改进型遮光环式散射辐射测量装置的设计与实现

胡昌吉，屈柏耿

(佛山职业技术学院电子信息学院，佛山 528137)

0 引言

太阳辐射是影响光伏电站发电量的关键因素之一，其由直接辐射和散射辐射两部分组成。其中，散射辐射是指太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒(如PM2.5颗粒、水汽等)分散成无方向性的、但不改变其单色组成的辐射[1]。

在光伏电站设计阶段，散射辐射数据(比如散射辐照度)的测量对于评估太阳能资源情况，选择最佳的光伏发电技术方案，进行合理的光伏发电系统配置，包括光伏组件最佳安装倾角、光伏组件类型、光伏支架类型等的确定尤为重要[2]。此外，散射辐射数据也是光伏电站输出功率预测的重要数据来源。

一些气象站只提供水平面的总太阳辐照度数据，光伏电站要获得散射辐照度数据则需要通过直散分离模型计算得到。但不同地区的气象条件、空气洁净度存在较大差异，因此，直散分离模型中关键系数的提取仍需要得到实测散射辐照度数据的支持[3]。

目前，传统的散射辐射测量装置为遮光环式散射辐射测量装置，虽然该装置的测量结果准确度相对于遮光球式散射辐射测量装置的偏低，但其无复杂精密的太阳跟踪器，因而稳定性和可靠性高，且性价比较高；然而，由于遮光环式散射辐射测量装置的遮光环在遮挡直接辐射的同时还会遮挡散射辐射，不可避免的会导致该装置正常运行过程得到的散射辐射的测量值比实际值小10%左右[4]。遮光环式散射辐射测量装置的实物图如图1所示，其由总辐射表、遮光环、纬度盘、丝杆、调整螺栓、支架、底座组成。总辐射表安装在支架平台上；遮光环固定在标尺的丝杆上；纬度盘上刻有纬度刻度和赤纬刻度，使用时需设置为当地的地理纬度。

图1 遮光环式散射辐射测量装置的实物图Fig. 1 Photo of shading ring scattered radiation measuring device

遮光环式散射辐射测量装置可通过人工调节调整螺栓来进行赤纬度的调节，从而使遮光环全天遮挡太阳的直接辐射，只测量散射辐射。该装置的自动化程度不高，也很难精确控制遮光环的位置。在运维过程中，需要检查总辐射表是否始终处于遮光环所形成的遮挡阴影之内，人工调节较为繁琐；尤其是在阴天，很难通过遮挡阴影来判断该装置的实际运行效果，进而可能影响散射辐射数据测量的可靠性。针对上述问题，本文对遮光环式散射辐射测量装置进行了改进，通过采用Arduino单片机，增加防水步进电机、传动机构和控制装置，设计和实现了改进型遮光环式散射辐射测量装置，降低了遮光环式散射辐射测量装置的运维难度。

1 改进型遮光环式散射辐射测量装置的设计

1.1 具体需求

改进型遮光环式散射辐射测量装置的具体需求包括：

1)遮挡范围。在日出时刻与日落时刻之间应保证总辐射表处于遮光环所形成的遮挡阴影之内。2)自动控制遮光环的位置。3)可手动调节遮光环的位置(修正齿轮传动系统误差)。

1.2 控制系统的技术要求

改进型遮光环式散射辐射测量装置的控制系统需满足以下技术要求[5]：

1)防护等级。需符合GB/T 4208—2017《外壳防护等级(IP代码)》[6]中规定的IP65等级要求；采用防水步进电机、控制装置，并置于防水配电箱内。2)负载能力。利用丝杆调节调整螺栓时的扭矩不小于5 Nm，防水步进电机实际扭矩满足丝杆调节需求即可。3)计时误差。装置内部时钟的计时误差为每24 h不超过±1 s。4)功耗。控制装置的平均功耗不超过10 W。5)电源适应性。控制装置的直流供电电压小于等于36 V，电压波动范围在标称电压的±2 V以内。由离网型光伏电源为改进型遮光环式散射辐射测量装置供电。

1.3 设计方案

尽量在不破坏传统的遮光环式散射辐射测量装置原本结构的前提下对其进行改进，通过防水步进电机上预留的安装孔，利用螺栓将步进电机固定在开槽打孔的铝合金方管支架上；再通过联轴器将防水步进电机输出轴与遮光环式散射辐射测量装置的丝杆进行结合与固定。改进型遮光环式散射辐射测量装置的实物图如图2所示。

图2 改进型遮光环式散射辐射测量装置的实物图Fig. 2 Photo of improved shading ring scattered radiation measuring device

2 硬件设计

改进型遮光环式散射辐射测量装置控制系统的硬件构成示意图如图3所示。

图3 改进型遮光环式散射辐射测量装置控制系统的硬件构成示意图Fig. 3 Composition diagram of control system hardware of improved shading ring scattered radiation measuring device

改进型遮光环式散射辐射测量装置的供电系统为离网型光伏电源。离网型光伏电源中光伏组件、蓄电池的容量及光伏控制器的选型均是基于当地的历史太阳辐照度数据来确定，采用能量流动模型[7]来验证离网型光伏电源的可靠性，确保供电系统的缺电率为0%；蓄电池的放电深度设置为0.8。

采用低功耗的DS3231时钟模块作为控制系统的实时时钟。该模块在-40～85 ℃温度范围内的计时精度保持在±5 ppm (±0.432 s/天)。按键模块用于手动控制防水步进电机的正转与反转。通过继电器模块控制防水步进电机驱动器的工作；防水步进电机只有在工作时启动，从而控制整套改进型遮光环式散射辐射测量装置的功耗在0.1 W以内。

3 软件设计

控制系统以Arduino单片机作为主要控制单元，使用millis( )函数来监控程序的运行时间。当运行时间大于1天，并由实时时钟确定后，Arduino单片机执行太阳赤纬角度差的计算，然后转换成防水步进电机的脉冲数，由驱动器控制防水步进电机的转动方向和角度。改进型遮光环式散射辐射测量装置控制系统的程序流程图如图4所示。其中：While(1)表示程序的无限循环。

图4 改进型遮光环式散射辐射测量装置控制系统的程序流程图Fig. 4 Program flow chart of control system of improved shading ring scattered radiation measuring device

太阳赤纬角δ的计算式[8]为：

式中：x为计算参数，无量纲数。

式中：N为日序，取值范围为1～365或366，1月1日的日序为1；N0为计算参数。

N0可表示为：

式中：y为计算年份，无量纲数；INT( )为取整数的标准函数。

遮光环式散射辐射测量装置中的遮光环调节位置与太阳赤纬角密切相关。一年中太阳赤纬角的变化情况如图5所示。

图5 一年中太阳赤纬角的变化情况Fig. 5 Changes of solar declination angle in a year

从图5可以看出：一年中，太阳赤纬角呈抛物线变化，在日序为80(春分日)和日序为266(秋分日)时，太阳赤纬角趋于0°；而在日序为172(夏至日)时，太阳赤纬角达到23°27′左右，是一年中太阳赤纬角的最大值。不同的太阳赤纬角会产生不同的太阳光入射角，从而会影响遮光环对总辐射表的阴影遮挡。只有根据太阳赤纬角的变化调节遮光环的位置，才能确保遮光环对总辐射表的阴影遮挡，测量的散射辐射数据才是准确的。不同太阳赤纬角调节间隔时，太阳赤纬角的调整值随日序的变化如图6所示。

图6 不同太阳赤纬角调节间隔时，太阳赤纬角的调整值随日序的变化情况Fig. 6 Change of adjustment value of solar declination angle with daily sequence when adjustment interval of solar declination angle is different

从图6可以看出：不同太阳赤纬角调节间隔时，太阳赤纬角的调整值存在的差异较大，尤其是在日序为80(春分日)和日序为266(秋分日)时。相邻两天的太阳赤纬角的调整值差异较小，适合采用防水步进电机，以便于精确控制太阳赤纬角。为消除丝杆螺距偏差导致的太阳赤纬角偏差，通过在控制系统程序中设置按键来控制防水步进电机的正转和反转，实现手动修正系统误差。

4 改进型遮光环式散射辐射测量装置的运行效果分析

改进型遮光环式散射辐射测量装置的运行效果可通过2种方法来进行验证。

第1种是在阳光较好的天气条件下，定期观察遮光环是否能够很好的根据设定程序来自动调节位置，实现对总辐射表的阴影遮挡。于2021年11月8日12:23对改进型遮光环式散射辐射测量装置进行了观察，发现其可以实现对总辐射表的阴影遮挡，如图7所示，从而验证了所提改进方案的可行性，适用于无人值守的光伏电站中散射辐射数据的采集。

图7 改进型遮光环式散射辐射测量装置对总辐射表的阴影遮挡情况Fig. 7 Shadow shielding of total radiation meter by improved shading ring scattered radiation measuring device

第2种是采用2台遮光环式散射辐射测量装置同步测量，其中1台为传统的遮光环式散射辐射测量装置，其遮光环无法自动调整，且此次不进行人工调整；另1台采用改进型遮光环式散射辐射测量装置，使用防水步进电机调整遮光位置。同期测量一段时间，用实测数据来验证改进型遮光环式散射辐射测量装置的效果，对比结果如图8所示。

图8 改进型与传统的遮光环式散射辐射测量装置的实测数据对比Fig. 8 Comparison of measured data between improved shading ring scattered radiation measuring device and traditional one

从图8可以看出：由于最初几天2台测量装置的遮光环都能很好地实现对总辐射表的阴影遮挡，因此测量的散射辐照度基本相同。随着时间推移，两者测量的散射辐照度值的差异逐渐增大，特别是在晴天太阳直接辐射成分较多时，传统的遮光环式散射辐射测量装置不能很好地遮挡太阳直接辐射，从而导致测量的散射辐照度值偏大；但阴天时2种测量装置测量的散射辐照度值的差异略小于晴天时的情况。

综上可知，改进型遮光环式散射辐射测量装置能很好地实现对散射辐射数据的测量。

5 结论

本文在保留传统的遮光环式散射辐射测量装置原有结构的基础上，对其进行了改进，增加了防水步进电机、传动机构和控制装置，实现了遮光环式散射辐射测量装置的自动化。经过实际运行验证，改进型遮光环式散射辐射测量装置满足设计要求，具有较强的工程应用价值。