐照强度和西南单元散射辐照强度的转化系数以及水平面散射辐照强度和东南单元散射辐照强度的转化系数相等，即取R_se＝R_sw。在计算过程中，R_se和R_sw起到辅助计算效果，不需要给出具体数值。

所以水平太阳电池单元，东南太阳电池单元，西南太阳电池单元以及正南太阳电池单元的总辐照表示为：

G_i＝D_i+I_i (5)

其中，G_i为i面上总辐照强度，i＝s，h，se，sw，则，G_s代表正南方向平面的总辐照强度，G_se为东南方向平面的总辐照强度，G_sw为西南方向平面的总辐照强度。

根据公式(3)(4)(5)，正南方向平面的直射辐照强度I_s以及散射辐照强度转换系数R_s最终计算结果为：

所以正南方向平面的散射辐照强度表示为：

D_s＝G_s-I_s (8)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置，其特征在于，包括：水平太阳电池单元、正南太阳电池单元、西南太阳电池单元、东南太阳电池单元以及用于支撑太阳电池单元的支撑架；

所述水平太阳电池单元在支撑架上水平放置，所述正南太阳电池单元在支撑架上以方位角为0度及与水平面夹角为β的正南方向放置，所述西南太阳电池单元在支撑架上以方位角为α，α>0度及与水平面夹角为β的西南方向放置，所述东南太阳电池单元在支撑架上以方位角为-α度及与水平面夹角为β的东南方向放置；所述方位角指太阳电池单元法线方向在水平面的投影与正南方向的夹角，所述与水平面夹角β是测试地点通过PVsyst软件模拟出的光伏组件并网系统最佳倾角；

所述四个太阳电池单元各自连接一个采样电路，所述采样电路均连接单片机。

2.根据权利要求1所述的一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置，其特征在于，所述四个太阳电池单元所有特性均相同并进行光谱失配修订、低辐照修订。

3.根据权利要求1所述的一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置，其特征在于，所述四个太阳电池单元均包括保护外壳、太阳电池、包裹太阳电池的硅胶封装层以及起保护作用的聚四氟乙烯层。

4.根据权利要求3所述的一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置，其特征在于，所述采样电路是指与太阳电池单元的太阳电池相连的串联电阻、与串联电阻相联的AD转换器构成的电路；四个采样电路完全相同。

5.根据权利要求1所述的一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置，其特征在于，所述单片机具有实时时钟功能、GPS功能和显示功能。

6.根据权利要求1所述的一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置，其特征在于，所述方位角的确定公式如下：

cosθ_i>＝0 (1)

其中，θ_i为太阳直射光与i，i＝s，h，se，sw面法线方向的夹角，i取值为s代表正南方向平面，h为水平面，se为东南方向平面，sw为西南方向平面，则θ_s表示太阳直射光与正南方向平面法线方向的夹角，θ_se表示太阳直射光与东南方向平面法线方向的夹角，θ_sw表示太阳直射光与西南方向平面法线方向的夹角，

δ为太阳赤纬角，δ＝23.45(360(284+n)/365)，其中，n为日期号，

为辐照测量仪器安装位置的纬度；

ω为时角，ω＝15(ST-12),ST＝T+(LO-120)/15，ST为地方时，T为北京时间，LO为测试点的经度，ω的范围是[-60°，60°]，保证地方时早八点至下午四点都有直射光射入四个太阳电池单元。

7.利用权利要求1至6任意一项所述的一种确定正南面太阳直射散射实时辐照的装置确定正南面太阳直射散射实时辐照的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)初次使用前，首先对四个太阳电池单元均进行大于20KWh/m²的光衰减；然后通过PVsyst软件模拟出该地区光伏组件并网系统最佳倾角β作为辐照装置的太阳电池单元与水平面的夹角；然后选择地方时早八点至下午四点有直射光射入四个太阳电池单元的夹角作为辐照装置的西南太阳电池单元及东南太阳电池单元的方位角；

2)将正南太阳电池单元朝正南方向放置，采集辐照；

3)通过四个太阳电池单元的采样电路将四个方向上的总辐照信号送到单片机中进行运算；

4)单片机计算得到正南方向平面上太阳散射辐照强度、直接辐照强度及总辐照强度，并在显示器上显示。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，正南方向平面上太阳直接辐照强度由四块太阳电池单元测量得到的总辐照强度经过光谱失配修正、低辐照修正计算得到，计算公式如下：

$I_s=\frac{G_{se}-G_{sw}}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_{se}\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_{sw}\right)}\cos \left({\mathrm{\θ}}_s\right)---\left(6\right)$

其中，I_s为正南方向平面上太阳直接辐照强度，G_se为东南方向平面的总辐照强度，G_sw为西南方向平面的总辐照强度，θ_s表示太阳直射光与正南方向平面法线方向的夹角，θ_se表示太阳直射光与东南方向平面法线方向的夹角，θ_sw表示太阳直射光与西南方向平面法线方向的夹角；

正南方向平面上太阳散接辐照强度为：

D_s＝G_s-I_s (8)

其中，D_s为正南方向平面上太阳散接辐照强度，G_s为正南方向平面的总辐照强度。