光照強度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）

太陽能具有普遍性、無害性、巨大性和長久性的特點，被廣泛應用到了人們的生產生活中，例如太陽能熱水器、太陽能交通燈、太陽能干燥機等。在光伏發電系統中，單晶硅光伏電池板是一種通過光電效應將光能轉化為電能的最小發電單元，當光照強度滿足一定要求時，就能夠產生電能。太陽光的強度隨著天氣情況以及時間的不同變化，光照強度受到影響，因此，研究在不同光照強度下，光伏電池板實際輸出功率的變化情況很有必要。筆者利用智慧新能源實訓設備，在一定環境下，通過改變光照強度，分析光伏電池板實際輸出功率隨光照強度的變化情況，利用組態軟件對設備的運動進行控制，實時記錄光伏電池板相關參數的數據。

1 系統工作原理

太陽能光伏電池板是通過硅半導體的PN結發生光生伏特效應從而產生電能的[1]。光生伏特效應是光伏電池板受到光照時，使內部電荷分布發生變化，從而產生電動勢，在PN結兩端的電壓稱為光生電壓。

光伏電池組件的質量、組件溫度[2]、光照強度、日照時數[3]、射角[4]等都是影響太陽能光伏電池板轉化率的重要因素，同時也影響著太陽能光伏電池板的實際輸出功率。本實驗是在室溫、黑暗的條件下進行的，利用智慧新能源實訓設備的區域環境模擬平臺和電子中心管控平臺完成，區域環境模擬平臺的碘鎢燈作為光源，通過PLC對碘鎢燈的光照強度進行控制[5]，并使碘鎢燈垂直照射區域環境模擬平臺表面，將4塊額定輸出功率為3 W、額定輸出電壓為6 V、外觀尺寸為218 mm*132 mm*17 mm的光伏電池板平行放置于碘鎢燈正下方。在實驗中，將光照強度調至0%（光照強度為0 LUX），20%（光照強度為735 LUX），40%（光照強度為2 433 LUX），60%（光照強度為4 351 LUX），80%（光照強度為5 623 LUX）和100%（光照強度為8 787 LUX），分別測量不同光照強度下四塊串聯光伏電池板兩端的直流電壓、直流電流和功率，通過組態軟件實時監控數據信息，得到光伏電池板實際輸出功率與光照強度的關系。

2 系統組成

本系統采用信捷PLC（型號：XCPPro）作為控制器，在上位機上安裝力控組態軟件（型號：ForceControl V7.1），用于設計系統登錄界面、控制運行狀態和實時采集數據。

使用的設備是智慧新能源實訓系統Rhea Vulcan產品，區域環境模擬平臺（Vulcan.swsp）、電子中心管控平臺（Vulcan.swcp）、能源互聯網仿真規劃平臺（Vulcan.swpp）是該設備的三個組成部分，本實驗中使用的是區域環境模擬平臺和電子中心管控平臺。將4塊相同型號的單晶硅光伏電池板（輸出功率3 W，額定輸出電壓6 V，外觀尺寸218 mm*132 mm*17 mm）串聯起來，并將其平行等距安裝在區域環境模擬平臺中央，電子中心管控平臺上安裝單相電表、直流交通燈負載、開關按鈕盤、信捷PLC及擴展模塊、風光互補控制器和繼電器。

按照要求將該設備線路接通后，用PLC控制碘鎢燈并將燈桿垂直于模擬平臺，以便于光源垂直照射在光伏電池板表面。光伏電池板通過光電效應產生電能，電流通過直流交通燈負載后使其點亮，在單相電表上讀取這4塊光伏電池板的直流電壓、直流電流以及功率。

3 軟件設計

軟件設計包括力控組態軟件的設計和信捷PLC控制程序的設計。力控組態軟件完成登錄頁面設計、模擬開關設計和數據采集管理頁面設計；信捷PLC軟件控制燈桿的位置，實驗開始后，無論燈桿開始處于什么位置，燈桿都垂直于模擬平臺表面，同時改變碘鎢燈的光照強度。

力控軟件登錄頁面的用戶名為admin，密碼為2020，登陸成功后進入控制與顯示界面，界面如圖1所示。

圖1 系統界面窗口

該界面由模擬開關和數據采集管理兩部分組成，模擬開關包括的功能有：急停；燈桿向西運動至西限位；燈桿向東運動至垂直于光伏電池板；打開碘鎢燈；關閉碘鎢燈。數據采集管理部分需要記錄4塊光伏電池板兩端的直流電壓、直流電流、功率和碘鎢燈的光照強度，時間間隔為3 s，并且可以實現數據的查詢、預覽、打印和導出功能。

實驗開始時，先按下“向西”按鈕，將燈桿運動至西限位處，然后按下“向東”按鈕，燈桿運動至光伏電池板正上方，打開碘鎢燈，記錄光照強度、直流電壓、直流電流和功率值。改變碘鎢燈的光照強度，在光照強度為0%、20%、40%、60%、80%和100%時，分別記錄相關參數的數據。

燈桿的運動是通過PLC進行控制的，該型號PLC的I/O輸入點數為18點，輸出點數為14點，PLC的I/O口分配地址如表1所示。

表1 I/O口分配地址

PLC的I/O口對應電子中心管控平臺的開關按鍵盤，X0對應急停按鈕，X2對應K1按鈕，X3對應K2按鈕，X4對應于K3按鈕，X5對應于K4按鈕。

PLC的控制主流程圖如圖2所示。

圖2 控制程序主程序流程圖

本系統的運動通過PLC編程實現，可先設計控制程序的梯形圖，之后通過軟件將梯形圖轉化為對應語言程序，該語言程序如表2所示。

表2 PLC語言程序表

4 實驗結果分析

實驗中通過改變光照強度得到了對應的光伏電池板的直流電壓、直流電流和功率，這3種參數可以通過數據報表讀出，重復實驗10次后取平均值，得到的實驗結果如表3所示。

表3 光照強度對光伏電池板參數的影響

從表3可知，光照強度為0時，光伏電池板的直流電壓、直流電流和功率的數值均為0。隨著光照強度的增大，光伏電池板的電壓、電流和功率基本呈上升趨勢，這是由于光照強度越大，所具有的能量就越多，太陽光子數量越多。當太陽能光線照射在光伏電池板的硅半導體上時，光子與半導體中的自由電子作用產生電流，電流增大，從而使功率增大。

5 結語

筆者討論了在相同條件下，用智慧新能源實訓設備的碘鎢燈作為光源，垂直照射4塊平行串聯分布的光伏太陽能電池板，改變碘鎢燈的光照強度，使其分別為0%（光照強度為0 LUX）、20%（光照強度為735 LUX）、40%（光照強度為2 433 LUX）、60%（光照強度為4 351 LUX）、80%（光照強度為5 623 LUX）和100%（光照強度為8 787 LUX）時，測量光伏電池板的直流電壓、直流電流和功率。實驗中，信捷PLC控制碘鎢燈燈桿的運動，力控組態軟件實時獲取數據。由實驗結果可知，隨著光照強度的增加，光伏電池板兩側的電壓、電流和功率隨之增大。