RSR2旋转遮光太阳能测量评估系

一、系统概述：
???   地球表面的太阳能获取有2种途径：太阳在空中直射的光波和散射的光波。直射相对散射是容易测量的。而在RSR没有出现之前，测量散射的成本是相当昂贵的。
    RSR2（Rotating Shadowband Radiometer）旋转式太阳能监测系统是专门针对太阳能发电系统设计开发的，可以精确测量总辐射、散射、直接辐射等太阳辐射数据，主要应用于太阳能资源评估、太阳能系统监测和全球大气能量平衡研究等。可为太阳能发电系统提供预报，通过太阳能资源数据分析及太阳能发电站的优化设计，提高太阳能发电系统的性能。
Irradiance RSR2 旋转测光系统在1990年开发完成，1991年开始投入市场使用，新一代的RSR2旋转式太阳能监测系统在2008年推出，目前在世界各地运行着数百套的RSR系列的旋转式太阳能监测系统，为众多太阳能电站提供太阳能资源的实时监测、发电功率验证以及对太阳能电站的投资进行回报评估服务。
通过与美国国家可再生能源实验室（NREL）、圣地亚哥国家实验室、俄勒冈州立大学太阳能实验室等机构的长期合作，BSBR1000旋转式太阳能监测系统的精确性能、稳定性能、机械性能等都在不断地实践中得到了极大的改进和完善，高度可靠性也是客户的不二选择。

二、工作原理：
阳光从太阳盘面直接照射到与光路正交的表面，称作直接辐射简写为 DNI。在大气中散射的直接到达地面的阳光称为散射辐射。散射辐射的标准测量在水平面上进行，这个测量叫做散射水平辐射，或者简化为“散射”简写为 DHI。太阳的 DHI和 DNI到达水平表面称为总水平辐射，通常简称为总辐射，简写为 GHI。DNI入射水平面的角度称为太阳天顶角，或者解释为从地球上头顶一点到太阳圆盘中心之间的测量角。在日出和日落时天顶角为 90度，没有直射辐射到达水平面（更复杂的是直射光折射进入大气，折射角度角度大于日出和日落的角度，这样一来，当太阳看起来还在地平线之上，但事实上却在地平线之下）。方程涉及了三个辐射参数：
系统中配备的Irradiance RSR2旋转遮光辐射计利用简单可靠、响应迅速的光电二极管来测量出总辐射GHI，散射DHI，并通过下面的公式计算出直接辐射DNI。
GHI = DHI + DNI cosine （zenith）
Zenith太阳直射角根据经纬度和时间计算。
这个关系就是BSBR1000旋转式太阳能监测系统智能辐射传感器的运行原理。BSBR1000旋转式太阳能监测系统测量 GHI和 DHI，基于时间日期和BSBR1000旋转式太阳能监测系统的位置（经纬度）计算太阳天顶角（无论是几何角还是视天顶角）的余弦，然后利用已知量和上面的方程计算 DNI。
BSBR1000旋转式太阳能监测系统设置为每 3秒测量 GHI一次，以1分钟为间隔求均值并贮存数据，然后存储。基于数据采集器非常精确的内置时钟，至少每半分钟 BSBR1000旋转式太阳能监测系统的遮蔽带就会旋转遮光一次。在部分多云天，辐射变化很快时，旋转会更加频繁。辐射的专有程序解析了一系列旋转期间的快速测量，来识别影子信息，计算 DNI和 DHI。测量平均后，和GHI一起存储在数采输出表格中。标准BSBR1000旋转式太阳能监测系统的编码为 1分钟输出表格。基于BSBR1000旋转式太阳能监测系统利用温湿度和气压传感器扩展测量以获取当前环境大气温度和大气压。这些气象参数将用来补偿辐射传感器对工作温度的灵敏度，以及用于估算辐射光的折射。

图2

三、系统组成：

图3 RSR2系统安装实例
???   RSR2（Rotating Shadowband Radiometer）旋转式太阳能监测系统主要由旋转遮光辐射计、数据采集模块、气象要素测量传感器、通讯模块、供电模块等四大部分组成。根据实际使用要求，用户可以灵活为各模块配备不同类型的仪器，按需灵活定制。
1、旋转遮光辐射计

图4 旋转遮光辐射计整体说明图
2、数据采集、控制模块：
???   RSR2系统的数据采集模块以经久耐用、品质可靠的美国CSI系列数据采集器为核心，能够对系统的测量数据进行集中采集与处理，并对整个系统的运行状态进行监控。

图5 数据采集、控制模块
3、气象要素：
可选风速风向、温湿度、大气压力、降雨量等，根据使用需求配置。

     风速风向传感器            雨量筒传感器            温湿度传感器       大气压力传感器
图6 气象传感器

4、通讯模块：
可支持无线3G猫、有线光纤、卫星等多种通讯方式，利用控制软件读取远程观测数据；BSBR2旋转式太阳能监测系统终端匹配的软件系统可以兼容不同的服务器操作系统，比如WINDOWS、LINUX操作系统。
对于CR系列数据采集器我们可以满足下列图示提供的各种类型的通讯方法与组网手段。
下面主要以硬件连接方式来描述数据采集器的连接方式，数据采集器有一个标准的RS232接口，4个扩展通讯RS232接口和一个高速外设端口。
1）高速外设端口可以通过连接NL115通讯模块来接入以太网络,如下图所示，真正的高速网卡与采集器的通讯速度可以达到1.6~3.2MB/s。

图7  NL115模块接入网络示意图
2）、RS232可以直接或通过转换接口设备连接到以下几种通讯设备：
（1）、多点总线（485总线），可以使用计算机的一个RS232口监控多个采集器，每个采集器具有不同的地址。

图8 MD485接入系统
（2）、无线电台通讯，使用433/915/2.4G开放频率，采用了最流行的无线路由转发，内置路由算法。采集器可以进行路由算法进行转发，支持多跳无线传输，通过路由转发可以最大限度的扩展传输距离。功耗低。

图9  RF411无线电台通讯

图10  RF401 to MD485

图11  MD485 to RF401
（3）、卫星，主要使用我国自主研发的北斗卫星系统（覆盖我国领土）和海事卫星系统
目前在青藏高原和海洋站都有应用的实例，稳定好，北斗卫星接收器耗电较高，海事卫星稍低，但费用比北斗要高。
        
图12  北斗和海事卫星终端
  4、GPRS与CDMA设备，是目前比较流行的方式，需要用户有静态IP地址和现场的网络支持，接收端位置固定，不能更改，现在通过域名指向方式解决了这个问题。

图13 GPRS与CDMA接入
3、供电模块：
可为系统提供太阳能、直流、交流等多种供电方式。

     图14  电池给数采供电示意图
四、系统软件：
软件是在得到CAMPBELL公司许可下，在CRbasic代码基础上运行的RSR控制、测量总辐射、散射、直接辐射、温度、气压等要素的LOGGERNET软件。
采集数据表格如下（可更改）：

图15 数据表输出格式（可根据需要修改）
结合通讯组网的方法，我们可以通过CSI公司的LoggerNet软件来完成采集器设置编程监控等工作，也可通过SDK开放包来完成自己软件的制作。
1、LoggerNet通讯软件
用于数据收集，数据监控、采集器程序的编制，采集器的设置，数据的简单分析，处理，监控界面的制作。网络服务，联网功能。

图16 软件主界面
用户可以使用进行数据实时监控，数据自动下载。尤其在大容量数据，具有通讯效率高，速度块。实时性强。

图17 数据输出格式设置
1）可以对采集器测量程序进行修改编写，CRBasic编程环境，易于学习和检查，支持各种数据运算和控制逻辑。可以适应各种技术规范，各种要求的算法，使用灵活。
2）ShortCut软件方便灵活，用户在不需要熟悉编程就可以实行对采集器的应用，用户只需要选择相应的传感器和系数就可以
3）View模块可以方便的对数据进行检查简单分析。
4）RTMC模块可以让用户方便简单的制作图形话的监控界面，可以支持中文。用户在不需要做软件开发的工作就可以在很短的时间做出漂亮的界面。
 
2、用户自定义软件的开发

用户也可以通过CSI公司提供的下列方式制作自己的第三方软件，分以下几种开发方法：
单机监控软件的开发，这个方法可以制作出独立运行直接与采集器连接的软件，可以通过dll接口方便的调用各种函数来实行用户需要的功能，我们提供免费的开发包。用户可以根据自己的要求，参考开发包的例子作出自己想要的软件。
也直接使用串口通讯命令来做自己的软件。相对与其他方法，这种方法通讯效率较低，适合于数据量较小而又习惯于这个方法的用户。
多数据采集器联网通讯软件的开发，这种方式支持采集器可以达到4000以上，如果你有一个采集网络，而且是个多种通讯方式组成，例如有以太网连接，调制解调器连接，电台通讯，GPRS/CDMA通讯，各种通讯方式又有自己单独的子网络。
这种方式也可以采用单机监控软件的方法来做独立运行的软件，但是我们可以通过loggernetSDK来做服务，组网与底层通讯由LoggerNet Sever来完成，我们只需要关系数据的走向和存储监控。就可以轻松开放出想要的软件。
自定义软件开发图像显示界面
 
五、系统主要功能：
1、旋转遮光太阳能监测系统组成：
1、RSR2旋转遮光辐射计
2、LI-200SZ 日射强度计
3、斜面日射强度计
4、034B风速风向传感器
5、CS215温度和湿度传感器
6、CS106气压传感器
7、雨量桶（可选）
8、云量测量雷达（可选）
9、CR1000数据采集器
10、GPRS无线传输模块
11、固定支架（10米镀锌塔或2米不锈钢支架）
12、太阳能供电系统、太阳能板、充电控制器及蓄电池。
注：以上传感器均可根据测量要素进行选配