低緯地區(qū)太陽能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率提升的研究

邸子旭，曾林鵬，黃旭陽，王晶晶，魯書瑋，汪 源

（三亞學院 理工學院，海南 三亞 572022）

0 引 言

太陽能是指太陽光輻射到地球上的能量，其主要的利用方式有光熱轉(zhuǎn)換（太陽能熱水器）、光電轉(zhuǎn)換（光伏發(fā)電）和光化學轉(zhuǎn)換等[1]。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但每秒照射到地球上的能量也相當于500萬噸煤燃燒所提供的[2]。然而由于太陽能資源受到季節(jié)、晝夜、地理緯度、海拔高度及天氣等因素的影響，其穩(wěn)定性不高，且太陽能利用裝置成本較高，因此太陽能的利用還不是很普及。因此，有效提高太陽能的利用效率就成為最重要的問題。

現(xiàn)有光伏發(fā)電設備大多是以固定方位安裝的光伏模塊作為能量采集裝置，設計方式單一，占用空間大，成本高昂，基于方位固定，光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率易受周圍物體遮擋、太陽位置變化等因素變化而改變[1]。

文獻[2]對于低緯度地區(qū)太陽運動軌跡進行了詳細的研究，通過數(shù)據(jù)擬合的方式分析了太陽方位角和高度角對光伏強度的影響，同時文獻[3]對于光伏模塊方位與太陽能轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系進行詳細的研究，說明優(yōu)化光伏模塊的方位是提升光伏模塊光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。本文所設計的光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)不同時刻太陽方位角和高度角變化引起的光照強度變化來自動調(diào)節(jié)光伏模塊的方位[4]，使白天的大部分時刻太陽光都能垂直照射光伏模塊，進而提高光伏模塊的光電轉(zhuǎn)化效率。

圖1 整體系統(tǒng)設計圖

1 光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置的設計

本文主要通過傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)來設計光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置，整個系統(tǒng)主要由傳感器模塊、步進電機及電機驅(qū)動模塊、單片機控制模塊和光伏模塊等部分組成，整體系統(tǒng)設計如圖1所示。光伏模塊為整個系統(tǒng)提供能源，傳感器模塊檢測環(huán)境物理量，為單片機控制模塊的控制決策提供依據(jù)，進而控制電機及驅(qū)動模塊調(diào)整光伏模塊的方位，提升光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率。

1.1 傳感器模塊

傳感器模塊由4個光強傳感器、1個溫濕度傳感器組成，主要作用是感知光照強度、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)。通過4個光強傳感器接收的不同光強信息來確定什么方位光強最大，以此為依據(jù)來判斷光伏模塊的最優(yōu)方位。在具體設計時，考慮到實際情況中入射太陽光不論從何種方向照射均為平行光，為確保4個光強傳感器所采集到的光強信號有較大區(qū)分度且真實可靠，在光伏模塊上安裝傳感器時，4個光強傳感器與光伏模塊平面并非垂直，都向中心形成相同的傾斜角，使不同光強傳感器能夠接收到不同的光強信號，具體安裝時的設計圖如圖2所示。

圖2 光強傳感器安裝設計圖

在比較多種傳感器的靈敏度、耗電功率等參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇靈敏度較高且功率較低的BH1750光強傳感器和DHT11溫濕度傳感器。光強傳感器檢測物理環(huán)境產(chǎn)生的電信號通過I2C總線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，經(jīng)過信息處理，產(chǎn)生信號控制光伏模塊自動調(diào)節(jié)方位。溫濕度傳感器檢測環(huán)境溫度和濕度，當環(huán)境溫濕度超過警戒值時系統(tǒng)將報警，確保系統(tǒng)工作于正常的環(huán)境下。

圖3 電機驅(qū)動電路圖

1.2 步進電機及電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動電路如圖3所示，選用ULN2003驅(qū)動芯片來驅(qū)動28BYJ4-48步進電機，對光伏模塊進行方位調(diào)節(jié)。ULN2003驅(qū)動芯片接收到控制模塊產(chǎn)生的控制信號后，向28BYJ4-48步進電機發(fā)送相對應的驅(qū)動指令，實現(xiàn)光伏模塊自動向不同方位進行轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率的提升。

1.3 單片機控制模塊

單片機控制模塊是本系統(tǒng)的控制核心，選用STC89C52RC單片機作為主控制器。單片機接收光強傳感器的信號后，通過C語言程序進行計算后產(chǎn)生控制步進電機動作的控制信號，發(fā)送給電機驅(qū)動電路，進而控制光伏模塊方位的改變，程序控制策略如圖4所示。傳感器模塊與單片機之間使用I2C總線方式傳輸數(shù)據(jù)。傳感器模塊中每個傳感器都具有不同的硬件器件地址，通過在I2C總線上進行硬件地址的廣播可以做到與相對應的硬件進行數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)交換，所有傳感器將共用一組I2C總線，根據(jù)系統(tǒng)運行順序進行逐個訪問，并將每個傳感器的具體數(shù)值傳輸給單片機。在對環(huán)境數(shù)據(jù)進行感知的同時，將傳感器的數(shù)據(jù)顯示在LCD12864顯示電路中，便于工作人員觀察和記錄。

圖4 系統(tǒng)程序控制策略圖

2 系統(tǒng)測試

在對上述各模塊進行功能測試后，按照圖1的結(jié)構(gòu)組裝整體系統(tǒng)并將編寫好的C語言程序燒錄單片機后進行系統(tǒng)測試。實際測試效果如圖5所示。從系統(tǒng)測試的結(jié)果來看，選用額定電壓為5 V、額定功率為1 W的太陽能光伏模塊作為系統(tǒng)電源，其輸出功率可達到步進電機啟動的額定功率，光伏模塊隨著太陽方位的變化而隨之調(diào)整，相比于固定方位的光伏模塊，方位可調(diào)的光伏模塊光電轉(zhuǎn)換效率得到了提高。

3 結(jié) 論

本光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置采用STC89C52單片機作為核心控制模塊，通過傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)，利用4個光強傳感器接受光照強度的變化，通過I2C總線將光強信號傳輸給單片機模塊，單片機對光強信號進行處理后，將產(chǎn)生的驅(qū)動指令發(fā)送給電機驅(qū)動電路，驅(qū)動步進電機對光伏模塊的方位進行調(diào)節(jié)，提高光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過系統(tǒng)測試，整個光伏模塊方位調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、使用時間長、控制準確度，系統(tǒng)經(jīng)濟價值較好，有較強的應用推廣前景。

圖5 系統(tǒng)整體測試圖