一種多光譜測量的光資源監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽光資源監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種多光譜測量的光資源監(jiān) 測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了更好地開發(fā)利用太陽能資源，需要對大型太陽能資源開發(fā)利用項目進(jìn)行氣候 可行性論證，在設(shè)計太陽電池應(yīng)用系統(tǒng)時，必須掌握到達(dá)該地區(qū)的太陽輻射能，即掌握該地 區(qū)太陽輻射的年、月總量。地面太陽輻射包括直接輻射和散射輻射。太陽輻射穿過地球大 氣層時，不僅受到大氣層中的空氣分子、水汽及灰塵的散射，而且會被大氣中氧、臭氧、水和 二氧化碳的吸收，經(jīng)過大氣而達(dá)到地面的太陽輻射強度顯著衰減。在太陽能光伏發(fā)電高效 轉(zhuǎn)化研宄和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計分析時，需要使用太陽輻射這個重要參數(shù)。太陽輻射 量的測量和評估直接影響光伏發(fā)電站的選址及建成后實際發(fā)電效率的計算，因此對太陽輻 射量的監(jiān)測意義重大。
[0003] 目前傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)主要用于氣象部門，通常只測量太陽輻射量。對于能源電力 領(lǐng)域，為評估太陽能資源，或者直接利用氣象領(lǐng)域提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，或者利用氣象領(lǐng)域的太 陽輻射檢測設(shè)備進(jìn)行實際地面觀測。
[0004] 而實際上，由于不同類型太陽能電池覆蓋的頻段不同，僅僅利用單一監(jiān)測參數(shù)難 以有效地評估光資源。為克服國內(nèi)針對太陽輻射測量產(chǎn)品單一，不同產(chǎn)品光譜覆蓋范圍有 限，測量精度不高的缺點，完全有必要從能源利用與開發(fā)的角度出發(fā)，研宄專業(yè)的監(jiān)測方法 及設(shè)備。
[0005] 在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在設(shè)備種類少、適用范圍 小和測量精度低等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種多光譜測量的光資源監(jiān)測方法，以實 現(xiàn)設(shè)備種類多、適用范圍大和測量精度高的優(yōu)點。
[0007] 本發(fā)明的第二目的在于，提出一種多光譜測量的光資源監(jiān)測系統(tǒng)。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種多光譜測量的光資源監(jiān)測方法， 包括：
[0009] a、利用多個通道實現(xiàn)太陽光輻射量在多個光譜范圍內(nèi)的輻照度的測量；
[0010] b、基于太陽光輻射量在多個光譜范圍內(nèi)的輻照度的測量數(shù)據(jù)，利用寬帶的INGaAS PIN光電探測器加濾光片與硅光電二極管探測器相結(jié)合的方式實現(xiàn)多光譜的光資源監(jiān)測。
[0011] 進(jìn)一步地，在步驟a中，所述多個通道，最多可達(dá)10個通道，其中6個通道為硅光 電二極管探測器探測通道，2個通道為INGaAs PIN光電探測器探測通道，1個通道為太陽光 自動校準(zhǔn)通道，還有一個通道為人工校準(zhǔn)通道，10個通道的光路平行；
[0012] 和 / 或，
[0013] 在步驟b中，寬帶INGaASPIN光電探測器加濾光片測量的光譜范圍，包括近紅外 光譜。
[0014] 進(jìn)一步地，所述步驟a，具體包括：
[0015] 利用寬帶InGaAsPIN光電探測器進(jìn)行輻照度的測量采用的方法是歸一化平均光 強的方法，首先，把接收到的太陽光輻射量經(jīng)過InGaAsPIN光電探測器轉(zhuǎn)換為光電流，然后 InGaAsPIN光電探測器連接跨導(dǎo)放大電路，把光電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后再經(jīng)過自 動增益放大電路和均方根電路，最終輸出歸一化的平均光強。
[0016] 利用硅光電二極管探測器探測的是具體某一個頻率點上的太陽光輻射量，而利用 寬帶InGaAsPIN光電探測器探測的是某一頻率范圍內(nèi)太陽光輻射量的平均值。
[0017] 基于寬帶InGaAsPIN光電探測器和利用寬帶InGaAsPIN光電探測器的測量原理 可以如下表示：
[0018] 依據(jù)Lanbert-Beer定律，由Lanbert-Beer定律可知，太陽直射光經(jīng)過大氣層衰減 后達(dá)到地面，在地面上測得的某一頻率的輻射強度能夠由下列公式表示：
【主權(quán)項】
1. 一種多光譜測量的光資源監(jiān)測方法，其特征在于，包括： a、 利用多個通道實現(xiàn)太陽光輻射量在多個光譜范圍內(nèi)的輻照度的測量； b、 基于太陽光輻射量在多個光譜范圍內(nèi)的輻照度的測量數(shù)據(jù)，利用寬帶的INGaAS PIN 光電探測器加濾光片與硅光電二極管探測器相結(jié)合的方式實現(xiàn)多光譜的光資源監(jiān)測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測方法，其特征在于，在步驟a中，所 述多個通道，最多可達(dá)10個通道，其中6個通道為硅光電二極管探測器探測通道，2個通道 為INGaAsPIN光電探測器探測通道，1個通道為太陽光自動校準(zhǔn)通道，還有一個通道為人 工校準(zhǔn)通道，10個通道的光路平行； 和/或， 在步驟b中，寬帶INGaAS PIN光電探測器加濾光片測量的光譜范圍，包括近紅外光譜。 利用寬帶InGaAsPIN光電探測器進(jìn)行輻照度的測量采用的方法是歸一化平均光強 的方法，首先，把接收到的太陽光輻射量經(jīng)過InGaAsPIN光電探測器轉(zhuǎn)換為光電流，然后 InGaAsPIN光電探測器連接跨導(dǎo)放大電路，把光電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后再經(jīng)過自 動增益放大電路和均方根電路，最終輸出歸一化的平均光強； 利用硅光電二極管探測器探測的是具體某一個頻率點上的太陽光輻射量，而利用寬帶InGaAsPIN光電探測器探測的是某一頻率范圍內(nèi)太陽光輻射量的平均值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟 a，具體包括： 依據(jù)Lanbert-Beer定律，由Lanbert-Beer定律可知，太陽直射光經(jīng)過大氣層衰減后達(dá) 到地面，在地面上測得的某一頻率的輻射強度能夠由下列公式表示：
(1)； 式（1)中，Ioj為大氣層頂?shù)奶栞椛鋸姸?，TM是第i種吸收或散射粒子在大氣中 的光學(xué)厚度，mi是第i種吸收或散射粒子在大氣中的光學(xué)質(zhì)量；R是標(biāo)準(zhǔn)化日地距離，它使 用天文單位AU，一個天文單位AU代表當(dāng)日的太陽到地球的距離正好等于平均日地距離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)化日 地距離R，能夠由下面公式近似獲得：
(2)； 式（2)中d是當(dāng)日的太陽到地球的距離，dm是平均日地距離，1 <j< 365表示一年中 的第j天； 對干現(xiàn)窀中的女氣，公式（2)中的2t、能夠由下而的公式訴似獲?。?br>(3)； 式（3)中，"^表不氣溶膠的光學(xué)厚度，[^表不氣溶膠的光學(xué)質(zhì)量，t#是大氣分子的 光學(xué)厚度，表示大氣分子的光學(xué)厚度，Tw為臭氧的光學(xué)厚度，m(13為臭氧的光學(xué)質(zhì)量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟b，具 體包括： 采用檢測電路，即檢測電路產(chǎn)生的電壓V與它探測的太陽輻射強度I成正比，將正比關(guān) 系代入公式（1)，能夠獲得待測量電壓：
(4)； 式（4)中，V'x是糸統(tǒng)接收太陽輻射時產(chǎn)生的電壓，為系統(tǒng)對應(yīng)A波段的定標(biāo)常 數(shù)，它代表在平均日地距離即R等于1的情況下光學(xué)質(zhì)量為零時的外推電壓。
6. -種多光譜測量的光資源監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的光學(xué)模塊、電子學(xué) 模塊、FPGA核心處理器、以及嵌入在所述FPGA核心處理器中的軟件模塊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)模 塊，包括并行設(shè)置、且分別連接至電子學(xué)模塊的多個具有窄帶濾波片、光學(xué)透鏡和探測器的 監(jiān)測通道，以及分別連接至所述電子學(xué)模塊的自動校準(zhǔn)通道和人工校準(zhǔn)通道。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，每個具有窄帶 濾波片、光學(xué)透鏡和探測器的監(jiān)測通道，包括配合設(shè)置的INGaAsPIN光電探測器探測光路、 硅光電二極管探測器探測光路、太陽光自動校準(zhǔn)通道； 所述的INGaAsPIN光電探測器探測光路、硅光電二極管探測器探測光路、太陽光自動 校準(zhǔn)通道光路平行，INGaAsPIN光電探測器探測光路和硅光電二極管探測器探測光路同時 工作，太陽光自動校準(zhǔn)通道在校準(zhǔn)完成后，開啟INGaAsPIN光電探測器探測光路和硅光電 二極管探測器探測光路實現(xiàn)太陽光輻射量的測量。 所述INGaAsPIN光電探測器探測光路，包括光學(xué)固定筒，以及自所述光學(xué)固定筒的一 端至光學(xué)固定筒的另一端依次設(shè)置在光學(xué)固定筒上的石英窗、光闌、濾光片、透鏡和INGaAs PIN光電探測器； 所述石英窗、光闌、透鏡和INGaAsPIN光電探測器位于光學(xué)固定筒內(nèi)，太陽光首先照射 到石英窗上，依次通過光闌、濾光片和透鏡，最后聚焦到INGaAsPIN光電探測器上，其中的 透鏡為菲涅耳透鏡； 所述硅光電二極管探測器的探測光路，包括依次配合設(shè)置的硅光電二極管通道石英 窗、硅光電二極管通道光學(xué)固定筒、硅光電二極管通道光闌和硅光電二極管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電子學(xué)模 塊，包括分別與所述多個具有窄帶濾波片、光學(xué)透鏡和探測器的監(jiān)測通道和自動校準(zhǔn)通道 一一對應(yīng)連接的多個信號調(diào)理電路，連接在所述人工校準(zhǔn)通道與FPGA核心處理器之間的 控制模塊，分別與所述多個信號調(diào)理電路和FPGA核心處理器連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及分別 與所述FPGA核心處理器連接的存儲器和GPS模塊； 和/或， 所述軟件模塊，包括并行設(shè)置、且分別與所述FPGA核心處理器連接的多參量求解模 塊、LCD顯示模塊和多光譜計算模塊。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多光譜測量的光資源監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，每個信號調(diào)理 電路，包括依次配合設(shè)置的前置放大器、濾波器、二級放大器和采集電路。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多光譜測量的光資源監(jiān)測方法及系統(tǒng)，包括：利用多個通道實現(xiàn)太陽光輻射量在多個光譜范圍內(nèi)的輻照度的測量；基于太陽光輻射量在多個光譜范圍內(nèi)的輻照度的測量數(shù)據(jù)，利用寬帶的INGaAS PIN光電探測器加濾光片與硅光電二極管探測器相結(jié)合的方式實現(xiàn)多光譜的光資源監(jiān)測。本發(fā)明所述多光譜測量的光資源監(jiān)測方法及系統(tǒng)，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)備種類少、適用范圍小和測量精度低等缺陷，以實現(xiàn)設(shè)備種類多、適用范圍大和測量精度高的優(yōu)點。
【IPC分類】G01J1-42, G01N21-25
【公開號】CN104614070
【申請?zhí)枴緾N201510005262
【發(fā)明人】路亮, 汪寧渤, 夏慧, 陟晶, 劉國強, 韓自奮, 冉亮, 陳振寰, 姚振興, 李士強, 李艷紅, 丁坤, 李曉南, 張超
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)甘肅省電力公司, 甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心, 中國科學(xué)院電工研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月6日