光照入射角對光伏電池板功率的影響

郭慧晶

(山西機電職業技術學院 電氣工程系，山西 長治 046011)

0 引言

中國作為能源消耗大國，化石燃料日趨減少，能源危機問題日益加重，與此同時，化石燃料的燃燒嚴重污染了環境，為了解決這一問題，可再生新能源的探究迫在眉睫。太陽能是由于氫氦聚變產生輻射能量的，光伏發電則是利用光伏電池板將太陽光的光輻射能量直接轉化為電能的新型發電系統。太陽東升西落，不同時間段太陽處在不同的位置，因此探究不同光照角度對光伏電池板實際輸出功率的影響程度很有必要。本文利用Rhea Vulca智慧新能源實訓設備，分析在一定光照強度下，不同光照入射角對光伏電池板實際輸出功率的影響，并用力控組態軟件控制系統運行，采集系統數據，最后對獲得的數據進行分析。

1 使用設備與測試原理

1.1 使用設備

本實驗采用的設備為Rhea Vulca智慧新能源實訓設備，該設備是由區域環境模擬平臺、電子中心管控平臺、能源互聯網仿真規劃平臺組成，本實驗主要使用區域環境模擬平臺和電子中心管控平臺。在區域環境模擬平臺的中央，安裝4塊平行等距的太陽能光伏電池板，該光伏電池板額定輸出功率為3 W，額定輸出電壓為6 V，外觀尺寸為218 mm×132 mm×17 mm，材質為單晶硅。

在電子中心管控平臺上主要安裝用戶配電柜、導軌式開關電源、單相電表、開關按鈕盤、PLC及PLC擴展模塊(信捷XC3-32R-E)、繼電器、風光互補控制器和直流負載，將所用部分安裝好后接線。

該系統通過太陽能電池板吸收太陽能，將太陽能轉化為電能之后接通交通燈直流負載，并用單相電表對4塊光伏電池板的直流電壓、直流電流和電功率進行測量；PLC及PLC擴展模塊用來控制碘鎢燈入射光源與太陽能光伏電池板的角度；當無風力時，風光互補型控制器實現光伏控制器功能，可控制光伏電池板將太陽能轉化為電能供直流負載使用。

1.2 測試原理

光伏發電系統由分布式光伏發電設備、控制器、蓄電池組、直流負荷和電壓表構成，并將光伏發電設備輸出的電能直接供給直流負載使用。

太陽能電池板是光伏發電系統中的重要部件之一，它將太陽的光能轉化為電能，然后輸出直流電，其轉換率和使用壽命決定了太陽能電池的使用價值。

太陽光光照度[1]、環境溫度[2]、陰影阻擋[3]、積塵[4]等都是影響太陽能電池輸出功率的重要因素。本實驗在室內溫度為28.84 ℃、室內濕度為61.46%、黑暗的條件下進行，該系統用碘鎢燈模擬太陽光照，光伏電池板平行于地面固定在環境模擬平臺上，在測試過程中設置碘鎢燈的光照度為4 750 Lux(光照度為碘鎢燈最大強度的70%)，改變碘鎢燈光源與光伏板的角度，測量相對應單項電表中的電壓、電流和電功率值，測量角度范圍為0°、20°、40°、60°、80°和90°。最后，得到光伏電池板實際輸出功率隨光照入射角度的變化關系。

2 系統軟件設計

本系統使用的軟件分別為力控組態軟件(力控 ForceControl V7.1)和信捷PLC軟件(XCPPro)。力控組態軟件用于設置登錄界面、運行狀態控制和實時數據獲取，從而實現對系統的監控功能；信捷PLC軟件實現光源入射角度的控制。信捷PLC通過RS232串口直接與上位機電腦利用 MODBUS RTU 協議進行通信，在上位機上完成力控組態頁面的設計與設置。

2.1 PLC控制程序設計

PLC控制程序I/O接口地址分配如表1所示。

表1 I/O口地址分配表

本系統在運行時，首先按下X2按鈕將燈桿移動至西限位處，之后通過X4按鈕開啟碘鎢燈，并按下X3按鈕使燈桿向東運動，燈桿運動的角速度為7.5 rad/s，2.67 s后燈桿運動至20°角處，停留30 s對數據進行讀取，之后分別運動至40°、60°、80°和90°角處，均停留30 s進行數據讀取，動作結束后，按下X5按鈕關閉碘鎢燈。在系統運行過程中如果存在異常情況，可以通過按下急停按鈕進行緊急停止動作。主程序流程如圖1所示。

圖1 主程序流程圖

通過分析該系統的運動情況，設計對應PLC控制程序的梯形圖如圖2所示。

圖2 PLC控制程序的梯形圖

2.2 力控組態軟件設計

利用力控組態軟件設計兩個窗口界面：登錄界面、控制與顯示界面。登錄界面用戶名設定為admin，用戶密碼為123，用戶控制區域環境模擬平臺時需要先登錄系統。

系統的控制與顯示界面由兩部分組成：操作運行模塊和數據報表模塊。操作運行模塊有急停按鈕、關燈按鈕、開燈按鈕、向西運行按鈕和向東運行按鈕。這5個按鈕分別控制燈桿的緊急停止、關閉碘鎢燈、打開碘鎢燈、向西運動至西限位和向東運行，燈桿向東運行后就處于啟動狀態，系統啟動后，燈桿分別運行至20°、40°、60°、80°和90°角度，并且每到達一個角度停止30 s。

數據報表模塊每5 s進行一次數據讀取，需要讀取的數據類型有光照度、直流電壓表示數、直流電流表示數和電功率，此處直流電壓表、直流電流表和電功率可以從單相表中讀取，單相表測得的數據是4塊光伏電池板兩側的電壓、通過光伏電池板的電流以及對應光伏電池板的電功率。同時，還可以對該報表進行具體的數據查詢、報表的預覽、報表的打印和報表的導出。該系統的界面窗口如圖3所示。

圖3 系統界面窗口

3 實驗結果分析

在實驗中，通過改變碘鎢燈入射光的角度，可以獲得不同入射角對光伏電池板實際輸出功率的影響，通過10次重復實驗，對應數據取平均值，得到的功率變化曲線如圖4所示。

圖4 光照入射角度對光伏電池板功率的影響

通過圖4可知：當光照入射角為0°時，4塊光伏電池板的功率為0 W；在光照入射角度為0°～90°的范圍內，隨著角度的增大，光伏電池板的功率也隨著增大，當光照入射角度為90°時，功率達到最大，最大值為0.377 W；在角度較小時，功率隨光照入射角度增長速度較為平穩；在接近90°時，功率隨光照入射角度增長速度加快。

本實驗研究了光照入射角度在0°～90°范圍內，光伏電池板功率的變化情況，在90°～180°范圍內，光伏電池板功率的變化情況與0°～90°范圍內對稱，因此在光照入射光線與太陽能光伏板垂直時，功率達到最大。

4 結束語

本文在相同環境溫度和相同光照度下，用碘鎢燈光源分別在20°、40°、60°、80°和90°下照射4塊平行分布的單晶硅光伏電池板，通過對直流電壓、直流電流和電功率的測量分析，可以知道在該范圍內，隨著角度的增加，光伏板的功率也隨之增加，當光源入射光線與光伏電池板垂直時，光伏板的功率達到最大。

在實驗過程中，用信捷PLC程序控制區域環境模擬平臺上的燈桿運動，用力控組態軟件實現系統的調試與運行。