【系列】光伏电站辐照仪之总辐照表与硅基辐照传感器的对比

前言

前两期兔子君为大家介绍了辐照仪在电站中的应用以及总辐照表这个电站中最常用的仪器，同时也提到了在光伏电站中另一个经常用到的相对低成本的硅基光电感应辐照仪。这两种辐照仪经常性的在电站配置中使用到。然而二者的差异很多设计人员并不了解。接下来这一期，兔子君给大家详细介绍：

1. 硅基辐照仪的原理

2. 硅基辐照仪和总辐照表的差异

3. 实际应用中应该如何取舍

硅基辐照仪原理

在前两期，兔子君有提到总辐照表是应用热电效应将光信号转化为电信号。

那么，硅基辐照仪可以说是利用了光电效应，将光信号转化为电信号

硅基辐照仪原理如下：

• 在硅基辐照仪里有一块太阳能电池，一般是单晶硅太阳能电池。
• 单晶硅太阳能电池所输出的电流信号是与光伏照信号在其他条件不变的情况下是成正比的，因而经过相关的换算与校准，可以讲传感器内部测得的电信号对等到响应的光照强度上。
• 相对高精度的硅基辐照仪内部有温度补偿装置，可以排除温度对光伏电池电信号输出的影响。

光谱吸收差异

由于材料不同，二者的光谱吸收存在着很大的差异。兔子君这里节选已有文献里的参数给大家解释：

1. 总辐照仪的光谱吸收范围在285nm-3000nm 光谱范围
2. 硅基辐照仪的光谱响应仅约为300nm-1200nm。其他材料的光谱吸收特性也不相同

如上图，黑色的曲线为太阳光的光谱组成，对应之下绿色为硅基电池在不同光谱下的吸收特性，吸收光谱最广的浅棕色曲线为总辐照仪。

可以看到总辐照仪：

1. 吸收波长范围较宽
2. 在不同波长的吸收特性较稳定

实际测量差异

以上图标为NREL提供的总辐照表相对于硅基辐照仪的全年内测量结果差异。

可以发现，针对不同的辐照仪，差异结果结果也不同，最大有3%的测量差别。

硅基辐照仪和总辐照仪相比在应用上的差别:

总辐照仪：

1. 总辐照仪测量辐照强度信号，当安装在水平位置时，代表着水平面总辐照也就是所说的GHI，在一般辐照测量和辐照地图编制时，常用到这个变量；当安装在组件倾斜平面时代表着组件方向上的辐照度。
2. 总辐照表在不同光波长度的光谱响应相对平稳，在调校时并不需要在不同光波长度下的修正。
3. 总辐照表的方向性响应不确定性很低，因而当与入射光角度相差较大时仍能有较准确的测量结果。
4. 在过去，总辐照表的调校不确定性比硅基辐照仪大，而现在总辐照表的不确定度大大降低，精准度已经超过硅基辐照仪，一般低至1.2%。

硅基辐照仪：

1. 较之过去，硅基类辐照仪被作为同类电池的基准测量器，被应用在电池效率模拟和测量仪器当中。之后，硅基类辐照仪被应用在短期系统性能评估当中(IEC 60904-1).
2. 硅基类辐照仪是在标准的STC（一定温度，光照等）条件下进行校准的，而户外的环境，入射光线等条件可能跟校准时有所区别。因此相对精准的硅基辐照仪都会采集户外的温度光谱情况并将采集的信号进行测量后的计算处理，转化到STC的情况下进行最后的结果输出。
3. 在传统的室内测量中，硅基的太阳能电池制成的辐照仪暴露在较少的紫外线环境当中，因而衰减较少。当辐照仪被拿到室外，硅基辐照仪跟光伏电池组件一样在未来的二十年会有20%的衰减。在出厂第一年会有3%的效率衰减。
4. 由于硅基电池材料在户外的不稳定性，该辐照仪需要经常性的调试，一般认为在不调试的情况下，硅基辐照仪会有至少1%每年的偏差。副基准级总辐照表的稳定性是正常硅基辐照仪的两倍以上。
5. 硅基辐照仪不适合做水平面总辐照度测量：

• 由于较差的低角度光照响应，每天的总辐照度测量总会是偏低的，在入射光角度高于55度时，光照精度比标准的光谱响应低5%
• 由于纬度和季节的影响，硅基辐照仪测量水平面总辐照度时，误差在其他纬度会比中等纬度地区高出至少两倍
• 由于精准度不够，硅基辐照仪结果直接会影响到电站效能评估，评级等结果。

总结一下

在实际中应用总辐照仪相对来说更加准确

1. 随着技术的进步，虽然过去总辐照表相对于硅基辐照仪精度稍差，但是目前的水平来说，总辐照表的精度已经大幅度提高，并且在各个方面性能优越于硅基辐照仪。误差控制在2%以内。
2. 总辐照表的测量结果被用作标准的数据结果，相比硅基辐照仪，不受电池种类的影响。同时测量的数据有较好的可比性可兼容性，能直接作为标准的辐照数据保存使用。
3. 由于较差的方向性响应，硅基辐照仪无法很好捕捉到在一定角度上的辐照度。硅基辐照仪测量的每天总辐照度偏差在2%以上。用质量较好的辐照仪可以实现这个方面的偏差控制在2%以内。
4. 总辐照仪的长期稳定性为硅基辐照仪的两倍以上。也就是说总辐照仪的调校频率是硅基辐照仪的两倍以上。
5. 针对拥有多家电站的开发商，使用总辐照仪对不同地点，不同环境的光辐照测量统一性与可比性较好。
   

同时硅基辐照仪也有适合使用的条件：

1. 排除光伏组件衰减的光照响应测试。由于硅基辐照仪有着跟光伏组件相似的衰减特性，所以应用跟组件电池和封装相同的硅基辐照仪测量光照结果进行系统性能评估，可以忽略系统的衰减。
2. 测量积尘等因素
3. 出于成本控制角度考虑，对系统性能进行粗估
   

用表格来总结

辐照仪与硅基辐照仪的比较

户外测试中的应用

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