光伏阵列低能耗趋光性研究

宁丁

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710021）

近年来能源价格持续上涨，促使光伏发电技术迅速发展，光伏发电正逐步由辅助能源向基础能源过渡[1-2]。光伏阵列作为将太阳能转换成电能的主要转换器件，其转换效率取决于诸多因素，如温度、光照强度等。国内的光伏电站，虽然从地理位置上来讲都处于光照强度大的地区，但是采用的光伏阵列都是固定式的发电单元，光伏阵列的效率因为太阳光倾斜照射产生的余弦分量没有充分发挥，导致能量损耗[3-4]。

光伏发电的成本60%以上花费在光伏阵列组件的制造上，为了提高太阳能电池的效率，使其能够接收并转换出最多的能量，可以在两个方面进行研究：1）太阳能电池板的制作工艺；2）物理的安装调试方面。由于制作工艺水品几乎出现了瓶颈，不可能有很大的突破。所以在实际应用中主要就要考虑到光伏阵列的趋光性[5-6]。

1 光伏阵列追踪方法分析

在安置光伏阵列时，为了使整个系统能接收到尽可能多的太阳辐射能量，应该实时调整光伏阵列与地面的角度，让太阳光垂直照射太阳能电池板。对于光伏电站而言，光伏阵列趋光性的跟踪装置应采用双轴跟踪，即东西方向和南北方向各安装一个步进电机分别对太阳的高度角和方位倾角进行跟踪，用DSP进行控制。当然DSP在整个系统里不仅仅用来控制步进电机的位置，还用来对太阳能最大功率点跟踪以及光伏逆变电路进行控制。这里我们只讨论DSP对步进电机的控制。

图1 光伏阵列放置及太阳光照射示意图Fig.1 PV array place and sunlight schematic diagram

根据光伏电站当地的气象记录，得到全年的太阳观测数据包括每日的太阳高度角和方位角，在DSP中设置每日的步进电机的起始位置，根据每天日照时间每十分钟对光伏阵列的角度进行调整，从而近似达到让太阳光垂直照射光伏阵列的预期目的，并在光伏板四周各放置一个光敏电阻，对光照强度进行测试，然后再对光伏阵列的角度方位进行精确调整。整个系统趋光性追踪示意图如图2所示。

图2 光伏阵列趋光性追踪示意图Fig.2 PV array phototaxis track schematic diagram

图3 光伏阵列追踪系统控制框图Fig.3 Photovoltaic array tracking system control block diagram

2 实验测试

本实验采取光伏阵列直接对蓄电池充电并外接负载的实验手段，先把蓄电池中的电量耗尽，只剩下一小部分。在光伏阵列的正电压输出端接一个100 Ω的电阻，利用数据采集卡对流过电阻的电流进行采集，再把光伏阵列的输出端接在蓄电池上。也利用数据采集卡对蓄电池的电压进行测量并采集，采集一天后，计算出光伏阵列一天之内对蓄电池所充电量。这个电量是在光伏阵列放置在固定角度的的情况下所测出来的，再利用之前所做实验算出的算出光伏阵列在随着太阳光照强度变化过程中转动的情况下的充电量以及估算发电量。

根据图4搭建了实验电路，采用特变电工出品的TBEA3235TS型号的光伏板，在西安工业大学行政楼顶楼放置。实验中，将拟定的方法用C语言实现，用TMS320F2812进行控制，在DSP的SRAM中调试通过后将其烧写到DSP的FLASH中，这样使得算法在DSP中能够稳定运行。

3 实验测试数据分析

图4 光伏实验原理图Fig.4 PV experimental diagram

实验测试的参数是用万用表、电流表、钳形表以及数据采集卡对电压、电流进行了测量，然后计算出输出功率。表1是采用了光伏阵列趋光性追踪后在正午时分测得的3组数据；表2是采用固定角度放置的光伏阵列在正午时分测得的3组数据。

表1 追踪后输出的最大功率Tab.1 Maximum output power tracking

表2 不进行追踪输出的最大功率Tab.2 Does not track the maximum power output

将2个表格中测试到的数据进行比较，可以发现，在相同的实验条件下，使用光伏阵列趋光性追踪以后，其输出功率有很大的提高，提高了太阳能的利用率，说明该方法的有效性。

从实验所测得相关数据可以得出以下结论。光伏板最大空载电压为40.4 V，最大充电电压为30.0 V，最大充电电流为3 A，如果天气状况良好，光照强度大的话，发电峰值时间段大概有3个小时，为11:30－14:30之间，此时的最大功率可以达到90 W。蓄电池容量100 mA时，用光伏阵列给蓄电池充电大概需要3～5天时间（只是白天）。经过估算，光伏阵列一天的发电量大概在0.567 KWh，具体估算结果如下，上午9:30开始工作，9:30－11:30充电电压均值25 V，电流均值1.8 A；发电峰值时间11:30－14:30，充电电压均值30 V，充电电流均值3 A；14:30－16:30，充电电压均值27 V，充电电流均值2.4 A；16：30－18:30，充电电压均值24 V，充电电流均值1.6 A。全天发电时间为9个小时左右。

固定角度放置的光伏阵列一天能充电0.567 kWh，而进行趋光性追踪的光伏阵列能到达0.619 kWh，经过测量，我们发现步进电机的电机及其相关电路的电流为0.3 A，也就是说，从9:30电机开始运作一直到18:30，9个小时电机及其相关电路共耗电量0.027 kWh，一天下来，转动的太阳能板净充电量为（0.619－0.027）kWh=0.582 kWh，比固定的太阳能板多出充电量为0.015 kWh。我们可以利用多产出的这些能力增加更多的负载，或者加大负载的功率；甚至可以减小光伏阵列的尺寸规格等，从而降低系统的成本，提高系统的整体效率。

4 结 论

文中通过对光伏阵列的趋光性的分析，针对太阳能光伏阵列转换效率低这一问题，提出了一种简单可行并且能耗低的光伏阵列趋光性追踪方法。采用了双轴追踪模式，利用天文学的计算公式，结合当地地理经纬度信息，测算出不同时刻的太阳的方位角和高度倾角，以此作为基准，进行粗略定位，并根据实时光照强度数据，对光伏阵列的位置进行精确调节。利用所提出方法，可保证光伏阵列的输出功率有较大提高，并且系统具有较高的控制精度。通过实地实验测试，验证了该方法的可行性和实用价值。

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