一种太阳辐照度计的设计

胡金龙 , 盛 翔

（中国电子科技集团公司第41研究所，安徽 蚌埠 233010）

近年来，我国的光伏发电事业蓬勃发展，全国各地在大力加强光伏电站的建设。光伏组件作为发电系统的核心部件，其质量及使用寿命直接影响整个发电系统的发电效率。目前，太阳能光伏电站在设计、验收以及维护时需要进行电池组件或阵列的功率测试，除户外太阳电池功率测试仪外，还需要测量太阳电池组件表面辐照度，方便功率测试仪转化到标准测试条件（STC：25℃,AM1.5,1000W/m2）或其它测试条件下的参数，进而判断设计的光伏电站是否达到设计要求。此外，太阳能电池组件摆放的角度会影响实际接受到的光辐照度，为方便在同一太阳光照条件下观察电池组件摆放角度的差异对电池组件接受光辐照度造成的影响，特地为太阳辐照度计增加角度测试功能。

一、太阳辐照度计工作原理

太阳辐照度计总体电路原理框图如图1所示，包含单片机、状态显示电路、开关机电路、蓝牙/串口通信电路、角度测量模块、数据采集电路（温度、辐照度）等部分。

系统采用的单片机具有8通道高速高精度12位ADC数据采样，通过选用其中的5组通道ADC0、ADC1、ADC4、ADC5、ADC6可实现对电池片温度、辐照度、参考电压VREF、组件背板温度和环境温度信号的同步数据采样。

图1 太阳辐照度计原理框图

二、辐照度传感器选型

太阳能电池种类主要包括晶硅类和薄膜类，由于薄膜电池的响应时间长，光致衰减现象明显，不适合作为标准器件。为准确测试太阳电池组件表面辐照度，本产品采用单晶硅电池片作为辐照度传感器。单晶硅电池片具有很好地抗衰减性，且输出短路电流与辐照度的线性度较好，方便标定。此外作为标定基准的参考标准电池采用单晶硅电池片制作，选用同种类单晶硅电池片作为辐照度传感器可以避免标定时因电池光谱响应波段不一致造成的误差。

（一）辐照度算法：

定义：标定值

式中：ISC为太阳电池在标准测试条件下的短路电流值，E为标准光强。

实际测得的短路电流：

式中：ISCT为实际温度下测试的短路电流值，VADC4为参考电压采集信号，VADC1为辐照度采集信号，K为运放放大增益，R为负载电阻。

将实际测得的短路电流加入温度修正功能：

式中：ISCTC为温度修正后的短路电流值，α为单晶硅电池片电流温度系数，T为实际电池片实际测试温度。

则实际测量的辐照度值：

三、温度传感器选型

常用的温度传感器包括数字温度传感器、热电阻温度传感器、红外测温仪等类型，考虑到在户外测温的条件，本产品采用的是铂电阻温度传感器。金属铂的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，精度高，应用温度范围广，能够覆盖-20℃～100℃的测试区间，并且线性度较好，方便温度校准。铂电阻温度传感器通常有PT100与PT1000两种类型，相比PT100，PT1000的测试电流小,可以更好地降低功耗，同时可以减小由测试电流引起的温升。针对不同的温度采集对象，探头的封装选取有所区别。对太阳能电池组件背板温度的采集采用图2左所示的片状PT1000探头，可以紧贴电池板背面。对环境温度的采集采用图2右所示的柱状PT1000探头。

图2 PT1000温度探头

（一）温度算法：

铂电阻的阻值和温度的关系式：

式中表明Rt= f(t)是非线性函数，直接采用特性曲线进行换算较为繁琐,考虑到-20～100℃温度测试范围内，铂电阻和温度近似线性关系，本算法采用线性拟合法计算温度。

以水的冰点0℃和沸点100℃按照线性拟合得出算法：

式中：T为实测温度，Rt为实测铂电阻阻值，T100为100℃，T0为0℃，R100为100℃时对应的标准电阻值，R0为0℃时对应的标准电阻值。

式中：VADC5为温度，VADC4为参考电压采集信号。

经查表，代入标准电阻值，得出实测温度T的计算公式：

四、角度传感器选型

目前传统的角度传感器虽然测量精度高，但价格昂贵，不适合在本产品中采用。由于加速度计的输出经处理可得到一个与倾斜角成正比的直流电压，因此可以利用加速度计来测量物体相对于水平面的角度，虽然只能测量物体静态时的角度，但是由于价格低廉，在不需要测量运动物体角度的场合，还是有很大的应用价值。

角度测量模块由三轴加速度传感器ADXL345与滤波电容组成，传感器采用3.3V电压进行供电。测量电路原理图如图3所示，ADXL345传感器模块与单片机以SPI通信方式连接，将SPI总线配置到ADuC841单片机端口，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，从而建立起单片机与传感器间的通信和控制。

图3 角度测量电路

（一）角度算法：

加速度计ADXL345不能直接测量倾斜角度，而是通过测量静止状态下X、Y、Z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统角度。重力加速度在三轴的分量与角度关系如图4所示，由此可推导出角度解算公式为：

式中AX、AY、AZ分别为重力加速度在X、Y、Z三轴的分量，直接通过读取传感器内部寄存器（地址分别为0X32/0X33，0X34/0X35，0X36/0X37）获取。由于寄存器内部数据处在不断更新中，为准确读取数据需在数据刚更新完毕时读取以保证在开始更新下一次数据前数据读取完毕，即在DATA＿READY上升沿处读取数据，如图5所示。为确保数据更为稳定，可在处理数据时可对数据进行多次重复读取并取平均。实际角度测试中,α代表了太阳辐照度计的角度。

图4 ADXL345三轴加速度分量与角度关系

图5 DATA＿READY时序图

五、结论

针对光伏电站现场电池组件表面辐照度及背板温度测试的新需求，设计了基于单晶硅电池片的具有角度测试功能的太阳辐照度计。产品在200W/m2～1200W/m2辐照度测试范围内，辐照度准确度达到3%；在-20℃～100℃温度测试范围内，温度准确度达到1℃；此外产品还具备稳定性较好且分辨率达到1°的角度测试功能。设计的产品很好地满足了光伏电站现场关键环境参数的测试要求。