便携式智能太阳辐照传感器

蔡一凡，张 臻，，刘 升，全 鹏

(1．河海大学机电工程学院，江苏常州 2130312；2．天合光能有限公司，光伏科学与技术国家重点实验室，江苏常州 213031)



便携式智能太阳辐照传感器

蔡一凡1，张 臻1，2，刘 升1，全 鹏2

(1．河海大学机电工程学院，江苏常州 2130312；2．天合光能有限公司，光伏科学与技术国家重点实验室，江苏常州 213031)

针对目前太阳能散射辐射测试难问题，设计了一种新型便携式智能太阳辐照传感器，该装置主要利用水平、倾斜太阳电池接收太阳总辐照量，结合测试时间与测试地点，计算并通过显示屏显示该测试点的水平面直接辐照强度、水平面散射辐照强度、斜面直接辐照强度、斜面散射辐照强度。根据自行设计的辐照传感器结合计算模型得出的散射与直射辐照值与气象站直接测量值相比，误差在5%以内，这是由于空气灰粒、与气象站传感器表面脏污等因素造成。

传感器；光伏；太阳电池；太阳辐射

0 引言

目前世界各国对太阳能的利用越来越重视，促使光伏系统安装容量的快速增长，光伏系统的运行评估体系需要建立，其中最重要的一点是光伏系统效率评估[1]。系统效率一般是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、快速测量对系统效率评估至关重要[2]。

采集辐照量的方法很多，但以传递信号的方式主要有2种：一种是总日射强度计[3]，此方法简单却不能直观地反映出辐照值；另一种是热反应堆传感器[4]，其能较准确地反应辐射强度，但不能体现辐射光谱差异对光伏发电到来的影响。因此，高效的辐照传感器仍是热点。

本文主要利用多组不同倾斜角度太阳能板收集数据，准确计算出水平面、斜面的直接辐照、散射辐照数据，消除辐射光谱差异对光伏发电的影响[5]。进一步地，通过优化保证太阳电池长期使用的稳定可靠性、测试准确性。

1 便携式智能太阳辐照传感器设计方案

图1为该装置外观图，其采用不同倾角的太阳电池作为辐照传感器，并将太阳电池、控制电路硬件、显示屏集成在可手持的一体化小型组件上，一般其设置水平和倾斜的两块太阳能板，如若需较高精度，则可设置多组太阳能板。

图1 便携式智能太阳辐照测试仪效果图

图2为太阳电池传感器结构图，由于水平和倾斜太阳电池仅仅是倾角不同，所以在这里一并说明。太阳电池传感器由光伏电池作为传感器，其接受太阳辐照后正负极获得电势差，从而电路产生电流，将电流转换成电压后由ADC(模拟/数字转换器)采样，单片机对采样的数据进行处理得到此刻的水平、倾斜面的直射、散射量。电路中获得电流、电压有2种方法：一种为电阻法，采用小阻值电阻和太阳电池相连，将太阳电池电流转换为电压值；另一种为霍尔传感器法，先在半导体薄片两端通电流，并在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，将产生霍尔电流，由霍尔电流传感器将电流转换为电压值。

图2 便携式智能太阳辐照传感器结构图

整个电路供电可以采用光伏电池供电，或另接外部稳压电源。电源电路中，首先经过电容组成的滤波电路对光伏电池电源滤波，并采用了防反二极管，防止电源反接，起到保护电路的作用。之后经过稳压芯片，将稳压后的输出进行二次滤波，即可用于电路供电。根据太阳电池实际I/V参数，采用低辐照补偿策略提升测试精度。

该装置克服现有热电堆辐照计与总日射强度计的缺陷，同时测量出散射、直射辐照值，这是传统便携式辐照测试设备不能实现的，因此其解决了聚光光伏电站中发电性能评估问题；此外，本装置解决热电堆式辐照传感器对光伏太阳电池的光谱不敏感性问题，例如在大于1 100 nm的红外光分布比例较大时，目前热电堆型辐照传感器测量出来的高辐照强度不一定对应高的光伏系统发电量，本装置能解决目前光伏电站实际性能评估时合理辐照测量问题。

2 太阳辐照数学计算模型

2．1 辐照计算流程

图3为便携式智能太阳辐照测试仪数据采集流程图，由传感器接收到的辐照值转化为电流，通过测定的关系将电流值转化成辐照量，根据测试点经纬度、时间，通过辐照计算模型、低辐照修订，计算出水平、倾斜面直射、散射辐照量。

图3 数据采集流程图

2．2 传感器计算

该辐照计算采用各向异性散射模型。作为辐照传感器的太阳电池，在恒定光照下，其光生电流Iph不随工作状态而变化，故辐照稳定时在等效电路中可将其看作是恒流源，而辐照变化时，电流与辐射到太阳电池表面的辐照强度成线性关系。光生电流一部分流经负载RL，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Ibk。一个理想的P-N同质结太阳电池的简易等效电路如图4所示。但是，由于电池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Rs表示。由于电池边缘的漏电和制作金属化电极时在电池的微裂纹、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Rsh来等效。通常，太阳电池输出电流I和输出电压V的关系可表示为

图4 太阳电池单二极管等效电路图

由于Ibk与并联电阻通过的电流存在，太阳电池实际输出电流与辐照强度并非呈线性关系，传统简单的太阳电池作为辐照强度传感器，在低辐照情况下，测试误差大。便携式智能太阳辐照测试仪在根据太阳电池I/V(电流/电压)特性挑选辐照传感器的封装电池与材料同时，采用低辐照非线性修订方法进行校正。

2．3 辐照计算

通过太阳电池输出电流电压可以计算，到达太阳电池表面的总辐照强度。目前有较多计算模型可以根据水平面散射辐照强度、直接辐照强度计算一定倾角的斜面总辐照强度。便携式智能太阳辐照测试仪采用2组或多组太阳电池作为辐照传感器，可以测试水平面总辐照强度H与斜面总辐照强度HT。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=Hb+Hd

(1)

HT=Hbt+Hdt

(2)

式中：Hb为水平面的直接辐照强度；Hd为水平面的散射辐照强度；Hbt为斜面的直接辐照强度；Hdt为斜面的散射辐照强度。

Hbt=Hb·Rb

(3)

式中Rb为倾斜面与水平面上直接辐射量之比。

便携式智能太阳辐照测试仪的散射计算采用各向异性的Hay模型，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2部分组成，可表达为

(4)

式中：H0 为大气层外水平面上太阳辐射量；β为倾角，Rb为倾斜面与水平面上直接辐射量之比，其计算表达式如下：

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h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，可得出日出日没时角表达式：

coshs=-tanΦtanδ

式中hs为日出或日没时角，以度表示，正为日没时角；负为日出时角。对于北半球，当-1≤-tanΦtanδ≤+1，有

hs=arcos(-tanΦtanδ)

根据式(1)-式(4)，通过测试太阳电池测试的水平面与斜面总辐照量，结合测试点经纬度位置与测试时间，可以计算出Hb(水平面的直接辐照强度)，Hd(水平面的散射辐照强度)，Hbt(斜面的直接辐照强度)，Hdt(斜面的散射辐照强度)的值。

2．4 模拟计算

例：2015年1月31日，上午13：06：55，在常州地区测得该时刻水平太阳能板接收到的总辐照量为H=494 W/m2，30°倾角太阳能板接收到的总辐照量为HT=506 W/m2，那么1月31日即n=31，按照库珀(Cooper)方程计算得：

常州地区的纬度Φ=31．48°，则倾斜面与水平面上直接辐射量之比Rb=1．473，该日大气层外水平面上太阳辐射量H0=254．876 W/m2。代入式(1)、式(2)连列方程组可得：

3 试验验证

3．1 试验设计

现将2个现有辐照测量仪水平和30°倾角布置，将显示的辐照值通过辐照计算模型进行运算，获得此刻水平面直接辐照强度、水平面散射辐照强度、斜面直接辐照强度、斜面散射辐照强度。辐照测量仪的布置如图5所示。

3．2 数据分析

从气象站得出2015年1月31日的水平面总辐照量为402．98 W/m2，散射辐照量为389．75 W/m2，散射辐照量占总辐照量的96．717%，而模拟计算中的比例为94．006%，误差为-2．803%，一方面由于角度的误差以及两测量工具间有一定的误差，另一方面由于空气灰粒、与气象站传感器表面脏污等问题。

4 结论

对于提出的新型便携式智能太阳辐照传感器，通过理论分析、模拟计算以及对比分析，表明该装置具有可行性，且误差小于5%；而其较之其他测量仪有明显的精准计算水平面、斜面的直接辐照、散射辐照数据的优势，在此特有优势上，又有装置简单、操作方便、性能可靠、度数直观的附加优势。在光伏发电效率评估时，尤其针对聚光、太阳跟踪光伏系统，除需要总辐照量外，也需要散射辐照、直接辐照数据。便携式智能太阳辐照测试仪特有的优势，使之适用于评估光伏系统效率，使光伏产业进一步发展。

[1] 孙德胜．太阳能光伏发电系统应用的资源评价．中国科技信息，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．光伏计量的光辐照度测量方法分析．质量技术监督研究，2012(5)：15-17．

[4] 王炳忠．太阳辐射测量仪器的分级．太阳能，2011(15)：20-23．

[5] 河海大学常州校区．便携式太阳辐射测试仪及测试方法：中国，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

工业与信息化部电子信息产业发展基金项目(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—)，研究方向为热能与动力工程。 E-mail：648132055@qq．com 通讯作者：张臻(1981—)，博士，主要研究方向光伏可靠性、高效光伏组件与系统。