便攜式太陽輻射測試儀及測試方法
【專利摘要】本發明公開了便攜式太陽輻射測試儀，包括外部殼體，其特征在于，所述外部殼體表面設置有至少一個水平面太陽電池單元和一個斜面太陽電池單元，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的保護層，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線與外部殼體內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轉換器和第二AD轉換器相連，所述第一AD轉換器和第二AD轉換器與單片機相連，所述單片機還與顯示器相連。準確計算出水平面、斜面的直接輻射、散射輻射數據。
【專利說明】便攜式太陽輻射測試儀及測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種便攜式太陽輻射測試儀及測試方法。
【背景技術】
[0002]隨著光伏系統安裝容量的快速增長，光伏系統的運行評估體系逐漸建立起來，其中最重要的一點是光伏系統效率評估。光伏系統效率一般指實際發電輸出與到達光伏方陣表面輻照總量的比值，輻照的準確、快速測量對光伏系統效率評估至關重要。
[0003]目前光伏系統效率評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，底部為一個半球型玻璃頂罩。該類太陽總輻射傳感器能較準確的反應輻射強度，但不能體現輻射光譜差異對光伏發電到來的影響。當熱電堆輻射傳感器采集到的數據用于光伏系統效率計算時，不能準確評估系統實際性能。
[0004]另一方面，在進行光伏發電效率評估時，尤其針對聚光、太陽跟蹤光伏系統，除需要總輻射量外，散射輻射、直接輻射數據也非常關鍵，通常便攜輻射測試儀無法同時測量散射輻射、直接輻照，給使用帶來諸多不便。
【發明內容】
[0005]針對上述問題，本發明提供一種便攜式太陽輻射測試儀及測試方法，采用兩組或多組高穩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據，準確計算出水平面、斜面的直接輻射、散射輻射數據，消除輻射光譜差異對光伏發電的影響。進一步的，通過優化保證太陽電池的長期使用的穩定可靠性、測試的準確性。
[0006]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現:
[0007]便攜式太陽輻射測試儀，包括外部殼體，其特征在于，所述外部殼體表面設置有至少一個水平面太陽電池單元和一個斜面太陽電池單元，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的保護層，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線與外部殼體內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轉換器和第二 AD轉換器相連,所述第一 AD轉換器和第二 AD轉換器與單片機相連，所述單片機還與顯示器相連。
[0008]便攜式太陽輻射測試儀的測試方法，包括如下步驟:
[0009]SOl:初次使用前，對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，經采樣電路獲得太陽電池產生的相對應的電流值并傳送至單片機；
[0011]S03:單片機從實時時鐘電路和GPS模塊分別獲得實時時間和采集地點的經度、緯度；
[0012]S04:單片機計算水平面直接輻射強度、水平面散射輻射強度、斜面面直接輻射強度和斜面散射輻射強度。
[0013]首先:通過采用太陽電池作為太陽總輻射傳感器，與光伏發電的太陽電池光譜響應基本一致，消除了輻射光譜差異對光伏發電的影響。傳統的熱電堆式輻射傳感器對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，目前熱電堆型輻射傳感器測量出來的高輻射強度不一定對應高的光伏系統發電量。該發明能解決目前光伏電站實際性能評估時，合理輻照測量問題。其次:在一個便攜式輻射測試儀器上，同時具有水平總輻射強度傳感器與固定斜面總輻射強度傳感器，其傾斜度可以自行設定，最終可以直接顯示出水平面直接輻射強度、水平面散射輻射強度、斜面面直接輻射強度和斜面散射輻射強度。
[0014]本發明的有益效果是:結構簡單，使用方便，采用兩組或多組高穩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據，準確計算出水平面、斜面的直接輻射、散射輻射數據，消除輻射光譜差異對光伏發電的影響。進一步的，通過優化保證太陽電池的長期使用的穩定可靠性、測試的準確性。可廣泛應用于光伏電站發電預測與評估。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明便攜式太陽輻射測試儀的外部結構示意圖；
[0016]圖2是本發明便攜式太陽輻射測試儀的水平面太陽電池單元結構示意圖；
[0017]圖3是本發明太陽電池的簡易等效電路；
[0018]圖4是本發明便攜式太陽輻射測試儀的測試方法流程圖；
[0019]附圖的標記含義如下:
[0020]1:外部殼體；2:水平面太陽電池單元；201:保護層；202:太陽電池；203:娃膠封裝層；204:開孔；205:導線；206:控制電路板；3:斜面太陽電池單元；4:顯示器。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和具體的實施例對本發明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
[0022]如圖1所示，便攜式太陽輻射測試儀，包括外部殼體I，所述外部殼體I表面設置有至少一個水平面太陽電池單元2和一個斜面太陽電池單元3，一般情況下，僅設置一個水平面太陽電池單元2和一個斜面太陽電池單元3可滿足多數測量精度和要求，當然也可以設置多個，測量精度更高。其中，水平面太陽電池單元2是測量時平面與水平面相平行的，而斜面太陽電池單元3則是測量時平面與水平面有一定夾角的，具體傾斜度可以自行設定。
[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，其機械結構以及后續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外側的保護層201，通過米用太陽電池202作為太陽總福射傳感器,與光伏發電的太陽電池202光譜響應基本一致，消除了輻射光譜差異對光伏發電的影響。優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，且在高紫外環境下，具有很好耐候性能，長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保護的同時，最外表面采用高透、耐刮、耐候的保護層201，其中保護層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的長期使用的穩定可靠性、測試的準確性。其中，優選太陽電池202校正前,對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均進行大于20KWh/m2的光衰減，后續使用過程中，可以保證很好的穩定性。
[0024]所述水平面太陽電池單元2和斜面太陽電池單元3分別通過導線205與外部殼體I內部的控制電路板206相連，即在硅膠封裝層203上設置開孔204，導線205從太陽電池202引出連接在控制電路板206上相應的采樣電路上。
[0025]太陽電池202作為太陽總輻射傳感器，采集輻射強度，在后續電氣處理中，首先需要一個采樣電路，現有技術中，這方面的電路已經比較成熟，多是采樣其電流，比如:采用電阻法或霍爾傳感器等測量方式。其中電阻法的具體實現方法是通過串聯小阻值電阻采樣，先由太陽電池202將輻射強度值轉換為短路電流值，再由高精度小阻值電阻轉換為電壓值，最后使用AD轉換器采樣，單片機對采樣到的數據進行處理。而使用霍爾傳感器對電流采樣，即是在半導體薄片兩端通電流，并在半導體薄片垂直方向加以磁感應勻強磁場，則在垂直于電流和磁場方向上，將產生霍爾電壓，霍爾電流傳感器將電流轉換為電壓值，最后通過AD轉換器對電壓值采樣，單片機對采樣到的數據進行處理。
[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轉換器和第二 AD轉換器相連，所述第一 AD轉換器和第二 AD轉換器與單片機相連，所述單片機還與顯示器4相連。單片機控制顯示器4顯示水平面直接輻射強度、水平面散射輻射強度、斜面面直接輻射強度和斜面散射輻射強度。
[0027]其中，控制電路板206的整個電路供電可以采用太陽電池202供電，或另接外部穩壓電源。若使用太陽電池202供電，則電源電路中，首先經過電容組成的濾波電路對太陽電池202電源濾波，且采用防反二極管，防止電源反接，起到保護電路的作用，其次經過穩壓芯片進行穩壓，最后將穩壓后的輸出進行二次濾波，即可用于電路供電。
[0028]由于，單片機在計算過程中需要用到測試時間與測試地點，因此，可以手動輸入測試時間和測試地點的經度、緯度(此時需要在外部殼體I上設置鍵盤)。但優選測試儀內部還設置有實時時鐘電路和GPS模塊，實時時鐘電路(圖中未示出)和GPS模塊(圖中未示出)分別與單片機相連，可以自動獲取這些參數，更便攜和智能化。
[0029]其具體測試方法如圖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均進行大于20KWh/m2的光衰減，后續使用過程中，可以保證很好的穩定性。
[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。
[0032]如圖3所示，太陽電池202在恒定光照下，其光生電流Iph不隨工作狀態而變化，即輻射穩定時，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，其光生電流Iph與輻射到太陽電池202表面的輻射強度成線性關系。
[0033]光生電流Iph —部分流經負載&，在負載兩端建立起端電壓V，反過來又正向偏置于p-n結二極管,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。一個理想的p-n同質結太陽電池202的簡易等效電路如圖3所示，但是，由于太陽電池202金屬柵極與半導體材料之間的接觸電阻、金屬接觸與互聯、載流子在頂部擴散層的輸運以及半導體材料本身固有的體電阻，電池基區和頂層都不可避免地要引入附加電阻。流經負載&的電流經過時，必然引起損耗。在等效電路中，可將其總效果用一個串聯電阻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，使一部分本應通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯電阻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:
【權利要求】
1.便攜式太陽輻射測試儀，包括外部殼體，其特征在于，所述外部殼體表面設置有至少一個水平面太陽電池單元和一個斜面太陽電池單元，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的保護層，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線與外部殼體內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轉換器和第二 AD轉換器相連,所述第一 AD轉換器和第二 AD轉換器與單片機相連，所述單片機還與顯示器相連。
2.根據權利要求1所述的便攜式太陽輻射測試儀，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，所述保護層位于硅膠封裝層外側。
3.根據權利要求2所述的便攜式太陽輻射測試儀，其特征在于，所述保護層是聚四氟乙烯層或聚碳酸酯層。
4.根據權利要求1所述的便攜式太陽輻射測試儀，其特征在于，所述單片機還分別與實時時鐘電路、GPS模塊相連。
5.便攜式太陽輻射測試儀的測試方法，其特征在于，包括如下步驟: 501:初次使用前，對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，經采樣電路獲得太陽電池產生的相對應的電流值并傳送至單片機； 503:單片機從實時時鐘電路和GPS模塊分別獲得實時時間和采集地點的經度、緯度； S04:單片機計算水平面直接輻射強度、水平面散射輻射強度、斜面面直接輻射強度和斜面散射福射強度。
6.根據權利要求5所述的便攜式太陽輻射測試儀，其特征在于，在步驟S02中，當太陽總輻射強度低于200W/m2時，對輻射測試過程中太陽電池產生的電流值進行非線性修訂。
7.根據權利要求5所述的便攜式太陽輻射測試儀，其特征在于，在步驟S05中，采用各向異性的Hay模型進行水平面散射輻射強度和斜面散射輻射強度計算。
【文檔編號】H02S50/10GK104006879SQ201410256840
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】張臻, 王磊, 白建波 申請人:河海大學常州校區