南寧地區光伏陣列傾角方位角對光伏系統性能的影響研究

黃麗芳，林小峰

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004）

南寧地區光伏陣列傾角方位角對光伏系統性能的影響研究

黃麗芳，林小峰

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004）

在太陽能應用中，不同傾角和方位角太陽能電池組件接收到的太陽輻射量不同，選擇合適的方位角和傾角是太陽能工程設計的關鍵之一。為此設計了一套光伏發電效率檢測裝置，對12塊不同朝向和傾角的太陽能組件輸出進行采集，并對采集到的數據進行詳細的分析和研究，得出南寧地區光伏陣列傾角、方位角對光伏系統性能影響的結論。

太陽能；傾角；方位角；效率檢測

在固定式太陽能應用中，通常總是將太陽能電池組件以一定的朝向和傾角放置，所以選擇合適的方位角和傾角是太陽能工程設計的關鍵之一。獨立光伏發電系統受蓄電池影響，要考慮光伏方陣上太陽輻射量的連續性、均勻性和極大性[1～2]。固定式并網光伏發電系統的規模一般都比較大，因此要求在全年中獲得最大的太陽輻射量[3]。

太陽能電池組件的最佳傾角可以通過理論計算得出[4]，也可以通過RETScreen、PVSystem軟件來進行選擇[5]。但是在理論計算中，很難考慮到其他環境因素，如粉塵、雨雪、空氣污染等的影響。因此本文以單片機為核心，設計了一套光伏發電效率檢測裝置，該裝置已在現場投入運行，利用該裝置可對12塊不同朝向和傾角的太陽能電池組件的輸出進行采樣，從而研究南寧地區傾角和方位角等因素對光伏系統性能的影響。

1 光伏發電效率檢測系統

光伏發電效率檢測系統采用尚德產的10W多晶硅太陽電池，組件的標稱技術參數見表1。系統由12塊太陽能電池組件組成，水平安裝一塊，正南朝向22°傾角一塊，其余五塊一組（方位角分別為-90°、-45°、0°、45°、90°），共兩組（傾角為 90°和 45°），如圖1所示，以不同方位角和傾角布置并進行編號。系統能對所有太陽電池組件的電流、電壓進行采樣，數據采集系統自主開發。

表1 太陽電池組件標稱技術參數

圖1 太陽電池組件布置及編號

1.1 系統硬件設計

數據采集系統包括三部分：太陽能電池組件、PCB電路板箱體、控制主機。對12塊太陽能電池組件的輸出進行采集并保存至數據庫，根據系統要求設計硬件電路板。該電路板分為兩部分：一是采集接口電路，包括采樣電路，A/D轉換電路等；二是控制電路部分，包括單片機控制，芯片外圍電路等。

本文以單片機STC12C5A60S2作為主控制器，對傳感器采集到的數字信息進行處理，并保存采集到的數據。系統硬件結構如圖2所示，其中系統采用松川892系列繼電器，茶花CSM006NPT系列霍爾電流傳感器，茶花VSM025A系列霍爾電壓傳感器，PT100熱電阻溫度變送器，ULN2803達林頓晶體管陣列。控制主機使用自主開發的軟件進行監控。

1.2 系統軟件設計

軟件設計的目標是在單片機控制下，使系統依次采集各路太陽能電池組件的電壓、電流，所采集數據通過A/D轉換轉為數字量，并傳送至上位機。上位機通過程序計算最大功率點對應的功率及日發電量等其他數據。

圖2 系統硬件結構圖

圖3為光伏發電效率檢測的主程序控制流程圖。首先初始化控制系統的各個寄存器和模塊，開串口接收，判斷是否收到上位機的動作指令，收到則使繼電器動作，并進行AD采樣，否則繼續等待；對采樣到的數據進行處理，計算出最大功率及日發電量；判斷是否收到上位機數據請求，是則傳送數據并返回開串口接收，否則繼續等待。

圖3 光伏發電效率檢測主程序流程圖

圖4為A/D采樣的程序流程圖，上位機通過RS485接口電路連接各傳感器，傳感器根據上位機指令對太陽電池組件的輸出進行采樣。

圖4 AD采樣程序流程圖

2 實驗與結果分析

按照上述硬件及軟件方案設計光伏發電效率檢測裝置，并把它置于廣西大學綜合實驗大樓樓頂。設備通過485通信線連接至主機，軟件開啟后進行相關串口、通信設置，其中串口的選擇與Prolific USB-to-Serial Comm Port中串口號一致，波特率設為9600，校驗位設為奇校驗，數據位設為8位，停止位設為1。由于相同型號的光伏組件在生產過程中也會產生一些偏差，導致組件的效率不一致，為了使比較結果更準確還需要對組件的輸出進行效率修正。計算各太陽電池組件相對正南22°傾角組件的功率比和比例因子，在得到光伏電池組件的實際輸出后乘以功率比和比例因子再進行比較。

為保證光伏組件的清潔，每隔一周清掃光伏組件表面的灰塵，每隔半月用水沖洗其表面以去除灰塵等雜物。系統從2013年1月運行至12月，通過設置使控制主機每天從七點自動啟動該采集軟件，到晚上七點自行關閉，每隔一分鐘采集太陽能電池組件的電壓、電流、溫度，實現無人看守，并通過TeamViewer軟件進行遠程監控與操作，實時監控系統運行狀況，一旦出現異常情況可及時處理以保證數據的完整性。

2.1 晴天不同朝向太陽能電池組件的輸出功率

對四月份同一晴天傾角為45°不同方位角的電池組件的發電功率進行比較，分析結果如圖5所示（方位角說明：-90°對應正東；-45°對應東南；0°對應正南；45°對應西南；90°對應正西）。

圖5 不同方位角電池組件的輸出功率

早上，偏東放置的太陽電池組件功率上升較快，約在11:00到13:00期間達到峰值，偏西放置的電池組件開始功率上升較緩慢，在15:00到16:00期間達到峰值后快速回落。正南放置的電池組件功率上升速度在早上略慢于偏東而快于偏西的電池組件，在11:00到14:00期間達到峰值且功率較高。在下午，其功率回落晚于偏東早于偏西放置的電池組件，這主要受太陽東升西落的影響。

圖6為不同傾角太陽電池組件四月份的功率輸出情況。由圖知，22°傾角放置的電池組件的功率上升速率較快，回落速率較慢，峰值較大，維持高功率運行的時間較長；45°傾角電池組件的輸出功率次之；90°傾角電池組件輸出功率較差。由圖5及圖6可知，晴天時，太陽電池組件發電功率為單峰曲線，在正午達到最大功率，且曲線較為平滑。

圖6 不同傾角太陽電池組件的輸出功率

2.2 陰天不同傾角太陽電池組件的輸出功率

圖7為陰天不同傾角電池組件功率輸出情況，陰天時各電池組件發電功率較小，最大功率小于6W，且電池組件的發電功率受傾角和方位角的影響較小。傾角較小的電池組件發電功率略大于傾角較大的電池組件功率，這是因為陰雨天太陽直射很小，電池板主要接收環境的散射光，所以發電功率絕對值較小。

圖7 陰天不同傾角電池組件的輸出功率

2.3 不同方位角電池組件典型月的電能產出

表2為45°傾角不同方位角太陽電池組件各季節典型月份的月產出電能，從中可以看出，正南放置的太陽電池組件產出電能最大，偏西放置的電池組件產能偏大于偏東放置的組件產能。

表2 典型月份不同方位角月總產出電能

2.4 正南朝向不同傾角電池組件月產出電能

圖8為2013年正南朝向不同傾角電池組件的月產出電能。由圖知，1月至2月、10月至12月，南寧地區22°～45°傾角放置的電池組件產能較多，其中45°傾角產能略大于22°傾角產能；3月至6月，22°傾角產能較大，水平放置的電池組件在5月份后輸出電能大于45°傾角；7月至9月，0°、22°傾角的電池組件輸出電能較大，其中0°為最佳傾角。而10月以后0°傾角太陽電池組件產出電能快速減少，降幅很大，45°傾角電池組件產能開始大于0°傾角組件產能。綜上可知，11月至次年2月，大傾角45°太陽電池組件產能較大；3月至6月，與南寧緯度相近的22°傾角組件產能較大；7月至9月，0°傾角的電池組件產能較大，而10月份則是22°傾角組件產能較大。全年以朝向正南22°傾角為太陽電池組件的有利朝向。

圖8 正南不同傾角電池組件的月產出電能

3 結束語

本文設計了一套光伏發電效率檢測裝置，對12塊不同朝向和傾角的太陽能電池組件輸出進行為期一年的測試，并對采集到的數據進行詳細的分析。通過對比分析南寧地區不同傾角及方位角太陽能電池組件各月的發電量，得出南寧地區全年以朝向正南22°傾角的電池組件產能較多，偏西放置的電池組件產能偏大于偏東放置的電池組件產能，灰塵、雨水等因素對太陽電池組件輸出電能影響較大的結論，對實際太陽能工程應用有一定的參考價值。

[1]楊金煥.固定式光伏方陣最佳傾角的分析[J].太陽能學報，1992，13(1)：86-92.

[2]楊金煥，毛家俊，陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算[J].上海交通大學學報，2002，36(7)：20-23.

[3]陳 維，沈 輝，劉 勇.光伏陣列傾角對性能影響實驗研究[J].太陽能學報，2009，30(11)：37-39.

[4]劉祖明，李迎軍，謝建軍.固定式聯網光伏方陣的最佳傾角[J].云南師范大學學報，2000，20(6)：24-28.

[5]王淑娟，汪徐華，高 鬂，等.常用于最佳傾角計算的光伏軟件的對比研究[J].太陽能，2010（9）：17-19.

The Effectof Tilt Angle and Azimuth on Performance of Nanning Photovoltaic System

HUANG Li-fang，LIN Xiao-feng
(SchoolofElectrialEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，China)

In solarapplications,theamountofsolar radiation in different inclination and azimuth solarmodules

different azimuth and inclination to choose the right is one of the key solar engineering design.For this design a photovoltaic efficiency of detection devices,for 12 differentorientation and inclination of the solarmodule output for the collection,and a detailed analysis and research collected data,draw Nanning area of the PV array tilt,azimuth of Conclusion PV system performance impact.

solarenergy；tiltangle；azimuth；efficiencymeasurement

TM 615

B

1672-545X（2014）04-0115-03

2014-04-09

黃麗芳（1987—），女，廣西隆安人，碩士研究生，研究方向為新能源轉換與控制；林小峰（1955—），男，廣西陸川人，教授、博士生導師，研究方向為新能源轉換與控制、智能優化控制。