光照入射角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)

0 引言

中国作为能源消耗大国，化石燃料日趋减少，能源危机问题日益加重，与此同时，化石燃料的燃烧严重污染了环境，为了解决这一问题，可再生新能源的探究迫在眉睫。太阳能是由于氢氦聚变产生辐射能量的，光伏发电则是利用光伏电池板将太阳光的光辐射能量直接转化为电能的新型发电系统。太阳东升西落，不同时间段太阳处在不同的位置，因此探究不同光照角度对光伏电池板实际输出功率的影响程度很有必要。本文利用Rhea Vulca智慧新能源实训设备，分析在一定光照强度下，不同光照入射角对光伏电池板实际输出功率的影响，并用力控组态软件控制系统运行，采集系统数据，最后对获得的数据进行分析。

1 使用设备与测试原理

1.1 使用设备

本实验采用的设备为Rhea Vulca智慧新能源实训设备，该设备是由区域环境模拟平台、电子中心管控平台、能源互联网仿真规划平台组成，本实验主要使用区域环境模拟平台和电子中心管控平台。在区域环境模拟平台的中央，安装4块平行等距的太阳能光伏电池板，该光伏电池板额定输出功率为3 W，额定输出电压为6 V，外观尺寸为218 mm×132 mm×17 mm，材质为单晶硅。

在电子中心管控平台上主要安装用户配电柜、导轨式开关电源、单相电表、开关按钮盘、PLC及PLC扩展模块(信捷XC3-32R-E)、继电器、风光互补控制器和直流负载，将所用部分安装好后接线。

该系统通过太阳能电池板吸收太阳能，将太阳能转化为电能之后接通交通灯直流负载，并用单相电表对4块光伏电池板的直流电压、直流电流和电功率进行测量；PLC及PLC扩展模块用来控制碘钨灯入射光源与太阳能光伏电池板的角度；当无风力时，风光互补型控制器实现光伏控制器功能，可控制光伏电池板将太阳能转化为电能供直流负载使用。

1.2 测试原理

光伏发电系统由分布式光伏发电设备、控制器、蓄电池组、直流负荷和电压表构成，并将光伏发电设备输出的电能直接供给直流负载使用。

太阳能电池板是光伏发电系统中的重要部件之一，它将太阳的光能转化为电能，然后输出直流电，其转换率和使用寿命决定了太阳能电池的使用价值。

太阳光光照度[1]、环境温度[2]、阴影阻挡[3]、积尘[4]等都是影响太阳能电池输出功率的重要因素。本实验在室内温度为28.84 ℃、室内湿度为61.46%、黑暗的条件下进行，该系统用碘钨灯模拟太阳光照，光伏电池板平行于地面固定在环境模拟平台上，在测试过程中设置碘钨灯的光照度为4 750 Lux(光照度为碘钨灯最大强度的70%)，改变碘钨灯光源与光伏板的角度，测量相对应单项电表中的电压、电流和电功率值，测量角度范围为0°、20°、40°、60°、80°和90°。最后，得到光伏电池板实际输出功率随光照入射角度的变化关系。

2 系统软件设计

本系统使用的软件分别为力控组态软件(力控 ForceControl V7.1)和信捷PLC软件(XCPPro)。力控组态软件用于设置登录界面、运行状态控制和实时数据获取，从而实现对系统的监控功能；信捷PLC软件实现光源入射角度的控制。信捷PLC通过RS232串口直接与上位机电脑利用 MODBUS RTU 协议进行通信，在上位机上完成力控组态页面的设计与设置。

2.1 PLC控制程序设计

PLC控制程序I/O接口地址分配如表1所示。

表1 I/O口地址分配表

本系统在运行时，首先按下X2按钮将灯杆移动至西限位处，之后通过X4按钮开启碘钨灯，并按下X3按钮使灯杆向东运动，灯杆运动的角速度为7.5 rad/s，2.67 s后灯杆运动至20°角处，停留30 s对数据进行读取，之后分别运动至40°、60°、80°和90°角处，均停留30 s进行数据读取，动作结束后，按下X5按钮关闭碘钨灯。在系统运行过程中如果存在异常情况，可以通过按下急停按钮进行紧急停止动作。主程序流程如图1所示。

图1 主程序流程图

通过分析该系统的运动情况，设计对应PLC控制程序的梯形图如图2所示。

图2 PLC控制程序的梯形图

2.2 力控组态软件设计

利用力控组态软件设计两个窗口界面：登录界面、控制与显示界面。登录界面用户名设定为admin，用户密码为123，用户控制区域环境模拟平台时需要先登录系统。

系统的控制与显示界面由两部分组成：操作运行模块和数据报表模块。操作运行模块有急停按钮、关灯按钮、开灯按钮、向西运行按钮和向东运行按钮。这5个按钮分别控制灯杆的紧急停止、关闭碘钨灯、打开碘钨灯、向西运动至西限位和向东运行，灯杆向东运行后就处于启动状态，系统启动后，灯杆分别运行至20°、40°、60°、80°和90°角度，并且每到达一个角度停止30 s。

数据报表模块每5 s进行一次数据读取，需要读取的数据类型有光照度、直流电压表示数、直流电流表示数和电功率，此处直流电压表、直流电流表和电功率可以从单相表中读取，单相表测得的数据是4块光伏电池板两侧的电压、通过光伏电池板的电流以及对应光伏电池板的电功率。同时，还可以对该报表进行具体的数据查询、报表的预览、报表的打印和报表的导出。该系统的界面窗口如图3所示。

图3 系统界面窗口

3 实验结果分析

在实验中，通过改变碘钨灯入射光的角度，可以获得不同入射角对光伏电池板实际输出功率的影响，通过10次重复实验，对应数据取平均值，得到的功率变化曲线如图4所示。

图4 光照入射角度对光伏电池板功率的影响

通过图4可知：当光照入射角为0°时，4块光伏电池板的功率为0 W；在光照入射角度为0°～90°的范围内，随着角度的增大，光伏电池板的功率也随着增大，当光照入射角度为90°时，功率达到最大，最大值为0.377 W；在角度较小时，功率随光照入射角度增长速度较为平稳；在接近90°时，功率随光照入射角度增长速度加快。

本实验研究了光照入射角度在0°～90°范围内，光伏电池板功率的变化情况，在90°～180°范围内，光伏电池板功率的变化情况与0°～90°范围内对称，因此在光照入射光线与太阳能光伏板垂直时，功率达到最大。

4 结束语

本文在相同环境温度和相同光照度下，用碘钨灯光源分别在20°、40°、60°、80°和90°下照射4块平行分布的单晶硅光伏电池板，通过对直流电压、直流电流和电功率的测量分析，可以知道在该范围内，随着角度的增加，光伏板的功率也随之增加，当光源入射光线与光伏电池板垂直时，光伏板的功率达到最大。

在实验过程中，用信捷PLC程序控制区域环境模拟平台上的灯杆运动，用力控组态软件实现系统的调试与运行。