面向桂林氣象特征的太陽能光伏電池板最佳部署角度

張聲嵐, 匡貞伍, 馬 航, 張烈平, 鄧金海

(桂林理工大學 機械與控制工程學院, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

傳感器網絡中傳感器節點能量供應是無線傳感器網絡研究的一項關鍵技術, 制約著無線傳感器網絡的性能和工作周期。當前主要依靠降低系統硬件能耗、 優化網絡拓撲管理等降低功耗的方法來延長傳感器網絡工作周期[1-2]。然而, 這些方法雖然可以減少能耗, 延長節點的使用時間, 但有限的儲電量總會耗盡, 仍然不能保證無線傳感器網絡運行的持續性。解決傳感器節點能量問題, 延長網絡生命周期的重要方案是采集和存儲自然環境中的能量, 為傳感器節點運行供應能量, 實現自供自足[3]。從環境中獲取可持續的自然能量中, 太陽能的能量密度相比風能、 振動能等其他能量源的能量密度要高很多， 將太陽能光伏供電應用在無線傳感器網絡節點的自供電具有很好的應用前景[4]。

近年來, 隨著生活環境日益惡化, 可再生能源利用與節能技術逐漸成為全球研究熱點[5-6]。以太陽能為代表的新型清潔能源越來越受到人們的關注, 光伏發電作為太陽能利用的主要手段已經逐漸被人們所熟知[7]。合理的光伏陣列安裝角度可提升太陽能利用效率, 使光伏發電系統的輸出功率最大化[8]。在無線傳感器網絡節點光伏自供電系統中, 由于光伏電池板面積小, 配置光照跟蹤裝置會帶來額外的大量能量消耗, 增加系統的復雜程度和成本。因此, 無線傳感器網絡節點自供電太陽能光伏系統采用固定式部署方式更合適。在實際應用中, 即使是在同一地點, 不同傾角接收的太陽輻射量差別很大[9]， 所以為了獲得更多的太陽輻射量, 固定式部署通常是將太陽能光伏電池板與水平面按一定的傾斜角放置。因此, 研究如何獲取無線傳感器網絡(wireless sensor networks, WSN)節點自供電系統中太陽能光伏電池板的最佳傾斜角度和最佳方位角度具有重要意義。

在研究太陽能光伏電池板部署角度的問題上, 劉國忠等采集某光伏電站內不同安裝傾角情況下的同年發電量數據, 研究了可調傾角方案對發電量的影響[10]；遲福建等提出了一種集中式大型光伏系統最佳傾角聚類分析方法, 并與PVsyst軟件所計算的結果進行對比分析, 驗證了有效性[11]；Babatunde等研究了光伏系統的傾斜、 定向、 清洗等技術因素對系統輸出的影響[12]；ahin提出了一種確定最佳傾角的神經網絡方法[13]； Ullah等利用太陽輻射數據, 建立了最佳光伏傾斜角模型, 模型為光伏電池板的調整提供了最佳時間表[14]。

本文以桂林氣象特征為環境背景, 對WSN節點自供電太陽能光伏電池板的最佳部署角度進行了研究， 給出了太陽能光伏電池板最佳傾斜角度和最佳方位角度的部署策略。通過仿真實驗， 并采用NASA氣象數據庫中的桂林市月平均光照輻射量數據進行測試, 驗證最佳方位角度和最佳傾斜角度部署策略的有效性。

2 WSN節點自供電太陽能光伏電池板部署角度策略

2.1 方位角度和傾斜角度的定義

如前所述, 無線傳感器網絡節點自供電光伏電池板采用固定式部署更符合實際應用需求。桂林豐富的光照資源使得太陽能光伏發電有很好的應用前景[15]。在實際應用中, 同等光照條件下, 當光伏電池板平面與太陽光線垂直的時候, 獲取能量的效率最高。因此, 本文通過改變太陽能光伏電池板的部署角度來改變光伏電池板的朝向方位, 使光伏電池能夠獲取更多的能量, 提高獲取效率。

部署太陽能光伏電池板涉及到兩個角度, 分別為方位角和傾斜角。以北半球為例, 方位角是光伏電池板的板平面法線在平面上的投影與地球正南方位之間的夾角, 記為β； 傾斜角是指光伏電池板的板平面和大地水平面之間的夾角, 記為α。

2.2 方位角的部署策略

以北半球為例, 中午12:00太陽位于正南方向, 是一天內太陽光照最強的時候， 所以光伏電池板一般都朝向正南方向擺放, 使得光伏電池板能夠盡可能多地收集能量。然而, 由光伏電池輸出特性可知, 溫度是影響最大功率點電壓的主要因素。太陽能光伏電池的轉換效率與溫度成反比關系, 隨著溫度升高而降低。太陽能的光照強度在正午時刻最大, 而溫度是在14:00左右達到最高。因此, 考慮到溫度因素對光伏電池能量轉換效率的影響, 光伏電池板部署的最佳方位角不一定為0°(正南朝向)。

不同種類的光伏電池有不同的溫度影響系數。通常多晶硅光伏電池的溫度影響系數約為0.4%, 單晶硅約為0.2%。一般情況下, 光伏電池板材料不同以及所處氣候環境的差異, 最佳方位角也會有所不同。因此, 需要根據實際情況對方位角進行修正：

(1)

式中：γ為方位角修正角度;ε為修正系數(一般取值為[0, 80]);K為太陽能光伏電池的溫度影響系數;TM為某一日中的最高溫度;TA為某一日中的正午溫度;TN為太陽能光伏電池的額定運行溫度。

根據式(1)計算出的修正角度就是光伏電池板向正西方向調整的角度。理論上， 最佳γ值不超過10°。根據本文給出的方位角修正策略可以在正午時分太陽能光伏電池板收集到足夠能量的前提下, 使得溫度最高的時刻太陽光照與光伏電池板的夾角最大, 從而防止溫度最高時段由于溫度過高而造成光伏電池能量收集效率降低的情況發生。

2.3 傾斜角的部署策略

假設地面的反射和光照散射的輻射方向為同方向。在任意時刻, 太陽能光伏電池板的斜面所接受的總輻射能量HA， 包括垂直輻射能量HAT、 反射輻射能量HCT和散射輻射能量HBT三部分[16]：

HA=HAT+HBT+HCT。

(2)

其中， 垂直輻射能量HAT計算方法為

HAT=HaRa,

(3)

式中:Ha為太陽光每天直射水平地面的平均輻射強度;Ra為光伏電池板斜面和太陽光直射水平面的輻射能量的比值

(4)

式中:δ為光伏電池板部署緯度;θ為太陽能光伏電池板的部署傾斜角;φ為赤緯角;ω為光伏電池板斜面的太陽日面時角;ωs為水平面的太陽日面時角。

散射輻射能量HBT：

(5)

式中:Hb為水平地面上太陽光每天的平均散射輻射強度;H0為大氣層外太陽光的日平均輻射強度;Ia為水平地面上太陽光直射水平地面每小時的平均輻射強度;I0大氣層外太陽光的每小時平均輻射強度。

水平地面上的反射輻射能量HCT：

(6)

式中:τ為水平地面的反射率(一般取值為0.2);HC為大氣層外太陽光的日平均輻射強度。

由式(2)～(6)可知, 太陽能光伏電池板的斜面所接受的總輻射能量HA可以表示為

(7)

將光伏電池板部署位置的緯度φ、 垂直輻射能量HAT、 散射輻射能量HBT和反射輻射能量HCT代入式(7), 即可求得光伏電池板的最佳部署傾斜角度θ。

3 方位角和傾斜角部署仿真實驗與結果分析

3.1 方位角和傾斜角部署仿真實驗

PVsyst是一款關于太陽能光伏系統設計與仿真軟件, 可以對太陽能光伏電池板的部署地點進行環境參數設定, 如溫度、 經緯度、 太陽光的日輻射量等。PVsyst也可以模擬部署太陽能光伏電池板的傾斜角和方位角, 并根據部署角度測算光伏電池板的光電轉換總量[17]。本文以桂林理工大學雁山校區8號教學樓(E110.3°, N25.07°)為測試地點, 利用PVsyst 軟件模擬研究太陽能光伏電池板最佳方位角和傾斜角的部署策略。圖1是PVsyst 軟件模擬部署光伏電池板的功能界面。

圖1 PVsyst 軟件模擬部署光伏電池板的功能界面

考慮到太陽能光伏電池板的方位角和傾斜角會對全年的太陽能光照總輻射量造成影響。在仿真實驗過程中, 先將方位角設置為恒定值0°, 然后通過PVsyst 軟件獲得不同傾斜角情況下全年太陽能光照的平均總輻射量, 如表1所示。

表1 傾斜角不同情況下太陽能光照年均總輻射量

由仿真實驗可以看出, 當方位角恒定為0°、 傾斜角為20°時, 測試地點的太陽能光照年均總輻射量達到最大值為1 227 kW·h·m-2。因此, 在實際太陽能光伏電池板部署時, 選擇最佳傾斜角為20°。

在確定最佳傾斜角的基礎上, 將傾斜角設置為恒定值20°, 獲取測試地點不同方位角情況下的全年太陽能光照平均總輻射量, 從而最終確定最佳方位角。通過PVsyst 軟件獲得的太陽能光照年均總輻射量, 如表2所示。

表2 電池板不同方位角下太陽能光照年均總輻射量

由仿真實驗結果可以看出, 當傾斜角恒定為20°時, 年均光照強度隨著方位角的改變不是很明顯。在方位角為偏正東方向-1°～偏正西方向4°的時候, 太陽能光照年均總輻射量達到最大值1 227 kW·h·m-2。

3.2 方位角和傾斜角部署實驗結果分析

為了對比最佳角度部署模式與水平面部署模式的不同效果, 本文采用Meteonorm 軟件對NASA氣象數據庫中桂林地區2015年的光照輻射量數據進行了分析, 分別獲得了最佳角度部署模式(傾斜角度取20°, 方位角度取1°)和水平面部署模式的月平均光照輻射量, 如表3所示。

表3 最佳角度部署和水平面部署模式的月平均光照輻射量

可知, 當太陽能光伏電池板采用水平面部署模式時, 年光照總輻射量為1 175.066 kW·h·m-2； 當太陽能光伏電池板以最佳角度部署模式時, 年光照總輻射量為1 227 kW·h·m-2。從年光照總輻射量來看, 以最佳角度部署模式來部署太陽能電池板獲得的能量更多。

將最佳角度部署模式和水平面部署模式的各月份太陽能光照輻射能量數據采用曲線的方式表示出來, 如圖2所示。 在1—2月和9—12月, 最佳角度部署模式的太陽能光照輻射能量獲取量稍微高于水平面部署模式, 在3—7月, 兩種部署模式的太陽能光照輻射能量獲取量相差不大, 這也與桂林地區的氣象特征相吻合。從整體的曲線起伏波動來看, 最佳角度部署模式的光照輻射量獲取量相對于水平部署模式更趨于均衡, 各月份獲取的能量變化幅度略小。因此, 以最佳角度部署模式來部署太陽能光伏電池板對于WSN節點的自供電會更加穩定。

圖2 兩種部署模式的月平均太陽光照輻射量對比

4 結 論

(1)闡述了光伏電池板傾斜角和方位角的定義, 并提出了光伏電池板最佳傾斜角和最佳方位角的部署策略。

(2)通過PVsyst軟件對最佳部署角度進行仿真實驗, 得出了部署光伏電池板的最佳部署角度為方位角1°, 傾斜角20°。

(3)使用Meteonmorm軟件對NASA數據庫中桂林的太陽能光照輻射量的數據進行了仿真實驗, 對最佳部署角度模式和水平面部署模式獲取光照輻射量的能力進行了對比分析, 得出了以最佳部署角度模式部署光伏電池板更適合WSN節點自供電的結論。

本文在最佳部署策略上采用的是方位角和傾斜角單獨最優的情況下組合, 在后續的研究中將進行兩種角度組合后最優角度的選擇和部署, 同時在部署太陽能電池板時, 將考慮不同季節太陽照射的角度, 使得光伏電池板角度部署更加全面、 科學和準確， 以獲得更多的太陽能。