便攜式智能太陽(yáng)輻照傳感器

蔡一凡，張 臻，，劉 升，全 鵬

(1．河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 2130312；2．天合光能有限公司，光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213031)

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便攜式智能太陽(yáng)輻照傳感器

蔡一凡1，張 臻1，2，劉 升1，全 鵬2

(1．河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 2130312；2．天合光能有限公司，光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213031)

針對(duì)目前太陽(yáng)能散射輻射測(cè)試難問題，設(shè)計(jì)了一種新型便攜式智能太陽(yáng)輻照傳感器，該裝置主要利用水平、傾斜太陽(yáng)電池接收太陽(yáng)總輻照量，結(jié)合測(cè)試時(shí)間與測(cè)試地點(diǎn)，計(jì)算并通過顯示屏顯示該測(cè)試點(diǎn)的水平面直接輻照強(qiáng)度、水平面散射輻照強(qiáng)度、斜面直接輻照強(qiáng)度、斜面散射輻照強(qiáng)度。根據(jù)自行設(shè)計(jì)的輻照傳感器結(jié)合計(jì)算模型得出的散射與直射輻照值與氣象站直接測(cè)量值相比，誤差在5%以內(nèi)，這是由于空氣灰粒、與氣象站傳感器表面臟污等因素造成。

傳感器；光伏；太陽(yáng)電池；太陽(yáng)輻射

0 引言

目前世界各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能的利用越來(lái)越重視，促使光伏系統(tǒng)安裝容量的快速增長(zhǎng)，光伏系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)估體系需要建立，其中最重要的一點(diǎn)是光伏系統(tǒng)效率評(píng)估[1]。系統(tǒng)效率一般是實(shí)際發(fā)電輸出與到達(dá)光伏方陣表面輻照總量的比值，輻照的準(zhǔn)確、快速測(cè)量對(duì)系統(tǒng)效率評(píng)估至關(guān)重要[2]。

采集輻照量的方法很多，但以傳遞信號(hào)的方式主要有2種：一種是總?cè)丈鋸?qiáng)度計(jì)[3]，此方法簡(jiǎn)單卻不能直觀地反映出輻照值；另一種是熱反應(yīng)堆傳感器[4]，其能較準(zhǔn)確地反應(yīng)輻射強(qiáng)度，但不能體現(xiàn)輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電到來(lái)的影響。因此，高效的輻照傳感器仍是熱點(diǎn)。

本文主要利用多組不同傾斜角度太陽(yáng)能板收集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算出水平面、斜面的直接輻照、散射輻照數(shù)據(jù)，消除輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電的影響[5]。進(jìn)一步地，通過優(yōu)化保證太陽(yáng)電池長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定可靠性、測(cè)試準(zhǔn)確性。

1 便攜式智能太陽(yáng)輻照傳感器設(shè)計(jì)方案

圖1為該裝置外觀圖，其采用不同傾角的太陽(yáng)電池作為輻照傳感器，并將太陽(yáng)電池、控制電路硬件、顯示屏集成在可手持的一體化小型組件上，一般其設(shè)置水平和傾斜的兩塊太陽(yáng)能板，如若需較高精度，則可設(shè)置多組太陽(yáng)能板。

圖1 便攜式智能太陽(yáng)輻照測(cè)試儀效果圖

圖2為太陽(yáng)電池傳感器結(jié)構(gòu)圖，由于水平和傾斜太陽(yáng)電池僅僅是傾角不同，所以在這里一并說(shuō)明。太陽(yáng)電池傳感器由光伏電池作為傳感器，其接受太陽(yáng)輻照后正負(fù)極獲得電勢(shì)差，從而電路產(chǎn)生電流，將電流轉(zhuǎn)換成電壓后由ADC(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)采樣，單片機(jī)對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到此刻的水平、傾斜面的直射、散射量。電路中獲得電流、電壓有2種方法：一種為電阻法，采用小阻值電阻和太陽(yáng)電池相連，將太陽(yáng)電池電流轉(zhuǎn)換為電壓值；另一種為霍爾傳感器法，先在半導(dǎo)體薄片兩端通電流，并在薄片垂直方向加以磁感應(yīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上，將產(chǎn)生霍爾電流，由霍爾電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓值。

圖2 便攜式智能太陽(yáng)輻照傳感器結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)電路供電可以采用光伏電池供電，或另接外部穩(wěn)壓電源。電源電路中，首先經(jīng)過電容組成的濾波電路對(duì)光伏電池電源濾波，并采用了防反二極管，防止電源反接，起到保護(hù)電路的作用。之后經(jīng)過穩(wěn)壓芯片，將穩(wěn)壓后的輸出進(jìn)行二次濾波，即可用于電路供電。根據(jù)太陽(yáng)電池實(shí)際I/V參數(shù)，采用低輻照補(bǔ)償策略提升測(cè)試精度。

該裝置克服現(xiàn)有熱電堆輻照計(jì)與總?cè)丈鋸?qiáng)度計(jì)的缺陷，同時(shí)測(cè)量出散射、直射輻照值，這是傳統(tǒng)便攜式輻照測(cè)試設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)的，因此其解決了聚光光伏電站中發(fā)電性能評(píng)估問題；此外，本裝置解決熱電堆式輻照傳感器對(duì)光伏太陽(yáng)電池的光譜不敏感性問題，例如在大于1 100 nm的紅外光分布比例較大時(shí)，目前熱電堆型輻照傳感器測(cè)量出來(lái)的高輻照強(qiáng)度不一定對(duì)應(yīng)高的光伏系統(tǒng)發(fā)電量，本裝置能解決目前光伏電站實(shí)際性能評(píng)估時(shí)合理輻照測(cè)量問題。

2 太陽(yáng)輻照數(shù)學(xué)計(jì)算模型

2．1 輻照計(jì)算流程

圖3為便攜式智能太陽(yáng)輻照測(cè)試儀數(shù)據(jù)采集流程圖，由傳感器接收到的輻照值轉(zhuǎn)化為電流，通過測(cè)定的關(guān)系將電流值轉(zhuǎn)化成輻照量，根據(jù)測(cè)試點(diǎn)經(jīng)緯度、時(shí)間，通過輻照計(jì)算模型、低輻照修訂，計(jì)算出水平、傾斜面直射、散射輻照量。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

2．2 傳感器計(jì)算

該輻照計(jì)算采用各向異性散射模型。作為輻照傳感器的太陽(yáng)電池，在恒定光照下，其光生電流Iph不隨工作狀態(tài)而變化，故輻照穩(wěn)定時(shí)在等效電路中可將其看作是恒流源，而輻照變化時(shí)，電流與輻射到太陽(yáng)電池表面的輻照強(qiáng)度成線性關(guān)系。光生電流一部分流經(jīng)負(fù)載RL，在負(fù)載兩端建立起端電壓V，反過來(lái)又正向偏置于P-N結(jié)二極管，引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk。一個(gè)理想的P-N同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的簡(jiǎn)易等效電路如圖4所示。但是，由于電池金屬柵極與半導(dǎo)體材料之間的接觸電阻、金屬接觸與互聯(lián)、載流子在頂部擴(kuò)散層的輸運(yùn)以及半導(dǎo)體材料本身固有的體電阻，電池基區(qū)和頂層都不可避免地要引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過時(shí)，必然引起損耗。在等效電路中，可將其總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻Rs表示。由于電池邊緣的漏電和制作金屬化電極時(shí)在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負(fù)載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻Rsh來(lái)等效。通常，太陽(yáng)電池輸出電流I和輸出電壓V的關(guān)系可表示為

圖4 太陽(yáng)電池單二極管等效電路圖

由于Ibk與并聯(lián)電阻通過的電流存在，太陽(yáng)電池實(shí)際輸出電流與輻照強(qiáng)度并非呈線性關(guān)系，傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的太陽(yáng)電池作為輻照強(qiáng)度傳感器，在低輻照情況下，測(cè)試誤差大。便攜式智能太陽(yáng)輻照測(cè)試儀在根據(jù)太陽(yáng)電池I/V(電流/電壓)特性挑選輻照傳感器的封裝電池與材料同時(shí)，采用低輻照非線性修訂方法進(jìn)行校正。

2．3 輻照計(jì)算

通過太陽(yáng)電池輸出電流電壓可以計(jì)算，到達(dá)太陽(yáng)電池表面的總輻照強(qiáng)度。目前有較多計(jì)算模型可以根據(jù)水平面散射輻照強(qiáng)度、直接輻照強(qiáng)度計(jì)算一定傾角的斜面總輻照強(qiáng)度。便攜式智能太陽(yáng)輻照測(cè)試儀采用2組或多組太陽(yáng)電池作為輻照傳感器，可以測(cè)試水平面總輻照強(qiáng)度H與斜面總輻照強(qiáng)度HT?？傒椛鋸?qiáng)度等于散射輻射強(qiáng)度與直接輻射強(qiáng)度之和(不考慮反射輻射影響)：

H=Hb+Hd

(1)

HT=Hbt+Hdt

(2)

式中：Hb為水平面的直接輻照強(qiáng)度；Hd為水平面的散射輻照強(qiáng)度；Hbt為斜面的直接輻照強(qiáng)度；Hdt為斜面的散射輻照強(qiáng)度。

Hbt=Hb·Rb

(3)

式中Rb為傾斜面與水平面上直接輻射量之比。

便攜式智能太陽(yáng)輻照測(cè)試儀的散射計(jì)算采用各向異性的Hay模型，即傾斜面上天空散射輻射量是由太陽(yáng)光盤的輻射量和其余天空穹頂均勻分布的散射輻射量2部分組成，可表達(dá)為

(4)

式中：H0 為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量；β為傾角，Rb為傾斜面與水平面上直接輻射量之比，其計(jì)算表達(dá)式如下：

式中n為一年中之天數(shù)，如在春分，n=81，則δ=0。

太陽(yáng)在地平線的出沒瞬間，其太陽(yáng)高度角h=0。若不考慮地表曲率及大氣折射的影響，可得出日出日沒時(shí)角表達(dá)式：

coshs=-tanΦtanδ

式中hs為日出或日沒時(shí)角，以度表示，正為日沒時(shí)角；負(fù)為日出時(shí)角。對(duì)于北半球，當(dāng)-1≤-tanΦtanδ≤+1，有

hs=arcos(-tanΦtanδ)

根據(jù)式(1)-式(4)，通過測(cè)試太陽(yáng)電池測(cè)試的水平面與斜面總輻照量，結(jié)合測(cè)試點(diǎn)經(jīng)緯度位置與測(cè)試時(shí)間，可以計(jì)算出Hb(水平面的直接輻照強(qiáng)度)，Hd(水平面的散射輻照強(qiáng)度)，Hbt(斜面的直接輻照強(qiáng)度)，Hdt(斜面的散射輻照強(qiáng)度)的值。

2．4 模擬計(jì)算

例：2015年1月31日，上午13：06：55，在常州地區(qū)測(cè)得該時(shí)刻水平太陽(yáng)能板接收到的總輻照量為H=494 W/m2，30°傾角太陽(yáng)能板接收到的總輻照量為HT=506 W/m2，那么1月31日即n=31，按照庫(kù)珀(Cooper)方程計(jì)算得：

常州地區(qū)的緯度Φ=31．48°，則傾斜面與水平面上直接輻射量之比Rb=1．473，該日大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量H0=254．876 W/m2。代入式(1)、式(2)連列方程組可得：

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)將2個(gè)現(xiàn)有輻照測(cè)量?jī)x水平和30°傾角布置，將顯示的輻照值通過輻照計(jì)算模型進(jìn)行運(yùn)算，獲得此刻水平面直接輻照強(qiáng)度、水平面散射輻照強(qiáng)度、斜面直接輻照強(qiáng)度、斜面散射輻照強(qiáng)度。輻照測(cè)量?jī)x的布置如圖5所示。

3．2 數(shù)據(jù)分析

從氣象站得出2015年1月31日的水平面總輻照量為402．98 W/m2，散射輻照量為389．75 W/m2，散射輻照量占總輻照量的96．717%，而模擬計(jì)算中的比例為94．006%，誤差為-2．803%，一方面由于角度的誤差以及兩測(cè)量工具間有一定的誤差，另一方面由于空氣灰粒、與氣象站傳感器表面臟污等問題。

4 結(jié)論

對(duì)于提出的新型便攜式智能太陽(yáng)輻照傳感器，通過理論分析、模擬計(jì)算以及對(duì)比分析，表明該裝置具有可行性，且誤差小于5%；而其較之其他測(cè)量?jī)x有明顯的精準(zhǔn)計(jì)算水平面、斜面的直接輻照、散射輻照數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，在此特有優(yōu)勢(shì)上，又有裝置簡(jiǎn)單、操作方便、性能可靠、度數(shù)直觀的附加優(yōu)勢(shì)。在光伏發(fā)電效率評(píng)估時(shí)，尤其針對(duì)聚光、太陽(yáng)跟蹤光伏系統(tǒng)，除需要總輻照量外，也需要散射輻照、直接輻照數(shù)據(jù)。便攜式智能太陽(yáng)輻照測(cè)試儀特有的優(yōu)勢(shì)，使之適用于評(píng)估光伏系統(tǒng)效率，使光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

[1] 孫德勝．太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的資源評(píng)價(jià)．中國(guó)科技信息，2010(9)：35．

[2] UTZINGER D M，KLEIN S A．A method of estimating monthly average solar radiation on shaded receivers．Journal of Solar Energy Engineering，1979(2)：369-378．

[3] 李杰．光伏計(jì)量的光輻照度測(cè)量方法分析．質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2012(5)：15-17．

[4] 王炳忠．太陽(yáng)輻射測(cè)量?jī)x器的分級(jí)．太陽(yáng)能，2011(15)：20-23．

[5] 河海大學(xué)常州校區(qū)．便攜式太陽(yáng)輻射測(cè)試儀及測(cè)試方法：中國(guó)，CN201410256840．4．2014-08-27．

Research of Portable Solar Radiation Sensor

CAI Yi-fan1，ZHANG Zhen1，2，LIU Sheng1，QUAN Peng2

(1．School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213031，China；2．State Key Laboratory of PV Science and Technology，Trina Solar，Changzhou 213031，China)

A new type of portable intelligent solar radiation sensor was designed to solve the problem in the solar scattered radiation testing at present．The device was mainly used horizontal and inclined solar cell to receive the total solar irradiation，which combined with the test time and test sites．Then the calculation of horizontal direct and scattering radiation intensity，inclined direct and scattering scattered radiation intensity of the test point were displayed on the display．Finally，the result was compared with values measured meteorological station，and it shows the error is within 5%，which is mainly due to ash particle，sensor surface dirt and so on．

sensor；photovoltaic；solar cells；solar radiation

工業(yè)與信息化部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項(xiàng)目(2014)

2015-03-03 收修改稿日期：2015-04-02

TP216

A

1002-1841(2015)06-0017-03

蔡一凡(1993—)，研究方向?yàn)闊崮芘c動(dòng)力工程。 E-mail：648132055@qq．com 通訊作者：張臻(1981—)，博士，主要研究方向光伏可靠性、高效光伏組件與系統(tǒng)。