南宁地区光伏阵列倾角方位角对光伏系统性能的影响研究

黄丽芳，林小峰

（广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）

南宁地区光伏阵列倾角方位角对光伏系统性能的影响研究

黄丽芳，林小峰

（广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）

在太阳能应用中，不同倾角和方位角太阳能电池组件接收到的太阳辐射量不同，选择合适的方位角和倾角是太阳能工程设计的关键之一。为此设计了一套光伏发电效率检测装置，对12块不同朝向和倾角的太阳能组件输出进行采集，并对采集到的数据进行详细的分析和研究，得出南宁地区光伏阵列倾角、方位角对光伏系统性能影响的结论。

太阳能；倾角；方位角；效率检测

在固定式太阳能应用中，通常总是将太阳能电池组件以一定的朝向和倾角放置，所以选择合适的方位角和倾角是太阳能工程设计的关键之一。独立光伏发电系统受蓄电池影响，要考虑光伏方阵上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性[1～2]。固定式并网光伏发电系统的规模一般都比较大，因此要求在全年中获得最大的太阳辐射量[3]。

太阳能电池组件的最佳倾角可以通过理论计算得出[4]，也可以通过RETScreen、PVSystem软件来进行选择[5]。但是在理论计算中，很难考虑到其他环境因素，如粉尘、雨雪、空气污染等的影响。因此本文以单片机为核心，设计了一套光伏发电效率检测装置，该装置已在现场投入运行，利用该装置可对12块不同朝向和倾角的太阳能电池组件的输出进行采样，从而研究南宁地区倾角和方位角等因素对光伏系统性能的影响。

1 光伏发电效率检测系统

光伏发电效率检测系统采用尚德产的10W多晶硅太阳电池，组件的标称技术参数见表1。系统由12块太阳能电池组件组成，水平安装一块，正南朝向22°倾角一块，其余五块一组（方位角分别为-90°、-45°、0°、45°、90°），共两组（倾角为 90°和 45°），如图1所示，以不同方位角和倾角布置并进行编号。系统能对所有太阳电池组件的电流、电压进行采样，数据采集系统自主开发。

表1 太阳电池组件标称技术参数

图1 太阳电池组件布置及编号

1.1 系统硬件设计

数据采集系统包括三部分：太阳能电池组件、PCB电路板箱体、控制主机。对12块太阳能电池组件的输出进行采集并保存至数据库，根据系统要求设计硬件电路板。该电路板分为两部分：一是采集接口电路，包括采样电路，A/D转换电路等；二是控制电路部分，包括单片机控制，芯片外围电路等。

本文以单片机STC12C5A60S2作为主控制器，对传感器采集到的数字信息进行处理，并保存采集到的数据。系统硬件结构如图2所示，其中系统采用松川892系列继电器，茶花CSM006NPT系列霍尔电流传感器，茶花VSM025A系列霍尔电压传感器，PT100热电阻温度变送器，ULN2803达林顿晶体管阵列。控制主机使用自主开发的软件进行监控。

1.2 系统软件设计

软件设计的目标是在单片机控制下，使系统依次采集各路太阳能电池组件的电压、电流，所采集数据通过A/D转换转为数字量，并传送至上位机。上位机通过程序计算最大功率点对应的功率及日发电量等其他数据。

图2 系统硬件结构图

图3为光伏发电效率检测的主程序控制流程图。首先初始化控制系统的各个寄存器和模块，开串口接收，判断是否收到上位机的动作指令，收到则使继电器动作，并进行AD采样，否则继续等待；对采样到的数据进行处理，计算出最大功率及日发电量；判断是否收到上位机数据请求，是则传送数据并返回开串口接收，否则继续等待。

图3 光伏发电效率检测主程序流程图

图4为A/D采样的程序流程图，上位机通过RS485接口电路连接各传感器，传感器根据上位机指令对太阳电池组件的输出进行采样。

图4 AD采样程序流程图

2 实验与结果分析

按照上述硬件及软件方案设计光伏发电效率检测装置，并把它置于广西大学综合实验大楼楼顶。设备通过485通信线连接至主机，软件开启后进行相关串口、通信设置，其中串口的选择与Prolific USB-to-Serial Comm Port中串口号一致，波特率设为9600，校验位设为奇校验，数据位设为8位，停止位设为1。由于相同型号的光伏组件在生产过程中也会产生一些偏差，导致组件的效率不一致，为了使比较结果更准确还需要对组件的输出进行效率修正。计算各太阳电池组件相对正南22°倾角组件的功率比和比例因子，在得到光伏电池组件的实际输出后乘以功率比和比例因子再进行比较。

为保证光伏组件的清洁，每隔一周清扫光伏组件表面的灰尘，每隔半月用水冲洗其表面以去除灰尘等杂物。系统从2013年1月运行至12月，通过设置使控制主机每天从七点自动启动该采集软件，到晚上七点自行关闭，每隔一分钟采集太阳能电池组件的电压、电流、温度，实现无人看守，并通过TeamViewer软件进行远程监控与操作，实时监控系统运行状况，一旦出现异常情况可及时处理以保证数据的完整性。

2.1 晴天不同朝向太阳能电池组件的输出功率

对四月份同一晴天倾角为45°不同方位角的电池组件的发电功率进行比较，分析结果如图5所示（方位角说明：-90°对应正东；-45°对应东南；0°对应正南；45°对应西南；90°对应正西）。

图5 不同方位角电池组件的输出功率

早上，偏东放置的太阳电池组件功率上升较快，约在11:00到13:00期间达到峰值，偏西放置的电池组件开始功率上升较缓慢，在15:00到16:00期间达到峰值后快速回落。正南放置的电池组件功率上升速度在早上略慢于偏东而快于偏西的电池组件，在11:00到14:00期间达到峰值且功率较高。在下午，其功率回落晚于偏东早于偏西放置的电池组件，这主要受太阳东升西落的影响。

图6为不同倾角太阳电池组件四月份的功率输出情况。由图知，22°倾角放置的电池组件的功率上升速率较快，回落速率较慢，峰值较大，维持高功率运行的时间较长；45°倾角电池组件的输出功率次之；90°倾角电池组件输出功率较差。由图5及图6可知，晴天时，太阳电池组件发电功率为单峰曲线，在正午达到最大功率，且曲线较为平滑。

图6 不同倾角太阳电池组件的输出功率

2.2 阴天不同倾角太阳电池组件的输出功率

图7为阴天不同倾角电池组件功率输出情况，阴天时各电池组件发电功率较小，最大功率小于6W，且电池组件的发电功率受倾角和方位角的影响较小。倾角较小的电池组件发电功率略大于倾角较大的电池组件功率，这是因为阴雨天太阳直射很小，电池板主要接收环境的散射光，所以发电功率绝对值较小。

图7 阴天不同倾角电池组件的输出功率

2.3 不同方位角电池组件典型月的电能产出

表2为45°倾角不同方位角太阳电池组件各季节典型月份的月产出电能，从中可以看出，正南放置的太阳电池组件产出电能最大，偏西放置的电池组件产能偏大于偏东放置的组件产能。

表2 典型月份不同方位角月总产出电能

2.4 正南朝向不同倾角电池组件月产出电能

图8为2013年正南朝向不同倾角电池组件的月产出电能。由图知，1月至2月、10月至12月，南宁地区22°～45°倾角放置的电池组件产能较多，其中45°倾角产能略大于22°倾角产能；3月至6月，22°倾角产能较大，水平放置的电池组件在5月份后输出电能大于45°倾角；7月至9月，0°、22°倾角的电池组件输出电能较大，其中0°为最佳倾角。而10月以后0°倾角太阳电池组件产出电能快速减少，降幅很大，45°倾角电池组件产能开始大于0°倾角组件产能。综上可知，11月至次年2月，大倾角45°太阳电池组件产能较大；3月至6月，与南宁纬度相近的22°倾角组件产能较大；7月至9月，0°倾角的电池组件产能较大，而10月份则是22°倾角组件产能较大。全年以朝向正南22°倾角为太阳电池组件的有利朝向。

图8 正南不同倾角电池组件的月产出电能

3 结束语

本文设计了一套光伏发电效率检测装置，对12块不同朝向和倾角的太阳能电池组件输出进行为期一年的测试，并对采集到的数据进行详细的分析。通过对比分析南宁地区不同倾角及方位角太阳能电池组件各月的发电量，得出南宁地区全年以朝向正南22°倾角的电池组件产能较多，偏西放置的电池组件产能偏大于偏东放置的电池组件产能，灰尘、雨水等因素对太阳电池组件输出电能影响较大的结论，对实际太阳能工程应用有一定的参考价值。

[1]杨金焕.固定式光伏方阵最佳倾角的分析[J].太阳能学报，1992，13(1)：86-92.

[2]杨金焕，毛家俊，陈中华.不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算[J].上海交通大学学报，2002，36(7)：20-23.

[3]陈 维，沈 辉，刘 勇.光伏阵列倾角对性能影响实验研究[J].太阳能学报，2009，30(11)：37-39.

[4]刘祖明，李迎军，谢建军.固定式联网光伏方阵的最佳倾角[J].云南师范大学学报，2000，20(6)：24-28.

[5]王淑娟，汪徐华，高 鬂，等.常用于最佳倾角计算的光伏软件的对比研究[J].太阳能，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

黄丽芳（1987—），女，广西隆安人，硕士研究生，研究方向为新能源转换与控制；林小峰（1955—），男，广西陆川人，教授、博士生导师，研究方向为新能源转换与控制、智能优化控制。