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装备制造技术2014年第4期 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 摘要在太阳能应用中,不同倾角和方位角太阳能电池组件接收至lJ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。 关键词太阳能;倾角;方位角;效率检测 中图分类号1M615 文献标识码B 文章编号1672545X201404-0115-03 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㈣。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 得出问,也可以通过RE7rscDeen、PVSystem软件来进行 选择阎。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10 w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 220倾角一块,其余五块一组方位角分别为一900、 -450、00、45。、900,共两组倾角为900和45。, 如图l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 PIwl“AI V.Vl LAl v一V 10 0.57 17.4 0.舒 21.6一 0生.兰二 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,MD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STCl2C5A60S2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,PTl00 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MD转换转为数字量,并传送至上位机。上位 收稿日期2014-㈣ 作者简介黄丽芳1987一,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1955一。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。 115 万方数据 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。 ;电源模块÷ i温度检测 J电压、电滟 检测{ 1继电器j 1上位机j 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。 ti磊芴丽j -二二j二二二 一。L堑皇旦堡坚j £一{ ;盟; {t二羔王 ~一J一』一一L鳓d竖0隧篷一j {i~一型蟹鐾堡~{ /.ji矗矗毒≥.且j 、f。Yi;传送数据 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。 L蔓蝗一j一t、 墅堕量虽殓ji刚 f~弄丽再夏j 一、二r二.『二二i二二二一。r__醚皇堂皇垦璧崾; L且一,i薏囊j磊某赢t二. 瀑赢丽■~一。 .。.....、....j...... ;薹螋墼攫旦3蝗鬯墨垡咧 L堡壹墼塑~{ 图4 At9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 1 16 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 USBto-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220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450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 方位角说明一900对应正东;_450对应东南;00对 应正南;450对应西南;900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1100到1300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1500到1600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 l 100到1400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,220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 万方数据 装备制造技术2014年第4期 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。 圈6不l司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450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 月产出电信/Wh 组件序号 组件方位角 1 4 7 10 21 正东 192 484 614 717 2.2 东南 271 625 743 949 2-3 正南 29l 63l 775 981 2_4 西南 ”6 630 762 903 2-5 正西 250 574 692 7% 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450倾角;7月至9月,OO、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00倾角组 件产能。综上可知,11月至次年2月,大倾角450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,00倾角的电 池组件产能较大,而10月份则是220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。 一’一‘1’1一 3 l 5 e 7 S 9 O Il 12 月舒 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。 参考文献 【l】杨金焕.固定式光伏方阵最佳倾角的分析叨.太阳能学报, 1992,13186-92. 【2】杨金焕,毛家俊,陈中华.不同方位倾斜面上太阳辐射量及 最佳倾角的计算田.上海交通大学学报,2002,36仍20-23. 【3】陈维,沈辉,刘勇.光伏阵列倾角对性能影响实验研究 叨.太阳能学报,2009,30113739. 【4】刘祖明,李迎军,谢建军.固定式联网光伏方阵的最佳倾角 叨.云南师范大学学报,2000,20624-28. 【5】王淑娟,汪徐华,高鬓,等.常用于最佳倾角计算的光伏软 件的对比研究叨.太阳能,20lO91719. 【下转第1 31页 117 万方数据 装备制造技术2014年第4期 个公式,通过获取常数||}值和钢截面面积、钢的轧制 速度,可以快速计算出数架轧机之间的张力大小,信 息反馈至操作人员从而帮助指导生产工艺调整,减 少因张力不当导致的不必要的生产事故,保障生产 的稳定性。理论上来讲,利用秒流量不相等的轧机张 力计算公式引入工艺设计,可以有效拉近理论设计 与实际生产之间的误差。 3结束语 综上内容,我们研究了 1动态秒流量不相等时轧机间张力大小的计 算方法 E||}X AK||}X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 200207 3.陈维;沈辉;刘勇 光伏阵列倾角对性能影响实验研究 200911 4.刘祖明;李迎军;谢建军 固定式联网光伏方阵的最佳倾角 200006 5.王淑娟;汪徐华;高鬓 常用于最佳倾角计算的光伏软件的对比研究 201009 本文链接http//d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zbzzjs201404045.aspx
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