光伏陣列低能耗趨光性研究

寧丁

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

近年來能源價格持續(xù)上漲，促使光伏發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，光伏發(fā)電正逐步由輔助能源向基礎(chǔ)能源過渡[1-2]。光伏陣列作為將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的主要轉(zhuǎn)換器件，其轉(zhuǎn)換效率取決于諸多因素，如溫度、光照強(qiáng)度等。國內(nèi)的光伏電站，雖然從地理位置上來講都處于光照強(qiáng)度大的地區(qū)，但是采用的光伏陣列都是固定式的發(fā)電單元，光伏陣列的效率因為太陽光傾斜照射產(chǎn)生的余弦分量沒有充分發(fā)揮，導(dǎo)致能量損耗[3-4]。

光伏發(fā)電的成本60%以上花費(fèi)在光伏陣列組件的制造上，為了提高太陽能電池的效率，使其能夠接收并轉(zhuǎn)換出最多的能量，可以在兩個方面進(jìn)行研究：1）太陽能電池板的制作工藝；2）物理的安裝調(diào)試方面。由于制作工藝水品幾乎出現(xiàn)了瓶頸，不可能有很大的突破。所以在實(shí)際應(yīng)用中主要就要考慮到光伏陣列的趨光性[5-6]。

1 光伏陣列追蹤方法分析

在安置光伏陣列時，為了使整個系統(tǒng)能接收到盡可能多的太陽輻射能量，應(yīng)該實(shí)時調(diào)整光伏陣列與地面的角度，讓太陽光垂直照射太陽能電池板。對于光伏電站而言，光伏陣列趨光性的跟蹤裝置應(yīng)采用雙軸跟蹤，即東西方向和南北方向各安裝一個步進(jìn)電機(jī)分別對太陽的高度角和方位傾角進(jìn)行跟蹤，用DSP進(jìn)行控制。當(dāng)然DSP在整個系統(tǒng)里不僅僅用來控制步進(jìn)電機(jī)的位置，還用來對太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤以及光伏逆變電路進(jìn)行控制。這里我們只討論DSP對步進(jìn)電機(jī)的控制。

圖1 光伏陣列放置及太陽光照射示意圖Fig.1 PV array place and sunlight schematic diagram

根據(jù)光伏電站當(dāng)?shù)氐臍庀笥涗洠玫饺甑奶栍^測數(shù)據(jù)包括每日的太陽高度角和方位角，在DSP中設(shè)置每日的步進(jìn)電機(jī)的起始位置，根據(jù)每天日照時間每十分鐘對光伏陣列的角度進(jìn)行調(diào)整，從而近似達(dá)到讓太陽光垂直照射光伏陣列的預(yù)期目的，并在光伏板四周各放置一個光敏電阻，對光照強(qiáng)度進(jìn)行測試，然后再對光伏陣列的角度方位進(jìn)行精確調(diào)整。整個系統(tǒng)趨光性追蹤示意圖如圖2所示。

圖2 光伏陣列趨光性追蹤示意圖Fig.2 PV array phototaxis track schematic diagram

圖3 光伏陣列追蹤系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Photovoltaic array tracking system control block diagram

2 實(shí)驗測試

本實(shí)驗采取光伏陣列直接對蓄電池充電并外接負(fù)載的實(shí)驗手段，先把蓄電池中的電量耗盡，只剩下一小部分。在光伏陣列的正電壓輸出端接一個100 Ω的電阻，利用數(shù)據(jù)采集卡對流過電阻的電流進(jìn)行采集，再把光伏陣列的輸出端接在蓄電池上。也利用數(shù)據(jù)采集卡對蓄電池的電壓進(jìn)行測量并采集，采集一天后，計算出光伏陣列一天之內(nèi)對蓄電池所充電量。這個電量是在光伏陣列放置在固定角度的的情況下所測出來的，再利用之前所做實(shí)驗算出的算出光伏陣列在隨著太陽光照強(qiáng)度變化過程中轉(zhuǎn)動的情況下的充電量以及估算發(fā)電量。

根據(jù)圖4搭建了實(shí)驗電路，采用特變電工出品的TBEA3235TS型號的光伏板，在西安工業(yè)大學(xué)行政樓頂樓放置。實(shí)驗中，將擬定的方法用C語言實(shí)現(xiàn)，用TMS320F2812進(jìn)行控制，在DSP的SRAM中調(diào)試通過后將其燒寫到DSP的FLASH中，這樣使得算法在DSP中能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

3 實(shí)驗測試數(shù)據(jù)分析

圖4 光伏實(shí)驗原理圖Fig.4 PV experimental diagram

實(shí)驗測試的參數(shù)是用萬用表、電流表、鉗形表以及數(shù)據(jù)采集卡對電壓、電流進(jìn)行了測量，然后計算出輸出功率。表1是采用了光伏陣列趨光性追蹤后在正午時分測得的3組數(shù)據(jù)；表2是采用固定角度放置的光伏陣列在正午時分測得的3組數(shù)據(jù)。

表1 追蹤后輸出的最大功率Tab.1 Maximum output power tracking

表2 不進(jìn)行追蹤輸出的最大功率Tab.2 Does not track the maximum power output

將2個表格中測試到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的實(shí)驗條件下，使用光伏陣列趨光性追蹤以后，其輸出功率有很大的提高，提高了太陽能的利用率，說明該方法的有效性。

從實(shí)驗所測得相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。光伏板最大空載電壓為40.4 V，最大充電電壓為30.0 V，最大充電電流為3 A，如果天氣狀況良好，光照強(qiáng)度大的話，發(fā)電峰值時間段大概有3個小時，為11:30－14:30之間，此時的最大功率可以達(dá)到90 W。蓄電池容量100 mA時，用光伏陣列給蓄電池充電大概需要3～5天時間（只是白天）。經(jīng)過估算，光伏陣列一天的發(fā)電量大概在0.567 KWh，具體估算結(jié)果如下，上午9:30開始工作，9:30－11:30充電電壓均值25 V，電流均值1.8 A；發(fā)電峰值時間11:30－14:30，充電電壓均值30 V，充電電流均值3 A；14:30－16:30，充電電壓均值27 V，充電電流均值2.4 A；16：30－18:30，充電電壓均值24 V，充電電流均值1.6 A。全天發(fā)電時間為9個小時左右。

固定角度放置的光伏陣列一天能充電0.567 kWh，而進(jìn)行趨光性追蹤的光伏陣列能到達(dá)0.619 kWh，經(jīng)過測量，我們發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)及其相關(guān)電路的電流為0.3 A，也就是說，從9:30電機(jī)開始運(yùn)作一直到18:30，9個小時電機(jī)及其相關(guān)電路共耗電量0.027 kWh，一天下來，轉(zhuǎn)動的太陽能板凈充電量為（0.619－0.027）kWh=0.582 kWh，比固定的太陽能板多出充電量為0.015 kWh。我們可以利用多產(chǎn)出的這些能力增加更多的負(fù)載，或者加大負(fù)載的功率；甚至可以減小光伏陣列的尺寸規(guī)格等，從而降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的整體效率。

4 結(jié) 論

文中通過對光伏陣列的趨光性的分析，針對太陽能光伏陣列轉(zhuǎn)換效率低這一問題，提出了一種簡單可行并且能耗低的光伏陣列趨光性追蹤方法。采用了雙軸追蹤模式，利用天文學(xué)的計算公式，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)緯度信息，測算出不同時刻的太陽的方位角和高度傾角，以此作為基準(zhǔn)，進(jìn)行粗略定位，并根據(jù)實(shí)時光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對光伏陣列的位置進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。利用所提出方法，可保證光伏陣列的輸出功率有較大提高，并且系統(tǒng)具有較高的控制精度。通過實(shí)地實(shí)驗測試，驗證了該方法的可行性和實(shí)用價值。

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