胡昌吉，屈柏耿

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，佛山 528137)

0 引言

太陽輻射是影響光伏電站發(fā)電量的關(guān)鍵因素之一，其由直接輻射和散射輻射兩部分組成。其中，散射輻射是指太陽輻射被空氣分子、云和空氣中的各種微粒(如PM2.5顆粒、水汽等)分散成無方向性的、但不改變其單色組成的輻射[1]。

在光伏電站設(shè)計階段，散射輻射數(shù)據(jù)(比如散射輻照度)的測量對于評估太陽能資源情況，選擇最佳的光伏發(fā)電技術(shù)方案，進行合理的光伏發(fā)電系統(tǒng)配置，包括光伏組件最佳安裝傾角、光伏組件類型、光伏支架類型等的確定尤為重要[2]。此外，散射輻射數(shù)據(jù)也是光伏電站輸出功率預(yù)測的重要數(shù)據(jù)來源。

一些氣象站只提供水平面的總太陽輻照度數(shù)據(jù)，光伏電站要獲得散射輻照度數(shù)據(jù)則需要通過直散分離模型計算得到。但不同地區(qū)的氣象條件、空氣潔凈度存在較大差異，因此，直散分離模型中關(guān)鍵系數(shù)的提取仍需要得到實測散射輻照度數(shù)據(jù)的支持[3]。

目前，傳統(tǒng)的散射輻射測量裝置為遮光環(huán)式散射輻射測量裝置，雖然該裝置的測量結(jié)果準確度相對于遮光球式散射輻射測量裝置的偏低，但其無復(fù)雜精密的太陽跟蹤器，因而穩(wěn)定性和可靠性高，且性價比較高；然而，由于遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的遮光環(huán)在遮擋直接輻射的同時還會遮擋散射輻射，不可避免的會導(dǎo)致該裝置正常運行過程得到的散射輻射的測量值比實際值小10%左右[4]。遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的實物圖如圖1所示，其由總輻射表、遮光環(huán)、緯度盤、絲桿、調(diào)整螺栓、支架、底座組成?？傒椛浔戆惭b在支架平臺上；遮光環(huán)固定在標尺的絲桿上；緯度盤上刻有緯度刻度和赤緯刻度，使用時需設(shè)置為當?shù)氐牡乩砭暥取?/p>

圖1 遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的實物圖Fig. 1 Photo of shading ring scattered radiation measuring device

遮光環(huán)式散射輻射測量裝置可通過人工調(diào)節(jié)調(diào)整螺栓來進行赤緯度的調(diào)節(jié)，從而使遮光環(huán)全天遮擋太陽的直接輻射，只測量散射輻射。該裝置的自動化程度不高，也很難精確控制遮光環(huán)的位置。在運維過程中，需要檢查總輻射表是否始終處于遮光環(huán)所形成的遮擋陰影之內(nèi)，人工調(diào)節(jié)較為繁瑣；尤其是在陰天，很難通過遮擋陰影來判斷該裝置的實際運行效果，進而可能影響散射輻射數(shù)據(jù)測量的可靠性。針對上述問題，本文對遮光環(huán)式散射輻射測量裝置進行了改進，通過采用Arduino單片機，增加防水步進電機、傳動機構(gòu)和控制裝置，設(shè)計和實現(xiàn)了改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置，降低了遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的運維難度。

1 改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的設(shè)計

1.1 具體需求

改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的具體需求包括：

1)遮擋范圍。在日出時刻與日落時刻之間應(yīng)保證總輻射表處于遮光環(huán)所形成的遮擋陰影之內(nèi)。2)自動控制遮光環(huán)的位置。3)可手動調(diào)節(jié)遮光環(huán)的位置(修正齒輪傳動系統(tǒng)誤差)。

1.2 控制系統(tǒng)的技術(shù)要求

改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的控制系統(tǒng)需滿足以下技術(shù)要求[5]：

1)防護等級。需符合GB/T 4208—2017《外殼防護等級(IP代碼)》[6]中規(guī)定的IP65等級要求；采用防水步進電機、控制裝置，并置于防水配電箱內(nèi)。2)負載能力。利用絲桿調(diào)節(jié)調(diào)整螺栓時的扭矩不小于5 Nm，防水步進電機實際扭矩滿足絲桿調(diào)節(jié)需求即可。3)計時誤差。裝置內(nèi)部時鐘的計時誤差為每24 h不超過±1 s。4)功耗?？刂蒲b置的平均功耗不超過10 W。5)電源適應(yīng)性?？刂蒲b置的直流供電電壓小于等于36 V，電壓波動范圍在標稱電壓的±2 V以內(nèi)。由離網(wǎng)型光伏電源為改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置供電。

1.3 設(shè)計方案

盡量在不破壞傳統(tǒng)的遮光環(huán)式散射輻射測量裝置原本結(jié)構(gòu)的前提下對其進行改進，通過防水步進電機上預(yù)留的安裝孔，利用螺栓將步進電機固定在開槽打孔的鋁合金方管支架上；再通過聯(lián)軸器將防水步進電機輸出軸與遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的絲桿進行結(jié)合與固定。改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的實物圖如圖2所示。

圖2 改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的實物圖Fig. 2 Photo of improved shading ring scattered radiation measuring device

2 硬件設(shè)計

改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成示意圖如圖3所示。

圖3 改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成示意圖Fig. 3 Composition diagram of control system hardware of improved shading ring scattered radiation measuring device

改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的供電系統(tǒng)為離網(wǎng)型光伏電源。離網(wǎng)型光伏電源中光伏組件、蓄電池的容量及光伏控制器的選型均是基于當?shù)氐臍v史太陽輻照度數(shù)據(jù)來確定，采用能量流動模型[7]來驗證離網(wǎng)型光伏電源的可靠性，確保供電系統(tǒng)的缺電率為0%；蓄電池的放電深度設(shè)置為0.8。

采用低功耗的DS3231時鐘模塊作為控制系統(tǒng)的實時時鐘。該模塊在-40～85 ℃溫度范圍內(nèi)的計時精度保持在±5 ppm (±0.432 s/天)。按鍵模塊用于手動控制防水步進電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。通過繼電器模塊控制防水步進電機驅(qū)動器的工作；防水步進電機只有在工作時啟動，從而控制整套改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的功耗在0.1 W以內(nèi)。

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)以Arduino單片機作為主要控制單元，使用millis( )函數(shù)來監(jiān)控程序的運行時間。當運行時間大于1天，并由實時時鐘確定后，Arduino單片機執(zhí)行太陽赤緯角度差的計算，然后轉(zhuǎn)換成防水步進電機的脈沖數(shù)，由驅(qū)動器控制防水步進電機的轉(zhuǎn)動方向和角度。改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。其中：While(1)表示程序的無限循環(huán)。

圖4 改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置控制系統(tǒng)的程序流程圖Fig. 4 Program flow chart of control system of improved shading ring scattered radiation measuring device

太陽赤緯角δ的計算式[8]為：

式中：x為計算參數(shù)，無量綱數(shù)。

式中：N為日序，取值范圍為1～365或366，1月1日的日序為1；N0為計算參數(shù)。

N0可表示為：

式中：y為計算年份，無量綱數(shù)；INT( )為取整數(shù)的標準函數(shù)。

遮光環(huán)式散射輻射測量裝置中的遮光環(huán)調(diào)節(jié)位置與太陽赤緯角密切相關(guān)。一年中太陽赤緯角的變化情況如圖5所示。

圖5 一年中太陽赤緯角的變化情況Fig. 5 Changes of solar declination angle in a year

從圖5可以看出：一年中，太陽赤緯角呈拋物線變化，在日序為80(春分日)和日序為266(秋分日)時，太陽赤緯角趨于0°；而在日序為172(夏至日)時，太陽赤緯角達到23°27′左右，是一年中太陽赤緯角的最大值。不同的太陽赤緯角會產(chǎn)生不同的太陽光入射角，從而會影響遮光環(huán)對總輻射表的陰影遮擋。只有根據(jù)太陽赤緯角的變化調(diào)節(jié)遮光環(huán)的位置，才能確保遮光環(huán)對總輻射表的陰影遮擋，測量的散射輻射數(shù)據(jù)才是準確的。不同太陽赤緯角調(diào)節(jié)間隔時，太陽赤緯角的調(diào)整值隨日序的變化如圖6所示。

圖6 不同太陽赤緯角調(diào)節(jié)間隔時，太陽赤緯角的調(diào)整值隨日序的變化情況Fig. 6 Change of adjustment value of solar declination angle with daily sequence when adjustment interval of solar declination angle is different

從圖6可以看出：不同太陽赤緯角調(diào)節(jié)間隔時，太陽赤緯角的調(diào)整值存在的差異較大，尤其是在日序為80(春分日)和日序為266(秋分日)時。相鄰兩天的太陽赤緯角的調(diào)整值差異較小，適合采用防水步進電機，以便于精確控制太陽赤緯角。為消除絲桿螺距偏差導(dǎo)致的太陽赤緯角偏差，通過在控制系統(tǒng)程序中設(shè)置按鍵來控制防水步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手動修正系統(tǒng)誤差。

4 改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的運行效果分析

改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的運行效果可通過2種方法來進行驗證。

第1種是在陽光較好的天氣條件下，定期觀察遮光環(huán)是否能夠很好的根據(jù)設(shè)定程序來自動調(diào)節(jié)位置，實現(xiàn)對總輻射表的陰影遮擋。于2021年11月8日12:23對改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置進行了觀察，發(fā)現(xiàn)其可以實現(xiàn)對總輻射表的陰影遮擋，如圖7所示，從而驗證了所提改進方案的可行性，適用于無人值守的光伏電站中散射輻射數(shù)據(jù)的采集。

圖7 改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置對總輻射表的陰影遮擋情況Fig. 7 Shadow shielding of total radiation meter by improved shading ring scattered radiation measuring device

第2種是采用2臺遮光環(huán)式散射輻射測量裝置同步測量，其中1臺為傳統(tǒng)的遮光環(huán)式散射輻射測量裝置，其遮光環(huán)無法自動調(diào)整，且此次不進行人工調(diào)整；另1臺采用改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置，使用防水步進電機調(diào)整遮光位置。同期測量一段時間，用實測數(shù)據(jù)來驗證改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的效果，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 改進型與傳統(tǒng)的遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的實測數(shù)據(jù)對比Fig. 8 Comparison of measured data between improved shading ring scattered radiation measuring device and traditional one

從圖8可以看出：由于最初幾天2臺測量裝置的遮光環(huán)都能很好地實現(xiàn)對總輻射表的陰影遮擋，因此測量的散射輻照度基本相同。隨著時間推移，兩者測量的散射輻照度值的差異逐漸增大，特別是在晴天太陽直接輻射成分較多時，傳統(tǒng)的遮光環(huán)式散射輻射測量裝置不能很好地遮擋太陽直接輻射，從而導(dǎo)致測量的散射輻照度值偏大；但陰天時2種測量裝置測量的散射輻照度值的差異略小于晴天時的情況。

綜上可知，改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置能很好地實現(xiàn)對散射輻射數(shù)據(jù)的測量。

5 結(jié)論

本文在保留傳統(tǒng)的遮光環(huán)式散射輻射測量裝置原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其進行了改進，增加了防水步進電機、傳動機構(gòu)和控制裝置，實現(xiàn)了遮光環(huán)式散射輻射測量裝置的自動化。經(jīng)過實際運行驗證，改進型遮光環(huán)式散射輻射測量裝置滿足設(shè)計要求，具有較強的工程應(yīng)用價值。