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)

0 引言

中國(guó)作為能源消耗大國(guó)，化石燃料日趨減少，能源危機(jī)問(wèn)題日益加重，與此同時(shí)，化石燃料的燃燒嚴(yán)重污染了環(huán)境，為了解決這一問(wèn)題，可再生新能源的探究迫在眉睫。太陽(yáng)能是由于氫氦聚變產(chǎn)生輻射能量的，光伏發(fā)電則是利用光伏電池板將太陽(yáng)光的光輻射能量直接轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)東升西落，不同時(shí)間段太陽(yáng)處在不同的位置，因此探究不同光照角度對(duì)光伏電池板實(shí)際輸出功率的影響程度很有必要。本文利用Rhea Vulca智慧新能源實(shí)訓(xùn)設(shè)備，分析在一定光照強(qiáng)度下，不同光照入射角對(duì)光伏電池板實(shí)際輸出功率的影響，并用力控組態(tài)軟件控制系統(tǒng)運(yùn)行，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，最后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 使用設(shè)備與測(cè)試原理

1.1 使用設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為Rhea Vulca智慧新能源實(shí)訓(xùn)設(shè)備，該設(shè)備是由區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)、電子中心管控平臺(tái)、能源互聯(lián)網(wǎng)仿真規(guī)劃平臺(tái)組成，本實(shí)驗(yàn)主要使用區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)和電子中心管控平臺(tái)。在區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)的中央，安裝4塊平行等距的太陽(yáng)能光伏電池板，該光伏電池板額定輸出功率為3 W，額定輸出電壓為6 V，外觀尺寸為218 mm×132 mm×17 mm，材質(zhì)為單晶硅。

在電子中心管控平臺(tái)上主要安裝用戶配電柜、導(dǎo)軌式開(kāi)關(guān)電源、單相電表、開(kāi)關(guān)按鈕盤(pán)、PLC及PLC擴(kuò)展模塊(信捷XC3-32R-E)、繼電器、風(fēng)光互補(bǔ)控制器和直流負(fù)載，將所用部分安裝好后接線。

該系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)能，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能之后接通交通燈直流負(fù)載，并用單相電表對(duì)4塊光伏電池板的直流電壓、直流電流和電功率進(jìn)行測(cè)量；PLC及PLC擴(kuò)展模塊用來(lái)控制碘鎢燈入射光源與太陽(yáng)能光伏電池板的角度；當(dāng)無(wú)風(fēng)力時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)型控制器實(shí)現(xiàn)光伏控制器功能，可控制光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能供直流負(fù)載使用。

1.2 測(cè)試原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)由分布式光伏發(fā)電設(shè)備、控制器、蓄電池組、直流負(fù)荷和電壓表構(gòu)成，并將光伏發(fā)電設(shè)備輸出的電能直接供給直流負(fù)載使用。

太陽(yáng)能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件之一，它將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)化為電能，然后輸出直流電，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命決定了太陽(yáng)能電池的使用價(jià)值。

太陽(yáng)光光照度[1]、環(huán)境溫度[2]、陰影阻擋[3]、積塵[4]等都是影響太陽(yáng)能電池輸出功率的重要因素。本實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)溫度為28.84 ℃、室內(nèi)濕度為61.46%、黑暗的條件下進(jìn)行，該系統(tǒng)用碘鎢燈模擬太陽(yáng)光照，光伏電池板平行于地面固定在環(huán)境模擬平臺(tái)上，在測(cè)試過(guò)程中設(shè)置碘鎢燈的光照度為4 750 Lux(光照度為碘鎢燈最大強(qiáng)度的70%)，改變碘鎢燈光源與光伏板的角度，測(cè)量相對(duì)應(yīng)單項(xiàng)電表中的電壓、電流和電功率值，測(cè)量角度范圍為0°、20°、40°、60°、80°和90°。最后，得到光伏電池板實(shí)際輸出功率隨光照入射角度的變化關(guān)系。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的軟件分別為力控組態(tài)軟件(力控 ForceControl V7.1)和信捷PLC軟件(XCPPro)。力控組態(tài)軟件用于設(shè)置登錄界面、運(yùn)行狀態(tài)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控功能；信捷PLC軟件實(shí)現(xiàn)光源入射角度的控制。信捷PLC通過(guò)RS232串口直接與上位機(jī)電腦利用 MODBUS RTU 協(xié)議進(jìn)行通信，在上位機(jī)上完成力控組態(tài)頁(yè)面的設(shè)計(jì)與設(shè)置。

2.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

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

本系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，首先按下X2按鈕將燈桿移動(dòng)至西限位處，之后通過(guò)X4按鈕開(kāi)啟碘鎢燈，并按下X3按鈕使燈桿向東運(yùn)動(dòng)，燈桿運(yùn)動(dòng)的角速度為7.5 rad/s，2.67 s后燈桿運(yùn)動(dòng)至20°角處，停留30 s對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，之后分別運(yùn)動(dòng)至40°、60°、80°和90°角處，均停留30 s進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，動(dòng)作結(jié)束后，按下X5按鈕關(guān)閉碘鎢燈。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中如果存在異常情況，可以通過(guò)按下急停按鈕進(jìn)行緊急停止動(dòng)作。主程序流程如圖1所示。

圖1 主程序流程圖

通過(guò)分析該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)PLC控制程序的梯形圖如圖2所示。

圖2 PLC控制程序的梯形圖

2.2 力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

利用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)窗口界面：登錄界面、控制與顯示界面。登錄界面用戶名設(shè)定為admin，用戶密碼為123，用戶控制區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)時(shí)需要先登錄系統(tǒng)。

系統(tǒng)的控制與顯示界面由兩部分組成：操作運(yùn)行模塊和數(shù)據(jù)報(bào)表模塊。操作運(yùn)行模塊有急停按鈕、關(guān)燈按鈕、開(kāi)燈按鈕、向西運(yùn)行按鈕和向東運(yùn)行按鈕。這5個(gè)按鈕分別控制燈桿的緊急停止、關(guān)閉碘鎢燈、打開(kāi)碘鎢燈、向西運(yùn)動(dòng)至西限位和向東運(yùn)行，燈桿向東運(yùn)行后就處于啟動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，燈桿分別運(yùn)行至20°、40°、60°、80°和90°角度，并且每到達(dá)一個(gè)角度停止30 s。

數(shù)據(jù)報(bào)表模塊每5 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取，需要讀取的數(shù)據(jù)類(lèi)型有光照度、直流電壓表示數(shù)、直流電流表示數(shù)和電功率，此處直流電壓表、直流電流表和電功率可以從單相表中讀取，單相表測(cè)得的數(shù)據(jù)是4塊光伏電池板兩側(cè)的電壓、通過(guò)光伏電池板的電流以及對(duì)應(yīng)光伏電池板的電功率。同時(shí)，還可以對(duì)該報(bào)表進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表的預(yù)覽、報(bào)表的打印和報(bào)表的導(dǎo)出。該系統(tǒng)的界面窗口如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面窗口

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變碘鎢燈入射光的角度，可以獲得不同入射角對(duì)光伏電池板實(shí)際輸出功率的影響，通過(guò)10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)取平均值，得到的功率變化曲線如圖4所示。

圖4 光照入射角度對(duì)光伏電池板功率的影響

通過(guò)圖4可知：當(dāng)光照入射角為0°時(shí)，4塊光伏電池板的功率為0 W；在光照入射角度為0°～90°的范圍內(nèi)，隨著角度的增大，光伏電池板的功率也隨著增大，當(dāng)光照入射角度為90°時(shí)，功率達(dá)到最大，最大值為0.377 W；在角度較小時(shí)，功率隨光照入射角度增長(zhǎng)速度較為平穩(wěn)；在接近90°時(shí)，功率隨光照入射角度增長(zhǎng)速度加快。

本實(shí)驗(yàn)研究了光照入射角度在0°～90°范圍內(nèi)，光伏電池板功率的變化情況，在90°～180°范圍內(nèi)，光伏電池板功率的變化情況與0°～90°范圍內(nèi)對(duì)稱，因此在光照入射光線與太陽(yáng)能光伏板垂直時(shí)，功率達(dá)到最大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在相同環(huán)境溫度和相同光照度下，用碘鎢燈光源分別在20°、40°、60°、80°和90°下照射4塊平行分布的單晶硅光伏電池板，通過(guò)對(duì)直流電壓、直流電流和電功率的測(cè)量分析，可以知道在該范圍內(nèi)，隨著角度的增加，光伏板的功率也隨之增加，當(dāng)光源入射光線與光伏電池板垂直時(shí)，光伏板的功率達(dá)到最大。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用信捷PLC程序控制區(qū)域環(huán)境模擬平臺(tái)上的燈桿運(yùn)動(dòng)，用力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行。