便攜式太陽輻射測(cè)試儀及測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了便攜式太陽輻射測(cè)試儀，包括外部殼體，其特征在于，所述外部殼體表面設(shè)置有至少一個(gè)水平面太陽電池單元和一個(gè)斜面太陽電池單元，所述水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元均包括太陽電池和太陽電池外側(cè)的保護(hù)層，所述水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元分別通過導(dǎo)線與外部殼體內(nèi)部的控制電路板相連，所述控制電路板包括分別與水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元相連的第一采樣電路和第二采樣電路，所述第一采樣電路和第二采樣電路分別與第一AD轉(zhuǎn)換器和第二AD轉(zhuǎn)換器相連，所述第一AD轉(zhuǎn)換器和第二AD轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，所述單片機(jī)還與顯示器相連。準(zhǔn)確計(jì)算出水平面、斜面的直接輻射、散射輻射數(shù)據(jù)。
【專利說明】便攜式太陽輻射測(cè)試儀及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種便攜式太陽輻射測(cè)試儀及測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光伏系統(tǒng)安裝容量的快速增長(zhǎng)，光伏系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)估體系逐漸建立起來，其中最重要的一點(diǎn)是光伏系統(tǒng)效率評(píng)估。光伏系統(tǒng)效率一般指實(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)光伏系統(tǒng)效率評(píng)估至關(guān)重要。
[0003]目前光伏系統(tǒng)效率評(píng)估使用的太陽總輻射傳感器通常由組合熱電堆電路組成，傳感器的接收器有一層黑漆，底部為一個(gè)半球型玻璃頂罩。該類太陽總輻射傳感器能較準(zhǔn)確的反應(yīng)輻射強(qiáng)度，但不能體現(xiàn)輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電到來的影響。當(dāng)熱電堆輻射傳感器采集到的數(shù)據(jù)用于光伏系統(tǒng)效率計(jì)算時(shí)，不能準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)實(shí)際性能。
[0004]另一方面，在進(jìn)行光伏發(fā)電效率評(píng)估時(shí)，尤其針對(duì)聚光、太陽跟蹤光伏系統(tǒng)，除需要總輻射量外，散射輻射、直接輻射數(shù)據(jù)也非常關(guān)鍵，通常便攜輻射測(cè)試儀無法同時(shí)測(cè)量散射輻射、直接輻照，給使用帶來諸多不便。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種便攜式太陽輻射測(cè)試儀及測(cè)試方法，采用兩組或多組高穩(wěn)定的太陽電池作為太陽總輻射傳感器，采集不同傾角的總輻射數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算出水平面、斜面的直接輻射、散射輻射數(shù)據(jù)，消除輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電的影響。進(jìn)一步的，通過優(yōu)化保證太陽電池的長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定可靠性、測(cè)試的準(zhǔn)確性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]便攜式太陽輻射測(cè)試儀，包括外部殼體，其特征在于，所述外部殼體表面設(shè)置有至少一個(gè)水平面太陽電池單元和一個(gè)斜面太陽電池單元，所述水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元均包括太陽電池和太陽電池外側(cè)的保護(hù)層，所述水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元分別通過導(dǎo)線與外部殼體內(nèi)部的控制電路板相連，所述控制電路板包括分別與水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元相連的第一采樣電路和第二采樣電路，所述第一米樣電路和第二米樣電路分別與第一 AD轉(zhuǎn)換器和第二 AD轉(zhuǎn)換器相連,所述第一 AD轉(zhuǎn)換器和第二 AD轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，所述單片機(jī)還與顯示器相連。
[0008]便攜式太陽輻射測(cè)試儀的測(cè)試方法，包括如下步驟:
[0009]SOl:初次使用前，對(duì)水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元的太陽電池均進(jìn)行大于20KWh/m2的光衰減；
[0010]S02:水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元分別采集太陽總輻射，經(jīng)采樣電路獲得太陽電池產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)的電流值并傳送至單片機(jī)；
[0011]S03:單片機(jī)從實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和GPS模塊分別獲得實(shí)時(shí)時(shí)間和采集地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度；
[0012]S04:單片機(jī)計(jì)算水平面直接輻射強(qiáng)度、水平面散射輻射強(qiáng)度、斜面面直接輻射強(qiáng)度和斜面散射輻射強(qiáng)度。
[0013]首先:通過采用太陽電池作為太陽總輻射傳感器，與光伏發(fā)電的太陽電池光譜響應(yīng)基本一致，消除了輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電的影響。傳統(tǒng)的熱電堆式輻射傳感器對(duì)光伏太陽電池的光譜不敏感，例如在大于IlOOnm的紅外光分布比例較大時(shí)，目前熱電堆型輻射傳感器測(cè)量出來的高輻射強(qiáng)度不一定對(duì)應(yīng)高的光伏系統(tǒng)發(fā)電量。該發(fā)明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。其次:在一個(gè)便攜式輻射測(cè)試儀器上，同時(shí)具有水平總輻射強(qiáng)度傳感器與固定斜面總輻射強(qiáng)度傳感器，其傾斜度可以自行設(shè)定，最終可以直接顯示出水平面直接輻射強(qiáng)度、水平面散射輻射強(qiáng)度、斜面面直接輻射強(qiáng)度和斜面散射輻射強(qiáng)度。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，采用兩組或多組高穩(wěn)定的太陽電池作為太陽總輻射傳感器，采集不同傾角的總輻射數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算出水平面、斜面的直接輻射、散射輻射數(shù)據(jù)，消除輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電的影響。進(jìn)一步的，通過優(yōu)化保證太陽電池的長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定可靠性、測(cè)試的準(zhǔn)確性?？蓮V泛應(yīng)用于光伏電站發(fā)電預(yù)測(cè)與評(píng)估。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明便攜式太陽輻射測(cè)試儀的外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明便攜式太陽輻射測(cè)試儀的水平面太陽電池單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明太陽電池的簡(jiǎn)易等效電路；
[0018]圖4是本發(fā)明便攜式太陽輻射測(cè)試儀的測(cè)試方法流程圖；
[0019]附圖的標(biāo)記含義如下:
[0020]1:外部殼體；2:水平面太陽電池單元；201:保護(hù)層；202:太陽電池；203:娃膠封裝層；204:開孔；205:導(dǎo)線；206:控制電路板；3:斜面太陽電池單元；4:顯示器。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0022]如圖1所示，便攜式太陽輻射測(cè)試儀，包括外部殼體I，所述外部殼體I表面設(shè)置有至少一個(gè)水平面太陽電池單元2和一個(gè)斜面太陽電池單元3，一般情況下，僅設(shè)置一個(gè)水平面太陽電池單元2和一個(gè)斜面太陽電池單元3可滿足多數(shù)測(cè)量精度和要求，當(dāng)然也可以設(shè)置多個(gè)，測(cè)量精度更高。其中，水平面太陽電池單元2是測(cè)量時(shí)平面與水平面相平行的，而斜面太陽電池單元3則是測(cè)量時(shí)平面與水平面有一定夾角的，具體傾斜度可以自行設(shè)定。
[0023]如圖2所示，需說明的是:水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元3只是與水平面的夾角不同，其機(jī)械結(jié)構(gòu)以及后續(xù)的電氣處理電路均是相同的。水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元3均包括太陽電池202和太陽電池202外側(cè)的保護(hù)層201，通過米用太陽電池202作為太陽總福射傳感器,與光伏發(fā)電的太陽電池202光譜響應(yīng)基本一致，消除了輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電的影響。優(yōu)選水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元
3均還包括包裹太陽電池202的硅膠封裝層203，所述保護(hù)層201位于硅膠封裝層203外偵U。作為傳感器的太陽電池202采用具有高可靠性能與高通過率的硅膠封裝，使太陽光譜中250nm — 3000nm的光均能90%以上透過硅膠封裝層203，且在高紫外環(huán)境下，具有很好耐候性能，長(zhǎng)期戶外使用透過率年衰減小于0.4%。作為輻射傳感器的太陽電池202在具有耐候硅膠封裝層203保護(hù)的同時(shí)，最外表面采用高透、耐刮、耐候的保護(hù)層201，其中保護(hù)層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，即保護(hù)層201可以是聚四氟乙烯層或聚碳酸酯層等。保證太陽電池202的長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定可靠性、測(cè)試的準(zhǔn)確性。其中，優(yōu)選太陽電池202校正前,對(duì)水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元3的太陽電池202均進(jìn)行大于20KWh/m2的光衰減，后續(xù)使用過程中，可以保證很好的穩(wěn)定性。
[0024]所述水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元3分別通過導(dǎo)線205與外部殼體I內(nèi)部的控制電路板206相連，即在硅膠封裝層203上設(shè)置開孔204，導(dǎo)線205從太陽電池202引出連接在控制電路板206上相應(yīng)的采樣電路上。
[0025]太陽電池202作為太陽總輻射傳感器，采集輻射強(qiáng)度，在后續(xù)電氣處理中，首先需要一個(gè)采樣電路，現(xiàn)有技術(shù)中，這方面的電路已經(jīng)比較成熟，多是采樣其電流，比如:采用電阻法或霍爾傳感器等測(cè)量方式。其中電阻法的具體實(shí)現(xiàn)方法是通過串聯(lián)小阻值電阻采樣，先由太陽電池202將輻射強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為短路電流值，再由高精度小阻值電阻轉(zhuǎn)換為電壓值，最后使用AD轉(zhuǎn)換器采樣，單片機(jī)對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而使用霍爾傳感器對(duì)電流采樣，即是在半導(dǎo)體薄片兩端通電流，并在半導(dǎo)體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)生霍爾電壓，霍爾電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓值，最后通過AD轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓值采樣，單片機(jī)對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0026]總之，所述控制電路板206包括分別與水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單兀3相連的第一米樣電路和第二米樣電路,所述第一米樣電路和第二米樣電路分別與第一AD轉(zhuǎn)換器和第二 AD轉(zhuǎn)換器相連，所述第一 AD轉(zhuǎn)換器和第二 AD轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，所述單片機(jī)還與顯示器4相連。單片機(jī)控制顯示器4顯示水平面直接輻射強(qiáng)度、水平面散射輻射強(qiáng)度、斜面面直接輻射強(qiáng)度和斜面散射輻射強(qiáng)度。
[0027]其中，控制電路板206的整個(gè)電路供電可以采用太陽電池202供電，或另接外部穩(wěn)壓電源。若使用太陽電池202供電，則電源電路中，首先經(jīng)過電容組成的濾波電路對(duì)太陽電池202電源濾波，且采用防反二極管，防止電源反接，起到保護(hù)電路的作用，其次經(jīng)過穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，最后將穩(wěn)壓后的輸出進(jìn)行二次濾波，即可用于電路供電。
[0028]由于，單片機(jī)在計(jì)算過程中需要用到測(cè)試時(shí)間與測(cè)試地點(diǎn)，因此，可以手動(dòng)輸入測(cè)試時(shí)間和測(cè)試地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度(此時(shí)需要在外部殼體I上設(shè)置鍵盤)。但優(yōu)選測(cè)試儀內(nèi)部還設(shè)置有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和GPS模塊，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路(圖中未示出)和GPS模塊(圖中未示出)分別與單片機(jī)相連，可以自動(dòng)獲取這些參數(shù)，更便攜和智能化。
[0029]其具體測(cè)試方法如圖4所示:
[0030]需說明的是:初次使用前，即太陽電池202校正前，對(duì)水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元3的太陽電池202均進(jìn)行大于20KWh/m2的光衰減，后續(xù)使用過程中，可以保證很好的穩(wěn)定性。
[0031]水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元3分別采集太陽總輻射并傳送至單片機(jī)。
[0032]如圖3所示，太陽電池202在恒定光照下，其光生電流Iph不隨工作狀態(tài)而變化，即輻射穩(wěn)定時(shí)，太陽電池202在等效電路中可將其看作是恒流源；而輻射變化時(shí)，其光生電流Iph與輻射到太陽電池202表面的輻射強(qiáng)度成線性關(guān)系。
[0033]光生電流Iph —部分流經(jīng)負(fù)載&，在負(fù)載兩端建立起端電壓V，反過來又正向偏置于p-n結(jié)二極管,引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk，其大小與兩端電壓V相關(guān)。一個(gè)理想的p-n同質(zhì)結(jié)太陽電池202的簡(jiǎn)易等效電路如圖3所示，但是，由于太陽電池202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。由于太陽電池202邊緣的漏電和制作金屬化電極時(shí)在太陽電池202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來等效。通常,太陽電池202輸出電流I和輸出電壓V可表示為:
【權(quán)利要求】
1.便攜式太陽輻射測(cè)試儀，包括外部殼體，其特征在于，所述外部殼體表面設(shè)置有至少一個(gè)水平面太陽電池單元和一個(gè)斜面太陽電池單元，所述水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元均包括太陽電池和太陽電池外側(cè)的保護(hù)層，所述水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元分別通過導(dǎo)線與外部殼體內(nèi)部的控制電路板相連，所述控制電路板包括分別與水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元相連的第一采樣電路和第二采樣電路，所述第一采樣電路和第二米樣電路分別與第一 AD轉(zhuǎn)換器和第二 AD轉(zhuǎn)換器相連,所述第一 AD轉(zhuǎn)換器和第二 AD轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，所述單片機(jī)還與顯示器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式太陽輻射測(cè)試儀，其特征在于，所述水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元均還包括包裹太陽電池的硅膠封裝層，所述保護(hù)層位于硅膠封裝層外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式太陽輻射測(cè)試儀，其特征在于，所述保護(hù)層是聚四氟乙烯層或聚碳酸酯層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式太陽輻射測(cè)試儀，其特征在于，所述單片機(jī)還分別與實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、GPS模塊相連。
5.便攜式太陽輻射測(cè)試儀的測(cè)試方法，其特征在于，包括如下步驟: 501:初次使用前，對(duì)水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元的太陽電池均進(jìn)行大于20Kffh/m2的光衰減； 502:水平面太陽電池單元和斜面太陽電池單元分別采集太陽總輻射，經(jīng)采樣電路獲得太陽電池產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)的電流值并傳送至單片機(jī)； 503:單片機(jī)從實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和GPS模塊分別獲得實(shí)時(shí)時(shí)間和采集地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度； S04:單片機(jī)計(jì)算水平面直接輻射強(qiáng)度、水平面散射輻射強(qiáng)度、斜面面直接輻射強(qiáng)度和斜面散射福射強(qiáng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的便攜式太陽輻射測(cè)試儀，其特征在于，在步驟S02中，當(dāng)太陽總輻射強(qiáng)度低于200W/m2時(shí)，對(duì)輻射測(cè)試過程中太陽電池產(chǎn)生的電流值進(jìn)行非線性修訂。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的便攜式太陽輻射測(cè)試儀，其特征在于，在步驟S05中，采用各向異性的Hay模型進(jìn)行水平面散射輻射強(qiáng)度和斜面散射輻射強(qiáng)度計(jì)算。
【文檔編號(hào)】H02S50/10GK104006879SQ201410256840
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】張臻, 王磊, 白建波 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)