改進型遮光環式散射輻射測量裝置的設計與實現

胡昌吉，屈柏耿

(佛山職業技術學院電子信息學院，佛山 528137)

0 引言

太陽輻射是影響光伏電站發電量的關鍵因素之一，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]。

在光伏電站設計階段，散射輻射數據(比如散射輻照度)的測量對于評估太陽能資源情況，選擇最佳的光伏發電技術方案，進行合理的光伏發電系統配置，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，散射輻射數據也是光伏電站輸出功率預測的重要數據來源。

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

目前，傳統的散射輻射測量裝置為遮光環式散射輻射測量裝置，雖然該裝置的測量結果準確度相對于遮光球式散射輻射測量裝置的偏低，但其無復雜精密的太陽跟蹤器，因而穩定性和可靠性高，且性價比較高；然而，由于遮光環式散射輻射測量裝置的遮光環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、緯度盤、絲桿、調整螺栓、支架、底座組成?？傒椛浔戆惭b在支架平臺上；遮光環固定在標尺的絲桿上；緯度盤上刻有緯度刻度和赤緯刻度，使用時需設置為當地的地理緯度。

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

遮光環式散射輻射測量裝置可通過人工調節調整螺栓來進行赤緯度的調節，從而使遮光環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所形成的遮擋陰影之內，人工調節較為繁瑣；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據測量的可靠性。針對上述問題，本文對遮光環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、傳動機構和控制裝置，設計和實現了改進型遮光環式散射輻射測量裝置，降低了遮光環式散射輻射測量裝置的運維難度。

1 改進型遮光環式散射輻射測量裝置的設計

1.1 具體需求

改進型遮光環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保證總輻射表處于遮光環所形成的遮擋陰影之內。2)自動控制遮光環的位置。3)可手動調節遮光環的位置(修正齒輪傳動系統誤差)。

1.2 控制系統的技術要求

改進型遮光環式散射輻射測量裝置的控制系統需滿足以下技術要求[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。2)負載能力。利用絲桿調節調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節需求即可。3)計時誤差。裝置內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。由離網型光伏電源為改進型遮光環式散射輻射測量裝置供電。

1.3 設計方案

盡量在不破壞傳統的遮光環式散射輻射測量裝置原本結構的前提下對其進行改進，通過防水步進電機上預留的安裝孔，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；再通過聯軸器將防水步進電機輸出軸與遮光環式散射輻射測量裝置的絲桿進行結合與固定。改進型遮光環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 硬件設計

改進型遮光環式散射輻射測量裝置控制系統的硬件構成示意圖如圖3所示。

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

改進型遮光環式散射輻射測量裝置的供電系統為離網型光伏電源。離網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地的歷史太陽輻照度數據來確定，采用能量流動模型[7]來驗證離網型光伏電源的可靠性，確保供電系統的缺電率為0%；蓄電池的放電深度設置為0.8。

采用低功耗的DS3231時鐘模塊作為控制系統的實時時鐘。該模塊在-40～85 ℃溫度范圍內的計時精度保持在±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與反轉。通過繼電器模塊控制防水步進電機驅動器的工作；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式散射輻射測量裝置的功耗在0.1 W以內。

3 軟件設計

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

圖4 改進型遮光環式散射輻射測量裝置控制系統的程序流程圖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，無量綱數。

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。

N0可表示為：

式中：y為計算年份，無量綱數；INT( )為取整數的標準函數。

遮光環式散射輻射測量裝置中的遮光環調節位置與太陽赤緯角密切相關。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生不同的太陽光入射角，從而會影響遮光環對總輻射表的陰影遮擋。只有根據太陽赤緯角的變化調節遮光環的位置，才能確保遮光環對總輻射表的陰影遮擋，測量的散射輻射數據才是準確的。不同太陽赤緯角調節間隔時，太陽赤緯角的調整值隨日序的變化如圖6所示。

圖6 不同太陽赤緯角調節間隔時，太陽赤緯角的調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：不同太陽赤緯角調節間隔時，太陽赤緯角的調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致的太陽赤緯角偏差，通過在控制系統程序中設置按鍵來控制防水步進電機的正轉和反轉，實現手動修正系統誤差。

4 改進型遮光環式散射輻射測量裝置的運行效果分析

改進型遮光環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，定期觀察遮光環是否能夠很好的根據設定程序來自動調節位置，實現對總輻射表的陰影遮擋。于2021年11月8日12:23對改進型遮光環式散射輻射測量裝置進行了觀察，發現其可以實現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據的采集。

圖7 改進型遮光環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臺遮光環式散射輻射測量裝置同步測量，其中1臺為傳統的遮光環式散射輻射測量裝置，其遮光環無法自動調整，且此次不進行人工調整；另1臺采用改進型遮光環式散射輻射測量裝置，使用防水步進電機調整遮光位置。同期測量一段時間，用實測數據來驗證改進型遮光環式散射輻射測量裝置的效果，對比結果如圖8所示。

圖8 改進型與傳統的遮光環式散射輻射測量裝置的實測數據對比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都能很好地實現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，傳統的遮光環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，改進型遮光環式散射輻射測量裝置能很好地實現對散射輻射數據的測量。

5 結論

本文在保留傳統的遮光環式散射輻射測量裝置原有結構的基礎上，對其進行了改進，增加了防水步進電機、傳動機構和控制裝置，實現了遮光環式散射輻射測量裝置的自動化。經過實際運行驗證，改進型遮光環式散射輻射測量裝置滿足設計要求，具有較強的工程應用價值。