光伏陣列低能耗趨光性研究

寧丁

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021）

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

光伏發電的成本60%以上花費在光伏陣列組件的制造上，為了提高太陽能電池的效率，使其能夠接收并轉換出最多的能量，可以在兩個方面進行研究：1）太陽能電池板的制作工藝；2）物理的安裝調試方面。由于制作工藝水品幾乎出現了瓶頸，不可能有很大的突破。所以在實際應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，為了使整個系統能接收到盡可能多的太陽輻射能量，應該實時調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采用雙軸跟蹤，即東西方向和南北方向各安裝一個步進電機分別對太陽的高度角和方位傾角進行跟蹤，用DSP進行控制。當然DSP在整個系統里不僅僅用來控制步進電機的位置，還用來對太陽能最大功率點跟蹤以及光伏逆變電路進行控制。這里我們只討論DSP對步進電機的控制。

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

根據光伏電站當地的氣象記錄，得到全年的太陽觀測數據包括每日的太陽高度角和方位角，在DSP中設置每日的步進電機的起始位置，根據每天日照時間每十分鐘對光伏陣列的角度進行調整，從而近似達到讓太陽光垂直照射光伏陣列的預期目的，并在光伏板四周各放置一個光敏電阻，對光照強度進行測試，然后再對光伏陣列的角度方位進行精確調整。整個系統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 光伏陣列追蹤系統控制框圖Fig.3 Photovoltaic array tracking system control block diagram

2 實驗測試

本實驗采取光伏陣列直接對蓄電池充電并外接負載的實驗手段，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，利用數據采集卡對流過電阻的電流進行采集，再把光伏陣列的輸出端接在蓄電池上。也利用數據采集卡對蓄電池的電壓進行測量并采集，采集一天后，計算出光伏陣列一天之內對蓄電池所充電量。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，再利用之前所做實驗算出的算出光伏陣列在隨著太陽光照強度變化過程中轉動的情況下的充電量以及估算發電量。

根據圖4搭建了實驗電路，采用特變電工出品的TBEA3235TS型號的光伏板，在西安工業大學行政樓頂樓放置。實驗中，將擬定的方法用C語言實現，用TMS320F2812進行控制，在DSP的SRAM中調試通過后將其燒寫到DSP的FLASH中，這樣使得算法在DSP中能夠穩定運行。

3 實驗測試數據分析

圖4 光伏實驗原理圖Fig.4 PV experimental diagram

實驗測試的參數是用萬用表、電流表、鉗形表以及數據采集卡對電壓、電流進行了測量，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組數據；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組數據。

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

表2 不進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據進行比較，可以發現，在相同的實驗條件下，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。

從實驗所測得相關數據可以得出以下結論。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，光照強度大的話，發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）。經過估算，光伏陣列一天的發電量大概在0.567 KWh，具體估算結果如下，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，而進行趨光性追蹤的光伏陣列能到達0.619 kWh，經過測量，我們發現步進電機的電機及其相關電路的電流為0.3 A，也就是說，從9:30電機開始運作一直到18:30，9個小時電機及其相關電路共耗電量0.027 kWh，一天下來，轉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。我們可以利用多產出的這些能力增加更多的負載，或者加大負載的功率；甚至可以減小光伏陣列的尺寸規格等，從而降低系統的成本，提高系統的整體效率。

4 結 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，利用天文學的計算公式，結合當地地理經緯度信息，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，進行粗略定位，并根據實時光照強度數據，對光伏陣列的位置進行精確調節。利用所提出方法，可保證光伏陣列的輸出功率有較大提高，并且系統具有較高的控制精度。通過實地實驗測試，驗證了該方法的可行性和實用價值。

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