面向桂林气象特征的太阳能光伏电池板最佳部署角度

张声岚, 匡贞伍, 马 航, 张烈平, 邓金海

(桂林理工大学 机械与控制工程学院, 广西 桂林 541006)

0 引 言

传感器网络中传感器节点能量供应是无线传感器网络研究的一项关键技术, 制约着无线传感器网络的性能和工作周期。当前主要依靠降低系统硬件能耗、 优化网络拓扑管理等降低功耗的方法来延长传感器网络工作周期[1-2]。然而, 这些方法虽然可以减少能耗, 延长节点的使用时间, 但有限的储电量总会耗尽, 仍然不能保证无线传感器网络运行的持续性。解决传感器节点能量问题, 延长网络生命周期的重要方案是采集和存储自然环境中的能量, 为传感器节点运行供应能量, 实现自供自足[3]。从环境中获取可持续的自然能量中, 太阳能的能量密度相比风能、 振动能等其他能量源的能量密度要高很多， 将太阳能光伏供电应用在无线传感器网络节点的自供电具有很好的应用前景[4]。

近年来, 随着生活环境日益恶化, 可再生能源利用与节能技术逐渐成为全球研究热点[5-6]。以太阳能为代表的新型清洁能源越来越受到人们的关注, 光伏发电作为太阳能利用的主要手段已经逐渐被人们所熟知[7]。合理的光伏阵列安装角度可提升太阳能利用效率, 使光伏发电系统的输出功率最大化[8]。在无线传感器网络节点光伏自供电系统中, 由于光伏电池板面积小, 配置光照跟踪装置会带来额外的大量能量消耗, 增加系统的复杂程度和成本。因此, 无线传感器网络节点自供电太阳能光伏系统采用固定式部署方式更合适。在实际应用中, 即使是在同一地点, 不同倾角接收的太阳辐射量差别很大[9]， 所以为了获得更多的太阳辐射量, 固定式部署通常是将太阳能光伏电池板与水平面按一定的倾斜角放置。因此, 研究如何获取无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN)节点自供电系统中太阳能光伏电池板的最佳倾斜角度和最佳方位角度具有重要意义。

在研究太阳能光伏电池板部署角度的问题上, 刘国忠等采集某光伏电站内不同安装倾角情况下的同年发电量数据, 研究了可调倾角方案对发电量的影响[10]；迟福建等提出了一种集中式大型光伏系统最佳倾角聚类分析方法, 并与PVsyst软件所计算的结果进行对比分析, 验证了有效性[11]；Babatunde等研究了光伏系统的倾斜、 定向、 清洗等技术因素对系统输出的影响[12]；ahin提出了一种确定最佳倾角的神经网络方法[13]； Ullah等利用太阳辐射数据, 建立了最佳光伏倾斜角模型, 模型为光伏电池板的调整提供了最佳时间表[14]。

本文以桂林气象特征为环境背景, 对WSN节点自供电太阳能光伏电池板的最佳部署角度进行了研究， 给出了太阳能光伏电池板最佳倾斜角度和最佳方位角度的部署策略。通过仿真实验， 并采用NASA气象数据库中的桂林市月平均光照辐射量数据进行测试, 验证最佳方位角度和最佳倾斜角度部署策略的有效性。

2 WSN节点自供电太阳能光伏电池板部署角度策略

2.1 方位角度和倾斜角度的定义

如前所述, 无线传感器网络节点自供电光伏电池板采用固定式部署更符合实际应用需求。桂林丰富的光照资源使得太阳能光伏发电有很好的应用前景[15]。在实际应用中, 同等光照条件下, 当光伏电池板平面与太阳光线垂直的时候, 获取能量的效率最高。因此, 本文通过改变太阳能光伏电池板的部署角度来改变光伏电池板的朝向方位, 使光伏电池能够获取更多的能量, 提高获取效率。

部署太阳能光伏电池板涉及到两个角度, 分别为方位角和倾斜角。以北半球为例, 方位角是光伏电池板的板平面法线在平面上的投影与地球正南方位之间的夹角, 记为β； 倾斜角是指光伏电池板的板平面和大地水平面之间的夹角, 记为α。

2.2 方位角的部署策略

以北半球为例, 中午12:00太阳位于正南方向, 是一天内太阳光照最强的时候， 所以光伏电池板一般都朝向正南方向摆放, 使得光伏电池板能够尽可能多地收集能量。然而, 由光伏电池输出特性可知, 温度是影响最大功率点电压的主要因素。太阳能光伏电池的转换效率与温度成反比关系, 随着温度升高而降低。太阳能的光照强度在正午时刻最大, 而温度是在14:00左右达到最高。因此, 考虑到温度因素对光伏电池能量转换效率的影响, 光伏电池板部署的最佳方位角不一定为0°(正南朝向)。

不同种类的光伏电池有不同的温度影响系数。通常多晶硅光伏电池的温度影响系数约为0.4%, 单晶硅约为0.2%。一般情况下, 光伏电池板材料不同以及所处气候环境的差异, 最佳方位角也会有所不同。因此, 需要根据实际情况对方位角进行修正：

(1)

式中：γ为方位角修正角度;ε为修正系数(一般取值为[0, 80]);K为太阳能光伏电池的温度影响系数;TM为某一日中的最高温度;TA为某一日中的正午温度;TN为太阳能光伏电池的额定运行温度。

根据式(1)计算出的修正角度就是光伏电池板向正西方向调整的角度。理论上， 最佳γ值不超过10°。根据本文给出的方位角修正策略可以在正午时分太阳能光伏电池板收集到足够能量的前提下, 使得温度最高的时刻太阳光照与光伏电池板的夹角最大, 从而防止温度最高时段由于温度过高而造成光伏电池能量收集效率降低的情况发生。

2.3 倾斜角的部署策略

假设地面的反射和光照散射的辐射方向为同方向。在任意时刻, 太阳能光伏电池板的斜面所接受的总辐射能量HA， 包括垂直辐射能量HAT、 反射辐射能量HCT和散射辐射能量HBT三部分[16]：

HA=HAT+HBT+HCT。

(2)

其中， 垂直辐射能量HAT计算方法为

HAT=HaRa,

(3)

式中:Ha为太阳光每天直射水平地面的平均辐射强度;Ra为光伏电池板斜面和太阳光直射水平面的辐射能量的比值

(4)

式中:δ为光伏电池板部署纬度;θ为太阳能光伏电池板的部署倾斜角;φ为赤纬角;ω为光伏电池板斜面的太阳日面时角;ωs为水平面的太阳日面时角。

散射辐射能量HBT：

(5)

式中:Hb为水平地面上太阳光每天的平均散射辐射强度;H0为大气层外太阳光的日平均辐射强度;Ia为水平地面上太阳光直射水平地面每小时的平均辐射强度;I0大气层外太阳光的每小时平均辐射强度。

水平地面上的反射辐射能量HCT：

(6)

式中:τ为水平地面的反射率(一般取值为0.2);HC为大气层外太阳光的日平均辐射强度。

由式(2)～(6)可知, 太阳能光伏电池板的斜面所接受的总辐射能量HA可以表示为

(7)

将光伏电池板部署位置的纬度φ、 垂直辐射能量HAT、 散射辐射能量HBT和反射辐射能量HCT代入式(7), 即可求得光伏电池板的最佳部署倾斜角度θ。

3 方位角和倾斜角部署仿真实验与结果分析

3.1 方位角和倾斜角部署仿真实验

PVsyst是一款关于太阳能光伏系统设计与仿真软件, 可以对太阳能光伏电池板的部署地点进行环境参数设定, 如温度、 经纬度、 太阳光的日辐射量等。PVsyst也可以模拟部署太阳能光伏电池板的倾斜角和方位角, 并根据部署角度测算光伏电池板的光电转换总量[17]。本文以桂林理工大学雁山校区8号教学楼(E110.3°, N25.07°)为测试地点, 利用PVsyst 软件模拟研究太阳能光伏电池板最佳方位角和倾斜角的部署策略。图1是PVsyst 软件模拟部署光伏电池板的功能界面。

图1 PVsyst 软件模拟部署光伏电池板的功能界面

考虑到太阳能光伏电池板的方位角和倾斜角会对全年的太阳能光照总辐射量造成影响。在仿真实验过程中, 先将方位角设置为恒定值0°, 然后通过PVsyst 软件获得不同倾斜角情况下全年太阳能光照的平均总辐射量, 如表1所示。

表1 倾斜角不同情况下太阳能光照年均总辐射量

由仿真实验可以看出, 当方位角恒定为0°、 倾斜角为20°时, 测试地点的太阳能光照年均总辐射量达到最大值为1 227 kW·h·m-2。因此, 在实际太阳能光伏电池板部署时, 选择最佳倾斜角为20°。

在确定最佳倾斜角的基础上, 将倾斜角设置为恒定值20°, 获取测试地点不同方位角情况下的全年太阳能光照平均总辐射量, 从而最终确定最佳方位角。通过PVsyst 软件获得的太阳能光照年均总辐射量, 如表2所示。

表2 电池板不同方位角下太阳能光照年均总辐射量

由仿真实验结果可以看出, 当倾斜角恒定为20°时, 年均光照强度随着方位角的改变不是很明显。在方位角为偏正东方向-1°～偏正西方向4°的时候, 太阳能光照年均总辐射量达到最大值1 227 kW·h·m-2。

3.2 方位角和倾斜角部署实验结果分析

为了对比最佳角度部署模式与水平面部署模式的不同效果, 本文采用Meteonorm 软件对NASA气象数据库中桂林地区2015年的光照辐射量数据进行了分析, 分别获得了最佳角度部署模式(倾斜角度取20°, 方位角度取1°)和水平面部署模式的月平均光照辐射量, 如表3所示。

表3 最佳角度部署和水平面部署模式的月平均光照辐射量

可知, 当太阳能光伏电池板采用水平面部署模式时, 年光照总辐射量为1 175.066 kW·h·m-2； 当太阳能光伏电池板以最佳角度部署模式时, 年光照总辐射量为1 227 kW·h·m-2。从年光照总辐射量来看, 以最佳角度部署模式来部署太阳能电池板获得的能量更多。

将最佳角度部署模式和水平面部署模式的各月份太阳能光照辐射能量数据采用曲线的方式表示出来, 如图2所示。 在1—2月和9—12月, 最佳角度部署模式的太阳能光照辐射能量获取量稍微高于水平面部署模式, 在3—7月, 两种部署模式的太阳能光照辐射能量获取量相差不大, 这也与桂林地区的气象特征相吻合。从整体的曲线起伏波动来看, 最佳角度部署模式的光照辐射量获取量相对于水平部署模式更趋于均衡, 各月份获取的能量变化幅度略小。因此, 以最佳角度部署模式来部署太阳能光伏电池板对于WSN节点的自供电会更加稳定。

图2 两种部署模式的月平均太阳光照辐射量对比

4 结 论

(1)阐述了光伏电池板倾斜角和方位角的定义, 并提出了光伏电池板最佳倾斜角和最佳方位角的部署策略。

(2)通过PVsyst软件对最佳部署角度进行仿真实验, 得出了部署光伏电池板的最佳部署角度为方位角1°, 倾斜角20°。

(3)使用Meteonmorm软件对NASA数据库中桂林的太阳能光照辐射量的数据进行了仿真实验, 对最佳部署角度模式和水平面部署模式获取光照辐射量的能力进行了对比分析, 得出了以最佳部署角度模式部署光伏电池板更适合WSN节点自供电的结论。

本文在最佳部署策略上采用的是方位角和倾斜角单独最优的情况下组合, 在后续的研究中将进行两种角度组合后最优角度的选择和部署, 同时在部署太阳能电池板时, 将考虑不同季节太阳照射的角度, 使得光伏电池板角度部署更加全面、 科学和准确， 以获得更多的太阳能。