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东华大学硕士学位论文 摘要 光伏电站检测系统的研究 摘要 作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，太阳能成为世界 各国争相开发的对象。太阳能主要利用形式是光伏电站，其具有数 量众多、分布分散，工作环境受到多重因素影响的特点，使得对电 站进行维护和监控造成困难。然而，光伏电站环境因素精确检测对 于电站的安全运行至关重要。不仅如此，精确的环境因素检测还能 为建立光伏电站发电量模型提供数据依据。因此，能在恶劣工况和 无人值守条件下进行复杂环境因素检测并远程传输检测结果的检测 系统对于光伏系统建设有重大意义。课题研究主要做了以下工作。 首先，本文分析了光伏电站的运行环境，尤其系统组件温度、 环境温度和光辐照量对光伏电站运行状况的影响。确立了通过检测 上述三者判别光伏电站运行状况的可行性。重点讨论了进入大气层 后的环境因素对检测的影响。之后，分析了硅光电池的伏安特性， 讨论了以硅光电池的短路电流输出作为光辐照量检测方法的可行 性。同时，对环境温度检测和组件温度检测分别采用基于热电阻和 半导体集成温度传感器的检测设计。 其次，文中讨论了硅光电池的温度效应和谱效应，以及效应对 精密检测产生的误差影响。论述了应用b 1 a e s s e r 方法将标准检测环 境中检测光辐照量推广到不同温度下，并通过引入大气质量( a i r 东华大学硕士学位论文摘要 m a s s ) 修正检测结果中硅光电池的谱效应的影响，保证了短路电流 输出与光辐照量保持线性关系。 再次，本文在原理分析的基础上进行了相关电路的设计。采用 s t c l 2 c 5 a 1 6 s 2 单片机作为数据采集与检测的核心器件。采用电子 电路对光伏电站环境参数进行检测，将采样得到的环境温度、组件 温度和光辐照量转换成相应的电信号。利用单片机的实时控制和数 据处理功能，完成系统对环境参数的检测，配置了4 8 5 总线与上位 机进行通讯。同时在软件设计中充分考虑光辐照量测量的各种干扰， 进行了温度校正和谱校正，确保测量的准确性。 最后，由于电路干扰对于精密检测系统的影响十分巨大，文中 最后针对抗干扰设计进行了论述。探讨了静电耦合和公共阻抗耦合 以及过程通道干扰对于电路的影响，给出了几种抑制方式，并加入 到系统设计当中。 本文设计的光伏电站检测系统成本低、体积小、安装方便、运行 可靠、性价比高，可在全天候条件下、不同温度和不同光谱分布环境 中实现高精确度的光辐照量检测。可长时间自主稳定运行，安装后基 本不需要现场维护。本光伏电站检测系统可应用于对光伏电站工作环 境的检测，为监控光伏电站运行状况及预测未来发电能力提供可靠的 量化依据。 关键词：光伏电站；检测系统；环境温度；组件温度；光辐照量 查华大学硕士学位论文 摘要 d e s i g no fd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do n p vp o w e r s t a t i o n a b s t r a c t a sa l li n e x h a u s t i b l ea i l dr e n e w a b l ee n e 唱y ，s o l a re n e r g yb e c o m et l l ed e v e l o p e do b j e c to f c o u n 劬e sa r o u n dm ew o r l dc 彻叩e t i n g 7 n l em a i n l yu s i l l gt l l ef o m o fs o l a re n e r g yi sp h o t o v o l t a i c p o w e rp l a i l t s ，w h i c l l ，al 鹕en u m b e ro fs c a t t e r e d ，w o r k i n ge n v i r o 砌e n ta 腧c t e d b ym u l t i p l e f a c t o r s t h ec h a r a c t e r i s t i c sm a k i n gm ep o w e rp l a n tm a i l l t e n a n c ea i l d m o 芏1 i t o r i n gd i f 石c u l t i e s h o w e v e r ，m ep r e c i s ed e t e c t i o no fm ep vp o w e rp l a i l te n v i r o n m e n t a lf a c t o r si se s s e n t i a lf o rt 1 1 e s a f e t yo ft h ep o w e rp l a n t m o r e o v e r ，t h ep r e c i s ed e t e c t i o no ft h ee n 访m m n e n t a lf a c t o r sc a na l s o p r o v i d eb a s i sd a t af o rm ee s t a b l i s h m e n t “p h o t o v o l t a i cp o w e r p l a n tg e n e r a t i i l gc a p a c i 哆m o d e l t h e r e f o r e ，i i l t e 掣a t e dt e s t i n gs y s t e i n ，w h i c hh a v er e m o t et m s m i s s i o no ft e s tr e s u l t s ，o fc o m p l e x e n r o 衄e n t a lf a c t o r sa 1 1 di nh a r s hw o r k i n gc o n d i t i o n sa n du n a t t e n d e d c o n d i t i o n si sg r e a t s l g i l l t l c a l l c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no fp v s y s t e m s t h er e s e a r c hi sm a i l l l yd o n et 1 1 ef o l l o w i n gw o r k f1 r s t ，t t l ep a p e ra i l a l y z e st h eo p e r a t i i l ge n v i r o 砌e n to ft 1 1 ep v p o w e rp l a n t ，i np a n i c u l a r ，n l e s y s t e mc 啪p o n e n tt e m p e r a t u r e ，锄b 劬t e m p e r a 呱a n ds o l a r 衲d i a t i o no nn l e o p e r a t i o n a l s t a t u so fn l ep vp o w e rp l a l l t ，f o c u s e do nt h ed e t e c t i o no f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa r e rs o l a ri nt h e a t i i l o s p h e r e b ya n a l y s i so fm ev 0 1 t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c so fs i l i c o n p h o t o v 0 1 t a i cc e l l s ， d i s c u s s e dm ef e a s i b i l i t yo fd e t e c t i o no f 叩t i c a lr a d i a t i o ne x p o s u r et os h o r t c i r c u i tc u l l r e n to u t p u t o fs i l i c o np h o t o v o l t a i cc e l l s a tt h es a m et i m e ，t h ea m b i e n t t e m p e r a t u r et e s t i n ga n dc o m p o n e n t t e r 。l p e r a t u r es e n s m gb a s e do nt h ed e t e c t i o nb yt l l et h e 瑚a lr e s i s t a n c e a 1 1 ds 锄i c o n d u c t o r i n t e g r a t e dt e m p e m m r es e n s o rd e s i g n - s e c o n d l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ee f - f e c t so fm et e m p e r a m r ea n ds p e c t r a l e f r e c t so ft h e s l l l c o np h o t oc e l l sa n dt h ei m p a c to fe h o r sb yt h ee f - f e c to nt h e p r e c i s i o nt e s t i n g d i s c u s s e s t h e a p p l i c a t i o no fb l a e s s e rm e m o df o rt h ed e t e c t i o no f 叩t i c a lr a d i a t i o ne x p o s u r ei n t 1 1 es t a n d a r d e s t m ge n r o n m e n tt oad i f f e r e n tt e m p e r a t l l r ea n da i rq u a l i t y ( a i rm a s s ) t h r o u 曲t h ei n t r o d u c t i o n o f 锄e n d m e n t st ot h ee f f e c t so fs i l i c o np h o t o v o l t a i cc e l l si n t h et e s tr e s u l t ss p e c t m m ，t oe n s u r e t h es h o r t 。c l r c u l tc u l l r e n to u t p u ta n do p t i c a lc o n v e 唱e n c ea c c o r d i n gt o t h ea m o u n tt om a i n t a i na l i n e a rr e l a t i o n s h i d o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p i eo fa n a l y s i sr e l a t e dt oc i r c u i td e s i g n a d o p t e ds t c 12 c 5 al6 s 2 m i c r o c o n 仃o l l e ra st h ec o r eo ft h ed e v i c ef o rd a t aa c q u i s i t i o na n d t e s t i n g e l e c 仃o n i cc i r c u i 仃yt o 东华大学硕士学位论文 摘要 d e t e c tm ep vp o w e rp l a n te n 访r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ，t h es 锄p l i n go fa m b i e n tt e m p e r a t u r e ， c o m p o n e n tt e m p e r a t u r ea i l do p t i c a lr a d i a t i o ne x p o s u r ec o n v e n e di n t o ac o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c a l s i g n a l t h e 向n c t i o n so fr e a l - t i m ec o n t m la n dd a t ap r o c e s s i n go fm em c u t oc o m p l e t et h e s y s t e mf o rm ed e t e c t i o no fe n 啊r o n m e n t a lp a r 锄e t e r s ，t h e4 8 5b u si sc o n f i g u r e dw i t hm eh o s t c o m p u t e rt o c o n 吼u n i c a t e s o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ei n t e r f e r e n c eo fl i g h ti n a d i a t i o n m e a s u r e m e n t ，t e m p e m t u r e c o r r e c t i o na n ds p e c t m lc a l i b r a t i o n ， e n s u r et h ea c c l l r a c yo f m e a s u r e m e n t f i n a l l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e dm ed e s i g no fa n t i - j a m m i l l gc i r c u i t ，b e c a u s et l l a tt h ei n t e r f b r e n c e o nas o p h i s t i c a t e dd e t e c t i o ns y s t e m 舶mi i l t e 疵血gc i r c u i ti se n o 衄o u s i tr e s e a r c h e d t l l e i i l n u e n c eo nt l l ee l e c t r i cc i r c u i t 矗l o mt h ee l e c t r o s t a t i cc o u p l i n ga n di m p e d a n c ec o u p l i i l g i i lm i sp a p e r ，t 1 1 ed e s i g no fi n t e g r a t e dd e t e c t i o ns ) r s t e mi sl o wc o s t ，s m a l ls i z e ，e a s y i i l s t a l l a t i o na n dr e l i a b l eo p e r a t i o n i tc a na c h i e v eh i g h p r e c i s i o no p t i c a lr a d i a t i o ne x p o s u r ei na n w e a l e rc o n d i t i o n so rt l l ed i f - f e r e n te n v i r o n m e n t i ta l s oc a nw o r kl o n gt i m ei n d e p e n d e n t a n dn o t r e q u i r es i t em a i n t e n a n c ea r e rt h eo p e r a t i o no ft h ei n s t a l l a t i o ni sb a s i ca n dd o e sn o tr e q u i r es i t e m a i n t e n a n c e t 1 1 ep vp o w e rp l a n td e t e c t i o ns y s t e mc a nb ea p p l i e dt om ed e t e c t i o l lo fn l e w o r k j n 2e n 啊r o m n e n t f a n g b a i( m e c h a n i c a le 1 e c 仃彻i ce n g i n e 商n g ) s u p e i s e db y 丛e 盥q 至鱼坠q k e yw o r d s ： p h o t o v o l t a i cp o w e rp l a n t ，m e a s u r 锄e n ts y s t 锄a m b i e n tt e m p e r a t l l r e ， m o d u l et e m p e r a t u r e ，s 0 1 a rr a d i a t i o n v 东华大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着社会经济的发展和人口的增加，以石油、天然气、煤等为代表的传统 能源日益枯竭。根据世界能源机构分析数据，世界石油、天然气、煤、铀的剩 余可开采年限仅为4 5 年、6 1 年、2 3 0 年和7 1 年，世界和中国主要常规能源储 量预测如图1 1 所示【l 】。太阳能是最丰富的可再生资源之一，其中光伏发电是一 种直接应用太阳能形式。与其他能源相比，太阳能有许多其他方面的优点，如 无噪声、无污染、无需消耗燃料等。因此，以太阳能为代表的可再生能源成为 当代新能源开发的重要方向之一。世界能源组织( i e a p ，s ) 预测的世界能源结 构的变化如图1 2 所示，可再生能源将在2 0 2 0 年开始有一个为期8 0 年的迅猛 发展阶段，到2 1 0 0 年后成为全球的主要能源【2 】。 霎 k 、 瓣 麓 灞 天然气攥铀 一世界誓中翻 图1 - 1 世界和中国主要常规能源储量的预测 2 翱嗨2l 图1 2 世界能源结构变化趋势 可再生能源当中，光伏发电技术由于其受环境限制小、便于推广成为发展 最为迅猛的研究领域。 | 警 东华大学硕士学位论文第一章结论 基于此，为了促进光伏发电产业技术进步和规模化发展，培育战略性新兴 产业，根据可再生能源法、国家中长期科技发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ( 国发( 2 0 0 5 ) 4 4 号) 、可再生能源中长期发展规划( 发改能源( 2 0 0 7 ) 2 1 7 4 号) 和可再生能源发展专项资金管理办法( 财建( 2 0 0 6 ) 2 3 7 号) ，中央财 政从可再生能源专项资金中安排资金，支持光伏发电技术在各类领域的示范应 用及关键技术产业化即金太阳示范工程。 本课题是金太阳示范工程中的光伏电站检测系统设计，针对的是恶劣工况 和无人值守条件下进行复杂环境因素检测并远程传输检测结果，其对于光伏系 统整体建设完善有重大意义。光伏电站作为一个能量转化系统，评价其转换效 率一直是难以解决的难题，主要原因是光伏电站的输入是波动性变化的太阳光。 和传统能源不同，太阳光的这种波动性变化使得系统的输入会时时变化，从而 导致难以通过输出( 发电量) 来评价系统的优劣。因此，针对光伏电站环境因素 的检测系统研究是准确评价光伏电站系统发电效率不可缺少的部分【3 j 。 不仅如此，在并网输电时，调度员需要准确预测各个光伏电站的发电量， 从而为电网调度安排运行方式。但是，太阳光照射及应用中的光伏电池种类有 很大得随机性，这些使得光伏发电属于波动性和间歇性电源。从而导致光伏发 电系统相对于大电网是一个不可控源，其发电随机性会对大电网造成冲击【4 、5 】。 目前，一般采用通过气象参数估计来太阳辐照度的方法进行预测，这种预测的 基础误差相对较大。因此，基于精确检测数据的光伏电站发电预测对于保持电 力系统的功率平衡和经济运行有着重要的意义。 此外，和常规能源电站一样，光伏电站的需要对实际运行效果进行监控、 评估，所以需要检测系统各种参数和环境参数。以往对传统能源电站系统进行 检测是建立在实地近距离条件下。这种监控方式要求有维护人员在现场查看监 视设备所显示的数值，必要时作相应的处理以控制系统的各种状态及参数。而 我国的实际情况是很大比例的光伏电站相当分散的建在偏远地区，这种需要在 每个维护点配备一定维护人员方式不适应于光伏并网发电等电站数目比较多的 情况下【6 1 。随着光伏系统的迅猛发展，无人值守的光伏电站检测系统成为研究 的热点。 1 2 光伏电站检测系统国内外研究现状 光伏电站环境因素检测系统的重点在于对太阳光光辐照量的准确测量。测 量太阳光辐照量仪器是将接收到的太阳辐射能以最小的损失转变成其他形式能 量，如热能、电能，以便进行测量。目前，国际上主要有以下四种基本形式： 热电机型( m e m o m e c h a n i c a l ) ，测热型( c a l o 订m e t n c ) ，热电型( m e m l o e l e c t r i c ) 和光 电型( p h o t o e l e c t r i c ) 。其中，热电型和光电型使用最为普遍。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 热电型检测是最为传统的光辐照量检测方式，主要有太阳热量计和日射强 度计两类。太阳热量计测量使用最广泛的是埃斯特罗姆电补偿热量计。它以两 块吸收率为9 8 的锰铜窄片作为接收器，每片上都安置热电偶。其中一片被太 阳曝晒，而另一片完全屏蔽。当二者温差为零时通电加热，屏蔽片上加热电流 的功率便是单位时间接收的太阳辐射量。曰射强度计测量时用半球形玻璃壳保 护，防止外界干扰。用于分光辐射测量的有滤光片辐射计和光谱辐射计。前者 是在辐射接收器前安置滤光片，用于宽波段测量；后者是一具单色仪，测量宽 约5 0 埃的波段。但是，这种热电型检测方法对材料制作工艺有很高要求，导致 成本很高，只有在少数实验室和工业现场使用。 随着光伏系统的普及，越来越多光伏电站在全球各地建立，世界各国急需 一种能对光辐照量精确检测的低成本检测系统。1 9 9 4 年，e s t i ( e u r o p e a ns o l a r t e s ti n s t a l l a t i o n ) 设计了一款低成本的天阳能辐照量检测设备e s t i 传感器。这种 属于光电型的检测方法采用了单晶硅硅光电池作为光辐照量传感元件，将硅光 电池封装在玻璃聚酯铝的压层板中，通过检测硅光电池受光照后的开路电压 和短路电流来检测光辐照量。这种传感器分别针对温度和光照进行校正，通过 这些校正可以使光辐照量检测达到士1 5 的精度。并且这种传感器尺寸只用 1 4 0 1 4 0 n m ，使得设计一款体积小巧、成本低廉的检测系统成为可制7 1 。 e s t i 传感器将单晶硅硅光电池分为两个部分，其中一部分接入分流电阻并 测量与光辐照量成比例的短路电路，另一部分测量开路电压并检测温度。这种 设计获得了一定的精度，但对传感器制作有很高要求。并且由于没有考虑地域、 安装面倾斜角的影响，这种基于e s t i 传感器的检测系统必须经过专业人员现场 调试后才可以使用，使用后依然要求定期的现场维护。 e s t i 传感器开启了一条新的低成本检测光辐照量的道路。1 9 9 7 年 m b e n g h a n e m 和a m a a f i 在此基础上提出采用单片硅光电池作为传感器元 件以避免材料制造的复杂。并利用单片硅光电池设计了基于m c 6 8 8 0 9 的检测 系统。系统配置了r s 2 3 2 总线，可以实现对偏远地区进行检测的目标。在该系 统中，温度校正通过将组件温度转化为与短路电流更为相关的半导体节点电流 进一步提高了校正精度。但是，该系统在对于温度的校正采用的三段校正并不 能满足光伏系统使用者越来越高的精度要求。另外，没有对硅光电池的谱效应 进行处理依然是导致不高精度的重要原因 8 】。 在国内，光辐照量检测始于航天事业中得地外辐照量检测。在考虑了阳光 进入大气层后的变化因素，发展出了光伏电站的检测系统。如锦州3 2 2 研究所 的t p 0 、t b b 系列产品，以及j y 智能日射记录仪 9 1 。 伴随着我国光伏产业的蓬勃发展，国内的光伏电站检测系统也呈现多种多 样的发展趋势。但是，主流产品还是采用热电型检测方式。这导致了检测系统 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 成本高、体积大、需要定期维护和不具备通讯功能等缺点，这些缺点严重制约 了光伏电站检测的广泛使用。即使有一些产品采用低成本的硅光电池作为传感 元件，但由于对于硅光电池的温度和谱效应校正方式不理想，导致检测精度不 能令人满意。 1 3 课题的主要研究内容 针对国内外光伏电站检测系统普遍存在的成本高、检测精度低、体积庞大 等问题，本文讨论了基于单片机和硅光电池的低成本、高精度的光伏电站检测 系统，主要的研究内容如下。 ( 1 ) 光辐照量通路检测设计与温度校正。首先，为了获得可以广泛推广使 用的光伏电站检测器，采用了低成本的硅光电池作为传感元件对光辐照量进行 检测；其次，针对硅光电池的v _ i 特性，应用b l a e s s e r 方法进行温度校正。 避免了硅光电池短路电流输出产生受温度影响而升高的误差，并在矫正时采用 了将组件温度修正为与短路电流输出更为相关的节点温度。 ( 2 ) 硅光电池的谱校正。通过对太阳光辐射物理性质的研究，确认了光辐 照量中散射辐射对于辐照量测量有重大影响；通过引入大气质量( a i rm a s s ) ， 得到由大气质量修正辐照量检测的关系。并进一步结合检测地纬度的影响，将 大气质量修正为绝对大气质量( a m 。) 。 ( 3 ) 电路设计。一方面，在控制器中，微处理器要实时采集三路被测量的 数据和上位机通讯请求以便作出相应的动作；另一方面，系统也涉及到设计保 证检测精度的要求。因此，这部分内容是调理电路的设计、光辐照量检测通路 前置放大电路的设计和其他功能电路的设计。 ( 4 ) 通讯方式设计。远程检测点与主机有较远距离，通过4 8 5 通讯方式将 数据准确的送入上位机。在多节点测量时，避免了因一个下位机节点工作不正 常而导致整个系统瘫痪的可能。 ( 5 ) 干扰的抑制。为保证系统的检测精度，针对电路可能出现的干扰进行 了多种抑制方式，在硬件设计中采用隔离干扰源、使用长线加低通滤波器等措 施，软件设计中采用软件陷阱等方法。 东华大学硕士学位论文 第二章光伏电站检测系统的工作原理 第二章光伏电站检测系统的工作原理 2 1 光伏电站检测系统总体方案设计 光伏电站检测系统总体方案如图2 1 所示，它是由硬件和软件两大部分组 成。硬件系统完成数据采集、处理和转换。主控上位机为中央监控计算机，安 装了自行开发的检测软件，可连接1 个或多个下位机。下位机为自行研制的单 片检测器，具有规范化接口，可以根据需要修改下位机软件以改变系统。上下 位机之间采用r s 4 8 5 总线通讯。上述结构具有不封闭网络的特点，可方便地添 加新节点，上下位机之间通过总线通讯，速度快；当某个节点发生故障时不干 扰其他节点工作，保证了系统不因为局部工作不正常而瘫痪。针对光伏电站所 处环境特点以及对电站运行最为相关的因素确立了环境温度、组件温度和光辐 照量三个被测量。 图2 1 光伏电站检测系统总体方案 上位机 繁 基“絮。 2 2 温度检测通路传感器选型 光伏电站工作状态受环境影响显著，主要体现在环境温度和系统模块温度 对于系统工作状态的影响上。组件温度检测是针对系统模块的温度测量，它的 实时监测有利于及时检查系统运行状况是否正常，并且提供光辐照量通路检测 以校正参数。而环境温度的检测可以为分析系统当前发电状况及预测未来发电 量提供重要依据1 2 。 2 2 1 温度传感器分类及选用比较 温度传感器的发展经历了分立式温度传感器，模拟集成温度传感器到智能 5 东华大学硕士学位论文 第二章光伏电站检测系统的工作原理 温度传感器3 个阶段。目前，国际上最新型温度传感器正经历从模拟式向数字 式、集成化向智能化及网络化的方向发展【2 2 1 。按与被测介质的接触方式温度传 感器分为两大类：非接触式温度传感器和接触式温度传感器。接触式温度传感 器的测温元件与被测对象有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡 后传感器的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度较高【2 3 】。 在选用温度传感器时，首先应该明确被测对象工作过程所处的温度范围以及 检测精度要求。如果对被测对象的测温精度要求较高，可用接触方式进行测量。 此时选用热电阻或热电偶作为温度传感器，可以保证传感器靠近被测对象。在选 择传感器种类后，结合被测对象的温度范围对应选择具体传感器的型号。 光伏电站检测的温度包括环境温度和组件温度，环境温度检测用于记录系统 运行环境状况变化，而组件温度检测提供判断系统运行是否正常。不仅如此，这 两种温度检测的数据都将用于光辐照量的检测校正中。根据这些功能要求，在组 件温度检测时选择半导体集成温度传感器，而环境温度检测采用了热电阻测温传 感器。 2 2 2 热电阻测温原理及选型 在精密常温测量中广泛采用的是热敏电阻。热电阻是基于电子的热动力效 应，即金属导体的电阻随着温度的变化而变化，从而把外界的温度变化转化为金 属自身的电阻值变化。热敏电阻的阻值和温度呈正比关系，通过流过电阻的电流 就可以得到与温度成正比的输出电压。将热电阻用于光伏电站环境温度检测中 时，会由于金属材料存在温漂系数而使得检测结果产生偏差。一般常见金属的温 漂系数都是正数，但许多纯金属材料在一定温度范围内温漂系数保持恒定，如铂 电阻、铜电阻等。铜材料因电阻率较小导致了铜热电阻有较大热惯性，并且铜具 有的较为活泼化学性质使得在稍高温度时容易氧化。此外，其检测精度比热电阻 低，使用温度也较窄，铂、铜热电阻特性对比如表2 1 所示。因此，利用铂电阻 制作的铂温度传感器更适用于光伏电站检测检测系统。铂电阻是一种标准化的器 件，其所具有的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的测量温度范围等 特性使其能够满足本系统的要求。 表2 一l 铂、铜热电阻特性对比 材质及o 电阻值容0 名义值电阻( r 1 0 0 电阻比名义 温度范围 值( r 1 0 0 分度号许误差( r o 胞) ( r 0 q )r 0 ) 容许误差 ( ) r 0 ) c u 5 05 0士0 0 50 4 2 8 土0 0 0 25 0 1 5 0 c u l 0 0 1 0 0 士0 1o 4 2 8士0 0 0 25 0 1 5 0 p t l o1 0士0 6 或土0 1 21 3 8 5士0 0 0 12 0 0 6 5 0 p t l 0 01 0 0士0 6 或士0 1 21 3 8 5士o 0 0 12 0 0 6 5 0 东华大学硕士学位论文 第二章光伏电站检测系统的工作原理 针对光伏电站环境监测中温度传感器距离控制室的显示控制仪表间的引线 较长的情况，采用三线制接法。以避免通常两线制接线方法由于引线电阻和接触 电阻的存在而大大降低测量精度。图2 2 为热电阻的三线制接法，其中热电阻的 三根导线，粗细、长度、阻值均相同。其中一根串联在电桥的电源上，对电桥的 平衡不产生影响，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂里，当使r 。= r 2 后即可保 证导线电阻对测量结果不产生影响。 图2 - 2 热电阻三线式接法 2 2 3 半导体集成温度传感器特性及选型 热电偶自身所具有的热电势小、灵敏度低的缺点，使得在常温区的温度测量 精度不高。尽管对温度变化反应灵敏，但其非线性太大的缺点影响了测量精度。 而铂电阻除成本高外，还具有在还原介质中使用时容易被从氧化物中还原出来的 气体所污染而影响寿命的。并且上述两种传感器温度的变化都表现为电压的变 化，因此不适合在本系统这种有强电磁干扰环境中实现信号传送，但是半导体集 成温度传感器可以解决这类问题。其中美国a d 公司出品的a d 5 9 2 温度传感器是 其中应用最为广泛的测温器件。 a d 5 9 2 是一款双端单芯片集成电路温度传感器，其输出电流与绝对温度成 比例。在宽电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、1 u k 温度相关电流 源。改进的设计和对i c 薄膜电阻的激光晶圆调整，使得a d 5 9 2 能够实现绝对 精度水平和非线性误差性能。a d 5 9 2 可用于2 5 至+ 1 0 5 应用。a d 5 9 2 采用 塑封封装，具有单芯片集成电路固有的低成本优势，而且应用所需的总器件数 非常少，因此a d 5 9 2 是目前性价比最高的温度传感器。使用a d 5 9 2 时，无需 昂贵的线性化电路、精密基准电压源、电桥器件、电阻测量电路和冷结补偿。 在光伏电站检测系统的组件温度检测通路中，需要组件温度信号参与光辐 照量检测的校正过程。因此，a d 5 9 2 的输出可以直接方便的作为校正参数使用。 不仅如此，a d 5 9 2 的塑封外壳可以与硅光电池保持长时间接触，这样进一步保 证了检测精度。 7 东华大学硕士学位论文第二章光伏电站检测系统的工作原理 2 3 光辐照量检测通路工作原理及校正 光伏电站环境检测系统中最重要的是针对太阳光辐照量的检测。太阳能系 统的使用者希望能得到光伏设备快速且可靠的功能资讯。但太阳光辐照量有多 种检测不确定因素，因此光辐照量又是光伏电站检测系统最难以检测的对象【2 4 1 。 2 3 1 太阳光光度学原理及影响因素 辐射是指能量以波或粒子的形式从其源发散到空间。太阳就是一个通过其 中心的核聚变反应产生热量的气体球，内部温度高达2 1 0 7 k 。内部强烈的辐 射被靠近太阳表面的一层氢离子所吸收。能量以对流的形式通过这层电阻，然 后再太阳的外表面的光球层重新向外辐射。 虽然太阳的表面辐射水平几乎恒定，接近于黑体在6 0 0 0 k 温度的能谱。但 到达地球表面后，太阳光受地球大气层的吸收和散射作用强烈，从而成为变量， 云层对到达地球表面的辐射的影响如图2 3 所示。在达到地球表面时，穿过地 球大气层的太阳光被减少或削弱了大约3 0 ，其影响因素主要为大气中分子的 瑞利散射。这些都导致了，航天技术采用中采用的利用黑体进行太阳能辐射水 平近似标定的方法，不能适用于地球大气层内的太阳光能量辐射检测。 图2 - 3 云层状况对到达地球表面的辐射的影响 国际上有多种表示太阳光能量辐射的标度值，本检测系统采用的是广泛使 用的太阳光辐照量。太阳光辐照量的定义是垂直于太阳光线的单位面积上接收 到的来自太阳的全辐射通量( 电磁辐射全波长) ，它是定量描述和研究太阳光辐 射的重要参量【2 5 1 。 进入大气层后，大气的散射对于不同波长影响程度不同，大部分的有效散 射发生在短波长范围里，漫射辐射在自然光谱的蓝端区域其主导作用，大气吸 收的光谱带如图2 4 所示。漫射所占的百分比随大气光学质量或者天空的阴云 程度增加而增加。在完全的阴云天气，没有直接日照，此时到达地球表面的辐 射大部分是漫射辐射。 8 东华大学硕士学位论文 第二章光伏电站检测系统的工作原理 uu zu qu bu bl1 z1 qi bi hz 波k i l m 图2 - 4 大气吸收的光谱带 由于云层散射、吸收等因素的影响造成了太阳光光谱时时变化，通过引入 大气质量( a i rm a s s ) 可以进行修正。当天空晴朗时，太阳在头顶直射且阳光在大 气中经过的光程最短时，到达地球表面的太阳辐射最强，太阳辐射穿过的大气 厚度如图2 5 所示，其与太阳在天空中的位置相关。此时的光程可用1 c o s e ：近 似? oz 是太阳光和本地垂线的夹角。 因2 5 太阳辐射穿过的大气厚度 这个光程定义为太阳辐射到达地球表面必须经过的大气光学质量a m ( a i r m a s s ) ，因此， a m = l e o s e z( 2 - 1 ) 在考虑了大气层不均匀而产生折射的实际情况后，可采用通过已知高度物 体( 竖直杆) 的投影来估算大气光学质量，如图2 6 所示，从而得到公式( 2 2 ) a m = 王( s h 2 )( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 中： h 竖直杆的高度( m ) ， s 测量当时的投影长度( m ) 。 9 r 0 n 2 _ ；，姜。委善!=l：i幕兴 东华大学硕士学位论文第二章光伏电站检测系统的工作原理 图2 6 通过已知高度物体的投影估算大气光学质量 当0 z _ o 。时，大气光学质量等于1 或称a m l ，a m l 时天空对大气入射光的 吸收和散射如图2 7 所示；当0 z - 6 0 。时，大气光学质量为2 或蝴2 。a m l 5 相当 于太阳光和垂线方向成4 8 2 0 角，这也被光伏业界定为标准。 2 1 8 6 1 o 70z 向地球直射 ( 浸射成分) 图2 _ 7 典型的a m l 晴朗天空对大气入射光的吸收和散射 2 3 2 光辐照量检测通路工作原理及校正对象 以适当的形式获得准确的日照数据对光伏发电系统设计来说显然是非常重 要的。但因为2 3 1 节所述的光辐照量的复杂性，现今应用较广的数据形式是落 到水平面或者倾斜平面上的平均全局辐射，其有显而易见的不准确性。精确的 检测光辐照量可以获得光伏电站运行的众多必要信息，包括系统运行是否正常 1 0 i_i h，v 东华大学硕二匕学位论文 第二章光伏电站检测系统的工作原理 等。并且通过对一段时间的数据的记录分析可以预测放电量以提供给使用者做 出最优决策【2 9 1 。 ( 1 ) 硅光电池光辐照量检测原理 硅光电传感器作为成本低廉、通过合理的后级电路可以到达符合要求的测 量精度越来越多的成为测量光辐照量的主流手段。硅光电池是基于光生伏特效 应制成的光电转换器件，通过将光信号转变为电信号来检测被测量。其工作原 理主要是当光照射p n 结时，激发原子产生电子一空穴对，之后电子和空穴分 别向两极移动而产生电动势，此时若两极接入电路则可以产生电流，硅光电池 结构示意图如图2 8 所示。 图2 - 8 硅光电池结构示意图 光照对p n 节电流- 电压间的函数特性影响如图2 9 所示，光照使电池的i v 曲线向下平移到第四象限，此时二极管的电能可以被获取，这里i l 为光生电流。 电流 图2 9 光的照射对p n 节电流一电压问函数特性的影响 此时，光伏电池的i v 特性曲线为 式( 2 3 ) 中： i = i l i e e x p ( 熹) 一王j ( 2 3 ) 东华大学硕士学位论文第二章光伏电站检测系统的工作原理 i 厂硅光电池p n 结的反向饱和电流( a ) ， i r 为稳定状态下的负载电流( a ) ， i 。为硅光电池在光照下产生的恒定电流( a ) ， v r 为稳定状态下的负载电压( v ) ， 卜绝对温度( k ) ， q 电子电荷( 1 6 1 0 。9 c ) ， k 玻尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 2 3 j 依) 。 硅光电池伏安特性曲线如图2 1 0 所示。 奄 炼 哥 压( v ) 图2 1 0 硅光电池伏安特性曲线 本系统采用硅光电池作为辐照量检测传感器的原因就是基于受光照后硅光 电池产生能被获取的电能。硅光电池结构中核心部分是一个大面积的p n 结， 硅光电池在光照下产生的电流随光强的增大而增大，其具有响应时间短和转换 效率高的优点。当作为测量元件的光电池应当作电流源，在光强度处于恒定时， 可将光电池看作恒流源。在理想p n 结状态下可用图2 11 表示的等效电路来考 虑。 r s 图2 1 1 理想状态下的硅光电池等效电路 东华大学硕士学位论文 第二章光伏电站检测系统的工作原理 在测量一定的照射强度、工作温度以及面积条件下，太阳能电池输出电能 的两个重要参数为短路电流和开路电压。短路电流是指在电压为0 时，电池输 出的最大电流，即伏安曲线与电流轴和交点。开路电压在伏安特性曲线中为曲 线与电压轴的交点。在理想情况下如果v = o ，短路电流i s c 与所接受的光照强度 成正比。 ( 2 ) 短路电流的定量分析 实际测量中，光伏电池通常伴有计生串联电阻和分流电阻。串联电阻来源 于半导体材料的体电阻、金属接触与互联、载流子在顶部扩散层的运输，以及 金属盒半导体材料之间的接触电阻。分流电阻是由于p n 结的非理想型和结附 近的杂质造成的，它引起的局部短路，尤其是在电池边缘。在测量中这些都会 对光伏电池输出产生影响，硅光电池实际等效电路图如图2 1 2 所示。 光照 h 乙曼i f - h r 图2 1 2 硅光电池实际等效电路图 此时，负载电流i r 和负载电压v r 的关系为 转换后可得 t r = t l 飞b ( 掣) 一1 - 警 ( 2 - 4 ) 、，= 等l n 警l 一篙警) 一i r r s ( 2 5 ) q 、 l &l r r 5 h ， aj、一。， 实际应用中发现硅光电池的并联电阻一般都很大，在计算时可以认为无穷大， 则 - 嚣= i l - i e 【e x 驴( 掣) 一1 】 此时可得短路电流和开路电压的公式分别为 外电路短路时， l s c = l l 飞 e x p ( 警) 一王】 外电路开路时， ( 2 6 ) ( 2 7 ) 东华大学硕士学位论文 第二章光伏电站检测系统的工作原理 v o c = 等l n 皆重) ( 2 8 ) 。e 利用式( 2 4 1 ) _ 式( 2 8 ) 得出计算硅光电池开路电压和短路电流随入射光强 ( 照度) 变化，其曲线如图2 1 3 所示。图中可以看出短路电流和照度成线性，开 路电压与入射光功率近似成对数关系。开路电压在弱光( 低温) 时检测分辨率较 高