光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池板功率的影響

郭慧晶

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，山西 長(zhǎng)治 046011）

太陽(yáng)能具有普遍性、無(wú)害性、巨大性和長(zhǎng)久性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到了人們的生產(chǎn)生活中，例如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能交通燈、太陽(yáng)能干燥機(jī)等。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，單晶硅光伏電池板是一種通過(guò)光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的最小發(fā)電單元，當(dāng)光照強(qiáng)度滿足一定要求時(shí)，就能夠產(chǎn)生電能。太陽(yáng)光的強(qiáng)度隨著天氣情況以及時(shí)間的不同變化，光照強(qiáng)度受到影響，因此，研究在不同光照強(qiáng)度下，光伏電池板實(shí)際輸出功率的變化情況很有必要。筆者利用智慧新能源實(shí)訓(xùn)設(shè)備，在一定環(huán)境下，通過(guò)改變光照強(qiáng)度，分析光伏電池板實(shí)際輸出功率隨光照強(qiáng)度的變化情況，利用組態(tài)軟件對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)記錄光伏電池板相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)工作原理

太陽(yáng)能光伏電池板是通過(guò)硅半導(dǎo)體的PN結(jié)發(fā)生光生伏特效應(yīng)從而產(chǎn)生電能的[1]。光生伏特效應(yīng)是光伏電池板受到光照時(shí)，使內(nèi)部電荷分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在PN結(jié)兩端的電壓稱為光生電壓。

光伏電池組件的質(zhì)量、組件溫度[2]、光照強(qiáng)度、日照時(shí)數(shù)[3]、射角[4]等都是影響太陽(yáng)能光伏電池板轉(zhuǎn)化率的重要因素，同時(shí)也影響著太陽(yáng)能光伏電池板的實(shí)際輸出功率。本實(shí)驗(yàn)是在室溫、黑暗的條件下進(jìn)行的，利用智慧新能源實(shí)訓(xùn)設(shè)備的區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)和電子中心管控平臺(tái)完成，區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)的碘鎢燈作為光源，通過(guò)PLC對(duì)碘鎢燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行控制[5]，并使碘鎢燈垂直照射區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)表面，將4塊額定輸出功率為3 W、額定輸出電壓為6 V、外觀尺寸為218 mm*132 mm*17 mm的光伏電池板平行放置于碘鎢燈正下方。在實(shí)驗(yàn)中，將光照強(qiáng)度調(diào)至0%（光照強(qiáng)度為0 LUX），20%（光照強(qiáng)度為735 LUX），40%（光照強(qiáng)度為2 433 LUX），60%（光照強(qiáng)度為4 351 LUX），80%（光照強(qiáng)度為5 623 LUX）和100%（光照強(qiáng)度為8 787 LUX），分別測(cè)量不同光照強(qiáng)度下四塊串聯(lián)光伏電池板兩端的直流電壓、直流電流和功率，通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，得到光伏電池板實(shí)際輸出功率與光照強(qiáng)度的關(guān)系。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用信捷PLC（型號(hào)：XCPPro）作為控制器，在上位機(jī)上安裝力控組態(tài)軟件（型號(hào)：ForceControl V7.1），用于設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄界面、控制運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

使用的設(shè)備是智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)Rhea Vulcan產(chǎn)品，區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)（Vulcan.swsp）、電子中心管控平臺(tái)（Vulcan.swcp）、能源互聯(lián)網(wǎng)仿真規(guī)劃平臺(tái)（Vulcan.swpp）是該設(shè)備的三個(gè)組成部分，本實(shí)驗(yàn)中使用的是區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)和電子中心管控平臺(tái)。將4塊相同型號(hào)的單晶硅光伏電池板（輸出功率3 W，額定輸出電壓6 V，外觀尺寸218 mm*132 mm*17 mm）串聯(lián)起來(lái)，并將其平行等距安裝在區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)中央，電子中心管控平臺(tái)上安裝單相電表、直流交通燈負(fù)載、開(kāi)關(guān)按鈕盤、信捷PLC及擴(kuò)展模塊、風(fēng)光互補(bǔ)控制器和繼電器。

按照要求將該設(shè)備線路接通后，用PLC控制碘鎢燈并將燈桿垂直于模擬平臺(tái)，以便于光源垂直照射在光伏電池板表面。光伏電池板通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生電能，電流通過(guò)直流交通燈負(fù)載后使其點(diǎn)亮，在單相電表上讀取這4塊光伏電池板的直流電壓、直流電流以及功率。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括力控組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)和信捷PLC控制程序的設(shè)計(jì)。力控組態(tài)軟件完成登錄頁(yè)面設(shè)計(jì)、模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集管理頁(yè)面設(shè)計(jì)；信捷PLC軟件控制燈桿的位置，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，無(wú)論燈桿開(kāi)始處于什么位置，燈桿都垂直于模擬平臺(tái)表面，同時(shí)改變碘鎢燈的光照強(qiáng)度。

力控軟件登錄頁(yè)面的用戶名為admin，密碼為2020，登陸成功后進(jìn)入控制與顯示界面，界面如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)界面窗口

該界面由模擬開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)采集管理兩部分組成，模擬開(kāi)關(guān)包括的功能有：急停；燈桿向西運(yùn)動(dòng)至西限位；燈桿向東運(yùn)動(dòng)至垂直于光伏電池板；打開(kāi)碘鎢燈；關(guān)閉碘鎢燈。數(shù)據(jù)采集管理部分需要記錄4塊光伏電池板兩端的直流電壓、直流電流、功率和碘鎢燈的光照強(qiáng)度，時(shí)間間隔為3 s，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、預(yù)覽、打印和導(dǎo)出功能。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先按下“向西”按鈕，將燈桿運(yùn)動(dòng)至西限位處，然后按下“向東”按鈕，燈桿運(yùn)動(dòng)至光伏電池板正上方，打開(kāi)碘鎢燈，記錄光照強(qiáng)度、直流電壓、直流電流和功率值。改變碘鎢燈的光照強(qiáng)度，在光照強(qiáng)度為0%、20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，分別記錄相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)。

燈桿的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)PLC進(jìn)行控制的，該型號(hào)PLC的I/O輸入點(diǎn)數(shù)為18點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為14點(diǎn)，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口對(duì)應(yīng)電子中心管控平臺(tái)的開(kāi)關(guān)按鍵盤，X0對(duì)應(yīng)急停按鈕，X2對(duì)應(yīng)K1按鈕，X3對(duì)應(yīng)K2按鈕，X4對(duì)應(yīng)于K3按鈕，X5對(duì)應(yīng)于K4按鈕。

PLC的控制主流程圖如圖2所示。

圖2 控制程序主程序流程圖

本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)，可先設(shè)計(jì)控制程序的梯形圖，之后通過(guò)軟件將梯形圖轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)語(yǔ)言程序，該語(yǔ)言程序如表2所示。

表2 PLC語(yǔ)言程序表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變光照強(qiáng)度得到了對(duì)應(yīng)的光伏電池板的直流電壓、直流電流和功率，這3種參數(shù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表讀出，重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次后取平均值，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池板參數(shù)的影響

從表3可知，光照強(qiáng)度為0時(shí)，光伏電池板的直流電壓、直流電流和功率的數(shù)值均為0。隨著光照強(qiáng)度的增大，光伏電池板的電壓、電流和功率基本呈上升趨勢(shì)，這是由于光照強(qiáng)度越大，所具有的能量就越多，太陽(yáng)光子數(shù)量越多。當(dāng)太陽(yáng)能光線照射在光伏電池板的硅半導(dǎo)體上時(shí)，光子與半導(dǎo)體中的自由電子作用產(chǎn)生電流，電流增大，從而使功率增大。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者討論了在相同條件下，用智慧新能源實(shí)訓(xùn)設(shè)備的碘鎢燈作為光源，垂直照射4塊平行串聯(lián)分布的光伏太陽(yáng)能電池板，改變碘鎢燈的光照強(qiáng)度，使其分別為0%（光照強(qiáng)度為0 LUX）、20%（光照強(qiáng)度為735 LUX）、40%（光照強(qiáng)度為2 433 LUX）、60%（光照強(qiáng)度為4 351 LUX）、80%（光照強(qiáng)度為5 623 LUX）和100%（光照強(qiáng)度為8 787 LUX）時(shí)，測(cè)量光伏電池板的直流電壓、直流電流和功率。實(shí)驗(yàn)中，信捷PLC控制碘鎢燈燈桿的運(yùn)動(dòng)，力控組態(tài)軟件實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著光照強(qiáng)度的增加，光伏電池板兩側(cè)的電壓、電流和功率隨之增大。