一種太陽輻照度計(jì)的設(shè)計(jì)

胡金龍 , 盛 翔

（中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所，安徽 蚌埠 233010）

近年來，我國的光伏發(fā)電事業(yè)蓬勃發(fā)展，全國各地在大力加強(qiáng)光伏電站的建設(shè)。光伏組件作為發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其質(zhì)量及使用壽命直接影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。目前，太陽能光伏電站在設(shè)計(jì)、驗(yàn)收以及維護(hù)時(shí)需要進(jìn)行電池組件或陣列的功率測試，除戶外太陽電池功率測試儀外，還需要測量太陽電池組件表面輻照度，方便功率測試儀轉(zhuǎn)化到標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC：25℃,AM1.5,1000W/m2）或其它測試條件下的參數(shù)，進(jìn)而判斷設(shè)計(jì)的光伏電站是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此外，太陽能電池組件擺放的角度會(huì)影響實(shí)際接受到的光輻照度，為方便在同一太陽光照條件下觀察電池組件擺放角度的差異對(duì)電池組件接受光輻照度造成的影響，特地為太陽輻照度計(jì)增加角度測試功能。

一、太陽輻照度計(jì)工作原理

太陽輻照度計(jì)總體電路原理框圖如圖1所示，包含單片機(jī)、狀態(tài)顯示電路、開關(guān)機(jī)電路、藍(lán)牙/串口通信電路、角度測量模塊、數(shù)據(jù)采集電路（溫度、輻照度）等部分。

系統(tǒng)采用的單片機(jī)具有8通道高速高精度12位ADC數(shù)據(jù)采樣，通過選用其中的5組通道ADC0、ADC1、ADC4、ADC5、ADC6可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池片溫度、輻照度、參考電壓VREF、組件背板溫度和環(huán)境溫度信號(hào)的同步數(shù)據(jù)采樣。

圖1 太陽輻照度計(jì)原理框圖

二、輻照度傳感器選型

太陽能電池種類主要包括晶硅類和薄膜類，由于薄膜電池的響應(yīng)時(shí)間長，光致衰減現(xiàn)象明顯，不適合作為標(biāo)準(zhǔn)器件。為準(zhǔn)確測試太陽電池組件表面輻照度，本產(chǎn)品采用單晶硅電池片作為輻照度傳感器。單晶硅電池片具有很好地抗衰減性，且輸出短路電流與輻照度的線性度較好，方便標(biāo)定。此外作為標(biāo)定基準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)電池采用單晶硅電池片制作，選用同種類單晶硅電池片作為輻照度傳感器可以避免標(biāo)定時(shí)因電池光譜響應(yīng)波段不一致造成的誤差。

（一）輻照度算法：

定義：標(biāo)定值

式中：ISC為太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的短路電流值，E為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)。

實(shí)際測得的短路電流：

式中：ISCT為實(shí)際溫度下測試的短路電流值，VADC4為參考電壓采集信號(hào)，VADC1為輻照度采集信號(hào)，K為運(yùn)放放大增益，R為負(fù)載電阻。

將實(shí)際測得的短路電流加入溫度修正功能：

式中：ISCTC為溫度修正后的短路電流值，α為單晶硅電池片電流溫度系數(shù)，T為實(shí)際電池片實(shí)際測試溫度。

則實(shí)際測量的輻照度值：

三、溫度傳感器選型

常用的溫度傳感器包括數(shù)字溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器、紅外測溫儀等類型，考慮到在戶外測溫的條件，本產(chǎn)品采用的是鉑電阻溫度傳感器。金屬鉑的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，精度高，應(yīng)用溫度范圍廣，能夠覆蓋-20℃～100℃的測試區(qū)間，并且線性度較好，方便溫度校準(zhǔn)。鉑電阻溫度傳感器通常有PT100與PT1000兩種類型，相比PT100，PT1000的測試電流小,可以更好地降低功耗，同時(shí)可以減小由測試電流引起的溫升。針對(duì)不同的溫度采集對(duì)象，探頭的封裝選取有所區(qū)別。對(duì)太陽能電池組件背板溫度的采集采用圖2左所示的片狀PT1000探頭，可以緊貼電池板背面。對(duì)環(huán)境溫度的采集采用圖2右所示的柱狀PT1000探頭。

圖2 PT1000溫度探頭

（一）溫度算法：

鉑電阻的阻值和溫度的關(guān)系式：

式中表明Rt= f(t)是非線性函數(shù)，直接采用特性曲線進(jìn)行換算較為繁瑣,考慮到-20～100℃溫度測試范圍內(nèi)，鉑電阻和溫度近似線性關(guān)系，本算法采用線性擬合法計(jì)算溫度。

以水的冰點(diǎn)0℃和沸點(diǎn)100℃按照線性擬合得出算法：

式中：T為實(shí)測溫度，Rt為實(shí)測鉑電阻阻值，T100為100℃，T0為0℃，R100為100℃時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值，R0為0℃時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

式中：VADC5為溫度，VADC4為參考電壓采集信號(hào)。

經(jīng)查表，代入標(biāo)準(zhǔn)電阻值，得出實(shí)測溫度T的計(jì)算公式：

四、角度傳感器選型

目前傳統(tǒng)的角度傳感器雖然測量精度高，但價(jià)格昂貴，不適合在本產(chǎn)品中采用。由于加速度計(jì)的輸出經(jīng)處理可得到一個(gè)與傾斜角成正比的直流電壓，因此可以利用加速度計(jì)來測量物體相對(duì)于水平面的角度，雖然只能測量物體靜態(tài)時(shí)的角度，但是由于價(jià)格低廉，在不需要測量運(yùn)動(dòng)物體角度的場合，還是有很大的應(yīng)用價(jià)值。

角度測量模塊由三軸加速度傳感器ADXL345與濾波電容組成，傳感器采用3.3V電壓進(jìn)行供電。測量電路原理圖如圖3所示，ADXL345傳感器模塊與單片機(jī)以SPI通信方式連接，將SPI總線配置到ADuC841單片機(jī)端口，SDO配置到P3.3端口，SCL配置到SCLOCK端口,SDA配置到SDATA端口，CS配置到P2.3端口，從而建立起單片機(jī)與傳感器間的通信和控制。

圖3 角度測量電路

（一）角度算法：

加速度計(jì)ADXL345不能直接測量傾斜角度，而是通過測量靜止?fàn)顟B(tài)下X、Y、Z三軸的加速度，利用重力加速度與其在三軸加速度傳感器的X、Y、Z三軸的分量關(guān)系，計(jì)算出各軸與重力加速度的夾角，從而得出系統(tǒng)角度。重力加速度在三軸的分量與角度關(guān)系如圖4所示，由此可推導(dǎo)出角度解算公式為：

式中AX、AY、AZ分別為重力加速度在X、Y、Z三軸的分量，直接通過讀取傳感器內(nèi)部寄存器（地址分別為0X32/0X33，0X34/0X35，0X36/0X37）獲取。由于寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)處在不斷更新中，為準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)需在數(shù)據(jù)剛更新完畢時(shí)讀取以保證在開始更新下一次數(shù)據(jù)前數(shù)據(jù)讀取完畢，即在DATA＿READY上升沿處讀取數(shù)據(jù)，如圖5所示。為確保數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，可在處理數(shù)據(jù)時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次重復(fù)讀取并取平均。實(shí)際角度測試中,α代表了太陽輻照度計(jì)的角度。

圖4 ADXL345三軸加速度分量與角度關(guān)系

圖5 DATA＿READY時(shí)序圖

五、結(jié)論

針對(duì)光伏電站現(xiàn)場電池組件表面輻照度及背板溫度測試的新需求，設(shè)計(jì)了基于單晶硅電池片的具有角度測試功能的太陽輻照度計(jì)。產(chǎn)品在200W/m2～1200W/m2輻照度測試范圍內(nèi)，輻照度準(zhǔn)確度達(dá)到3%；在-20℃～100℃溫度測試范圍內(nèi)，溫度準(zhǔn)確度達(dá)到1℃；此外產(chǎn)品還具備穩(wěn)定性較好且分辨率達(dá)到1°的角度測試功能。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品很好地滿足了光伏電站現(xiàn)場關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的測試要求。