光照强度对光伏电池板功率的影响

郭慧晶

（山西机电职业技术学院电气工程系，山西 长治 046011）

太阳能具有普遍性、无害性、巨大性和长久性的特点，被广泛应用到了人们的生产生活中，例如太阳能热水器、太阳能交通灯、太阳能干燥机等。在光伏发电系统中，单晶硅光伏电池板是一种通过光电效应将光能转化为电能的最小发电单元，当光照强度满足一定要求时，就能够产生电能。太阳光的强度随着天气情况以及时间的不同变化，光照强度受到影响，因此，研究在不同光照强度下，光伏电池板实际输出功率的变化情况很有必要。笔者利用智慧新能源实训设备，在一定环境下，通过改变光照强度，分析光伏电池板实际输出功率随光照强度的变化情况，利用组态软件对设备的运动进行控制，实时记录光伏电池板相关参数的数据。

1 系统工作原理

太阳能光伏电池板是通过硅半导体的PN结发生光生伏特效应从而产生电能的[1]。光生伏特效应是光伏电池板受到光照时，使内部电荷分布发生变化，从而产生电动势，在PN结两端的电压称为光生电压。

光伏电池组件的质量、组件温度[2]、光照强度、日照时数[3]、射角[4]等都是影响太阳能光伏电池板转化率的重要因素，同时也影响着太阳能光伏电池板的实际输出功率。本实验是在室温、黑暗的条件下进行的，利用智慧新能源实训设备的区域环境模拟平台和电子中心管控平台完成，区域环境模拟平台的碘钨灯作为光源，通过PLC对碘钨灯的光照强度进行控制[5]，并使碘钨灯垂直照射区域环境模拟平台表面，将4块额定输出功率为3 W、额定输出电压为6 V、外观尺寸为218 mm*132 mm*17 mm的光伏电池板平行放置于碘钨灯正下方。在实验中，将光照强度调至0%（光照强度为0 LUX），20%（光照强度为735 LUX），40%（光照强度为2 433 LUX），60%（光照强度为4 351 LUX），80%（光照强度为5 623 LUX）和100%（光照强度为8 787 LUX），分别测量不同光照强度下四块串联光伏电池板两端的直流电压、直流电流和功率，通过组态软件实时监控数据信息，得到光伏电池板实际输出功率与光照强度的关系。

2 系统组成

本系统采用信捷PLC（型号：XCPPro）作为控制器，在上位机上安装力控组态软件（型号：ForceControl V7.1），用于设计系统登录界面、控制运行状态和实时采集数据。

使用的设备是智慧新能源实训系统Rhea Vulcan产品，区域环境模拟平台（Vulcan.swsp）、电子中心管控平台（Vulcan.swcp）、能源互联网仿真规划平台（Vulcan.swpp）是该设备的三个组成部分，本实验中使用的是区域环境模拟平台和电子中心管控平台。将4块相同型号的单晶硅光伏电池板（输出功率3 W，额定输出电压6 V，外观尺寸218 mm*132 mm*17 mm）串联起来，并将其平行等距安装在区域环境模拟平台中央，电子中心管控平台上安装单相电表、直流交通灯负载、开关按钮盘、信捷PLC及扩展模块、风光互补控制器和继电器。

按照要求将该设备线路接通后，用PLC控制碘钨灯并将灯杆垂直于模拟平台，以便于光源垂直照射在光伏电池板表面。光伏电池板通过光电效应产生电能，电流通过直流交通灯负载后使其点亮，在单相电表上读取这4块光伏电池板的直流电压、直流电流以及功率。

3 软件设计

软件设计包括力控组态软件的设计和信捷PLC控制程序的设计。力控组态软件完成登录页面设计、模拟开关设计和数据采集管理页面设计；信捷PLC软件控制灯杆的位置，实验开始后，无论灯杆开始处于什么位置，灯杆都垂直于模拟平台表面，同时改变碘钨灯的光照强度。

力控软件登录页面的用户名为admin，密码为2020，登陆成功后进入控制与显示界面，界面如图1所示。

图1 系统界面窗口

该界面由模拟开关和数据采集管理两部分组成，模拟开关包括的功能有：急停；灯杆向西运动至西限位；灯杆向东运动至垂直于光伏电池板；打开碘钨灯；关闭碘钨灯。数据采集管理部分需要记录4块光伏电池板两端的直流电压、直流电流、功率和碘钨灯的光照强度，时间间隔为3 s，并且可以实现数据的查询、预览、打印和导出功能。

实验开始时，先按下“向西”按钮，将灯杆运动至西限位处，然后按下“向东”按钮，灯杆运动至光伏电池板正上方，打开碘钨灯，记录光照强度、直流电压、直流电流和功率值。改变碘钨灯的光照强度，在光照强度为0%、20%、40%、60%、80%和100%时，分别记录相关参数的数据。

灯杆的运动是通过PLC进行控制的，该型号PLC的I/O输入点数为18点，输出点数为14点，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口对应电子中心管控平台的开关按键盘，X0对应急停按钮，X2对应K1按钮，X3对应K2按钮，X4对应于K3按钮，X5对应于K4按钮。

PLC的控制主流程图如图2所示。

图2 控制程序主程序流程图

本系统的运动通过PLC编程实现，可先设计控制程序的梯形图，之后通过软件将梯形图转化为对应语言程序，该语言程序如表2所示。

表2 PLC语言程序表

4 实验结果分析

实验中通过改变光照强度得到了对应的光伏电池板的直流电压、直流电流和功率，这3种参数可以通过数据报表读出，重复实验10次后取平均值，得到的实验结果如表3所示。

表3 光照强度对光伏电池板参数的影响

从表3可知，光照强度为0时，光伏电池板的直流电压、直流电流和功率的数值均为0。随着光照强度的增大，光伏电池板的电压、电流和功率基本呈上升趋势，这是由于光照强度越大，所具有的能量就越多，太阳光子数量越多。当太阳能光线照射在光伏电池板的硅半导体上时，光子与半导体中的自由电子作用产生电流，电流增大，从而使功率增大。

5 结语

笔者讨论了在相同条件下，用智慧新能源实训设备的碘钨灯作为光源，垂直照射4块平行串联分布的光伏太阳能电池板，改变碘钨灯的光照强度，使其分别为0%（光照强度为0 LUX）、20%（光照强度为735 LUX）、40%（光照强度为2 433 LUX）、60%（光照强度为4 351 LUX）、80%（光照强度为5 623 LUX）和100%（光照强度为8 787 LUX）时，测量光伏电池板的直流电压、直流电流和功率。实验中，信捷PLC控制碘钨灯灯杆的运动，力控组态软件实时获取数据。由实验结果可知，随着光照强度的增加，光伏电池板两侧的电压、电流和功率随之增大。