低緯地區太陽能發電系統轉換效率提升的研究

邸子旭，曾林鵬，黃旭陽，王晶晶，魯書瑋，汪 源

（三亞學院 理工學院，海南 三亞 572022）

0 引 言

太陽能是指太陽光輻射到地球上的能量，其主要的利用方式有光熱轉換（太陽能熱水器）、光電轉換（光伏發電）和光化學轉換等[1]。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但每秒照射到地球上的能量也相當于500萬噸煤燃燒所提供的[2]。然而由于太陽能資源受到季節、晝夜、地理緯度、海拔高度及天氣等因素的影響，其穩定性不高，且太陽能利用裝置成本較高，因此太陽能的利用還不是很普及。因此，有效提高太陽能的利用效率就成為最重要的問題。

現有光伏發電設備大多是以固定方位安裝的光伏模塊作為能量采集裝置，設計方式單一，占用空間大，成本高昂，基于方位固定，光伏模塊的光電轉換效率易受周圍物體遮擋、太陽位置變化等因素變化而改變[1]。

文獻[2]對于低緯度地區太陽運動軌跡進行了詳細的研究，通過數據擬合的方式分析了太陽方位角和高度角對光伏強度的影響，同時文獻[3]對于光伏模塊方位與太陽能轉換效率之間的關系進行詳細的研究，說明優化光伏模塊的方位是提升光伏模塊光電轉換效率的重要因素之一。本文所設計的光伏模塊方位調節裝置，可根據不同時刻太陽方位角和高度角變化引起的光照強度變化來自動調節光伏模塊的方位[4]，使白天的大部分時刻太陽光都能垂直照射光伏模塊，進而提高光伏模塊的光電轉化效率。

圖1 整體系統設計圖

1 光伏模塊方位調節裝置的設計

本文主要通過傳感器技術和單片機技術來設計光伏模塊方位調節裝置，整個系統主要由傳感器模塊、步進電機及電機驅動模塊、單片機控制模塊和光伏模塊等部分組成，整體系統設計如圖1所示。光伏模塊為整個系統提供能源，傳感器模塊檢測環境物理量，為單片機控制模塊的控制決策提供依據，進而控制電機及驅動模塊調整光伏模塊的方位，提升光伏模塊的光電轉換效率。

1.1 傳感器模塊

傳感器模塊由4個光強傳感器、1個溫濕度傳感器組成，主要作用是感知光照強度、溫度和濕度等環境參數。通過4個光強傳感器接收的不同光強信息來確定什么方位光強最大，以此為依據來判斷光伏模塊的最優方位。在具體設計時，考慮到實際情況中入射太陽光不論從何種方向照射均為平行光，為確保4個光強傳感器所采集到的光強信號有較大區分度且真實可靠，在光伏模塊上安裝傳感器時，4個光強傳感器與光伏模塊平面并非垂直，都向中心形成相同的傾斜角，使不同光強傳感器能夠接收到不同的光強信號，具體安裝時的設計圖如圖2所示。

圖2 光強傳感器安裝設計圖

在比較多種傳感器的靈敏度、耗電功率等參數的基礎上，選擇靈敏度較高且功率較低的BH1750光強傳感器和DHT11溫濕度傳感器。光強傳感器檢測物理環境產生的電信號通過I2C總線傳輸到控制系統，經過信息處理，產生信號控制光伏模塊自動調節方位。溫濕度傳感器檢測環境溫度和濕度，當環境溫濕度超過警戒值時系統將報警，確保系統工作于正常的環境下。

圖3 電機驅動電路圖

1.2 步進電機及電機驅動模塊

電機驅動電路如圖3所示，選用ULN2003驅動芯片來驅動28BYJ4-48步進電機，對光伏模塊進行方位調節。ULN2003驅動芯片接收到控制模塊產生的控制信號后，向28BYJ4-48步進電機發送相對應的驅動指令，實現光伏模塊自動向不同方位進行轉動調節，實現光伏模塊的光電轉換效率的提升。

1.3 單片機控制模塊

單片機控制模塊是本系統的控制核心，選用STC89C52RC單片機作為主控制器。單片機接收光強傳感器的信號后，通過C語言程序進行計算后產生控制步進電機動作的控制信號，發送給電機驅動電路，進而控制光伏模塊方位的改變，程序控制策略如圖4所示。傳感器模塊與單片機之間使用I2C總線方式傳輸數據。傳感器模塊中每個傳感器都具有不同的硬件器件地址，通過在I2C總線上進行硬件地址的廣播可以做到與相對應的硬件進行數據交互，完成數據交換，所有傳感器將共用一組I2C總線，根據系統運行順序進行逐個訪問，并將每個傳感器的具體數值傳輸給單片機。在對環境數據進行感知的同時，將傳感器的數據顯示在LCD12864顯示電路中，便于工作人員觀察和記錄。

圖4 系統程序控制策略圖

2 系統測試

在對上述各模塊進行功能測試后，按照圖1的結構組裝整體系統并將編寫好的C語言程序燒錄單片機后進行系統測試。實際測試效果如圖5所示。從系統測試的結果來看，選用額定電壓為5 V、額定功率為1 W的太陽能光伏模塊作為系統電源，其輸出功率可達到步進電機啟動的額定功率，光伏模塊隨著太陽方位的變化而隨之調整，相比于固定方位的光伏模塊，方位可調的光伏模塊光電轉換效率得到了提高。

3 結 論

本光伏模塊方位調節裝置采用STC89C52單片機作為核心控制模塊，通過傳感器技術和單片機技術，利用4個光強傳感器接受光照強度的變化，通過I2C總線將光強信號傳輸給單片機模塊，單片機對光強信號進行處理后，將產生的驅動指令發送給電機驅動電路，驅動步進電機對光伏模塊的方位進行調節，提高光伏模塊的光電轉換效率。經過系統測試，整個光伏模塊方位調節系統穩定性好、使用時間長、控制準確度，系統經濟價值較好，有較強的應用推廣前景。

圖5 系統整體測試圖