低纬地区太阳能发电系统转换效率提升的研究

邸子旭，曾林鹏，黄旭阳，王晶晶，鲁书玮，汪 源

（三亚学院 理工学院，海南 三亚 572022）

0 引 言

太阳能是指太阳光辐射到地球上的能量，其主要的利用方式有光热转换（太阳能热水器）、光电转换（光伏发电）和光化学转换等[1]。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但每秒照射到地球上的能量也相当于500万吨煤燃烧所提供的[2]。然而由于太阳能资源受到季节、昼夜、地理纬度、海拔高度及天气等因素的影响，其稳定性不高，且太阳能利用装置成本较高，因此太阳能的利用还不是很普及。因此，有效提高太阳能的利用效率就成为最重要的问题。

现有光伏发电设备大多是以固定方位安装的光伏模块作为能量采集装置，设计方式单一，占用空间大，成本高昂，基于方位固定，光伏模块的光电转换效率易受周围物体遮挡、太阳位置变化等因素变化而改变[1]。

文献[2]对于低纬度地区太阳运动轨迹进行了详细的研究，通过数据拟合的方式分析了太阳方位角和高度角对光伏强度的影响，同时文献[3]对于光伏模块方位与太阳能转换效率之间的关系进行详细的研究，说明优化光伏模块的方位是提升光伏模块光电转换效率的重要因素之一。本文所设计的光伏模块方位调节装置，可根据不同时刻太阳方位角和高度角变化引起的光照强度变化来自动调节光伏模块的方位[4]，使白天的大部分时刻太阳光都能垂直照射光伏模块，进而提高光伏模块的光电转化效率。

图1 整体系统设计图

1 光伏模块方位调节装置的设计

本文主要通过传感器技术和单片机技术来设计光伏模块方位调节装置，整个系统主要由传感器模块、步进电机及电机驱动模块、单片机控制模块和光伏模块等部分组成，整体系统设计如图1所示。光伏模块为整个系统提供能源，传感器模块检测环境物理量，为单片机控制模块的控制决策提供依据，进而控制电机及驱动模块调整光伏模块的方位，提升光伏模块的光电转换效率。

1.1 传感器模块

传感器模块由4个光强传感器、1个温湿度传感器组成，主要作用是感知光照强度、温度和湿度等环境参数。通过4个光强传感器接收的不同光强信息来确定什么方位光强最大，以此为依据来判断光伏模块的最优方位。在具体设计时，考虑到实际情况中入射太阳光不论从何种方向照射均为平行光，为确保4个光强传感器所采集到的光强信号有较大区分度且真实可靠，在光伏模块上安装传感器时，4个光强传感器与光伏模块平面并非垂直，都向中心形成相同的倾斜角，使不同光强传感器能够接收到不同的光强信号，具体安装时的设计图如图2所示。

图2 光强传感器安装设计图

在比较多种传感器的灵敏度、耗电功率等参数的基础上，选择灵敏度较高且功率较低的BH1750光强传感器和DHT11温湿度传感器。光强传感器检测物理环境产生的电信号通过I2C总线传输到控制系统，经过信息处理，产生信号控制光伏模块自动调节方位。温湿度传感器检测环境温度和湿度，当环境温湿度超过警戒值时系统将报警，确保系统工作于正常的环境下。

图3 电机驱动电路图

1.2 步进电机及电机驱动模块

电机驱动电路如图3所示，选用ULN2003驱动芯片来驱动28BYJ4-48步进电机，对光伏模块进行方位调节。ULN2003驱动芯片接收到控制模块产生的控制信号后，向28BYJ4-48步进电机发送相对应的驱动指令，实现光伏模块自动向不同方位进行转动调节，实现光伏模块的光电转换效率的提升。

1.3 单片机控制模块

单片机控制模块是本系统的控制核心，选用STC89C52RC单片机作为主控制器。单片机接收光强传感器的信号后，通过C语言程序进行计算后产生控制步进电机动作的控制信号，发送给电机驱动电路，进而控制光伏模块方位的改变，程序控制策略如图4所示。传感器模块与单片机之间使用I2C总线方式传输数据。传感器模块中每个传感器都具有不同的硬件器件地址，通过在I2C总线上进行硬件地址的广播可以做到与相对应的硬件进行数据交互，完成数据交换，所有传感器将共用一组I2C总线，根据系统运行顺序进行逐个访问，并将每个传感器的具体数值传输给单片机。在对环境数据进行感知的同时，将传感器的数据显示在LCD12864显示电路中，便于工作人员观察和记录。

图4 系统程序控制策略图

2 系统测试

在对上述各模块进行功能测试后，按照图1的结构组装整体系统并将编写好的C语言程序烧录单片机后进行系统测试。实际测试效果如图5所示。从系统测试的结果来看，选用额定电压为5 V、额定功率为1 W的太阳能光伏模块作为系统电源，其输出功率可达到步进电机启动的额定功率，光伏模块随着太阳方位的变化而随之调整，相比于固定方位的光伏模块，方位可调的光伏模块光电转换效率得到了提高。

3 结 论

本光伏模块方位调节装置采用STC89C52单片机作为核心控制模块，通过传感器技术和单片机技术，利用4个光强传感器接受光照强度的变化，通过I2C总线将光强信号传输给单片机模块，单片机对光强信号进行处理后，将产生的驱动指令发送给电机驱动电路，驱动步进电机对光伏模块的方位进行调节，提高光伏模块的光电转换效率。经过系统测试，整个光伏模块方位调节系统稳定性好、使用时间长、控制准确度，系统经济价值较好，有较强的应用推广前景。

图5 系统整体测试图