張聲嵐, 匡貞伍, 馬 航, 張烈平, 鄧金海

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 制約著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和工作周期。當(dāng)前主要依靠降低系統(tǒng)硬件能耗、 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼冉档凸牡姆椒▉?lái)延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)工作周期[1-2]。然而, 這些方法雖然可以減少能耗, 延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間, 但有限的儲(chǔ)電量總會(huì)耗盡, 仍然不能保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的持續(xù)性。解決傳感器節(jié)點(diǎn)能量問題, 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要方案是采集和存儲(chǔ)自然環(huán)境中的能量, 為傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行供應(yīng)能量, 實(shí)現(xiàn)自供自足[3]。從環(huán)境中獲取可持續(xù)的自然能量中, 太陽(yáng)能的能量密度相比風(fēng)能、 振動(dòng)能等其他能量源的能量密度要高很多， 將太陽(yáng)能光伏供電應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電具有很好的應(yīng)用前景[4]。

近年來(lái), 隨著生活環(huán)境日益惡化, 可再生能源利用與節(jié)能技術(shù)逐漸成為全球研究熱點(diǎn)[5-6]。以太陽(yáng)能為代表的新型清潔能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注, 光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要手段已經(jīng)逐漸被人們所熟知[7]。合理的光伏陣列安裝角度可提升太陽(yáng)能利用效率, 使光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率最大化[8]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)光伏自供電系統(tǒng)中, 由于光伏電池板面積小, 配置光照跟蹤裝置會(huì)帶來(lái)額外的大量能量消耗, 增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。因此, 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自供電太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)采用固定式部署方式更合適。在實(shí)際應(yīng)用中, 即使是在同一地點(diǎn), 不同傾角接收的太陽(yáng)輻射量差別很大[9]， 所以為了獲得更多的太陽(yáng)輻射量, 固定式部署通常是將太陽(yáng)能光伏電池板與水平面按一定的傾斜角放置。因此, 研究如何獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, WSN)節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)中太陽(yáng)能光伏電池板的最佳傾斜角度和最佳方位角度具有重要意義。

在研究太陽(yáng)能光伏電池板部署角度的問題上, 劉國(guó)忠等采集某光伏電站內(nèi)不同安裝傾角情況下的同年發(fā)電量數(shù)據(jù), 研究了可調(diào)傾角方案對(duì)發(fā)電量的影響[10]；遲福建等提出了一種集中式大型光伏系統(tǒng)最佳傾角聚類分析方法, 并與PVsyst軟件所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析, 驗(yàn)證了有效性[11]；Babatunde等研究了光伏系統(tǒng)的傾斜、 定向、 清洗等技術(shù)因素對(duì)系統(tǒng)輸出的影響[12]；ahin提出了一種確定最佳傾角的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[13]； Ullah等利用太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù), 建立了最佳光伏傾斜角模型, 模型為光伏電池板的調(diào)整提供了最佳時(shí)間表[14]。

本文以桂林氣象特征為環(huán)境背景, 對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)自供電太陽(yáng)能光伏電池板的最佳部署角度進(jìn)行了研究， 給出了太陽(yáng)能光伏電池板最佳傾斜角度和最佳方位角度的部署策略。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)， 并采用NASA氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中的桂林市月平均光照輻射量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試, 驗(yàn)證最佳方位角度和最佳傾斜角度部署策略的有效性。

2 WSN節(jié)點(diǎn)自供電太陽(yáng)能光伏電池板部署角度策略

2.1 方位角度和傾斜角度的定義

如前所述, 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自供電光伏電池板采用固定式部署更符合實(shí)際應(yīng)用需求。桂林豐富的光照資源使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電有很好的應(yīng)用前景[15]。在實(shí)際應(yīng)用中, 同等光照條件下, 當(dāng)光伏電池板平面與太陽(yáng)光線垂直的時(shí)候, 獲取能量的效率最高。因此, 本文通過(guò)改變太陽(yáng)能光伏電池板的部署角度來(lái)改變光伏電池板的朝向方位, 使光伏電池能夠獲取更多的能量, 提高獲取效率。

部署太陽(yáng)能光伏電池板涉及到兩個(gè)角度, 分別為方位角和傾斜角。以北半球?yàn)槔? 方位角是光伏電池板的板平面法線在平面上的投影與地球正南方位之間的夾角, 記為β； 傾斜角是指光伏電池板的板平面和大地水平面之間的夾角, 記為α。

2.2 方位角的部署策略

以北半球?yàn)槔? 中午12:00太陽(yáng)位于正南方向, 是一天內(nèi)太陽(yáng)光照最強(qiáng)的時(shí)候， 所以光伏電池板一般都朝向正南方向擺放, 使得光伏電池板能夠盡可能多地收集能量。然而, 由光伏電池輸出特性可知, 溫度是影響最大功率點(diǎn)電壓的主要因素。太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率與溫度成反比關(guān)系, 隨著溫度升高而降低。太陽(yáng)能的光照強(qiáng)度在正午時(shí)刻最大, 而溫度是在14:00左右達(dá)到最高。因此, 考慮到溫度因素對(duì)光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率的影響, 光伏電池板部署的最佳方位角不一定為0°(正南朝向)。

不同種類的光伏電池有不同的溫度影響系數(shù)。通常多晶硅光伏電池的溫度影響系數(shù)約為0.4%, 單晶硅約為0.2%。一般情況下, 光伏電池板材料不同以及所處氣候環(huán)境的差異, 最佳方位角也會(huì)有所不同。因此, 需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)方位角進(jìn)行修正：

(1)

式中：γ為方位角修正角度;ε為修正系數(shù)(一般取值為[0, 80]);K為太陽(yáng)能光伏電池的溫度影響系數(shù);TM為某一日中的最高溫度;TA為某一日中的正午溫度;TN為太陽(yáng)能光伏電池的額定運(yùn)行溫度。

根據(jù)式(1)計(jì)算出的修正角度就是光伏電池板向正西方向調(diào)整的角度。理論上， 最佳γ值不超過(guò)10°。根據(jù)本文給出的方位角修正策略可以在正午時(shí)分太陽(yáng)能光伏電池板收集到足夠能量的前提下, 使得溫度最高的時(shí)刻太陽(yáng)光照與光伏電池板的夾角最大, 從而防止溫度最高時(shí)段由于溫度過(guò)高而造成光伏電池能量收集效率降低的情況發(fā)生。

2.3 傾斜角的部署策略

假設(shè)地面的反射和光照散射的輻射方向?yàn)橥较颉Ｔ谌我鈺r(shí)刻, 太陽(yáng)能光伏電池板的斜面所接受的總輻射能量HA， 包括垂直輻射能量HAT、 反射輻射能量HCT和散射輻射能量HBT三部分[16]：

HA=HAT+HBT+HCT。

(2)

其中， 垂直輻射能量HAT計(jì)算方法為

HAT=HaRa,

(3)

式中:Ha為太陽(yáng)光每天直射水平地面的平均輻射強(qiáng)度;Ra為光伏電池板斜面和太陽(yáng)光直射水平面的輻射能量的比值

(4)

式中:δ為光伏電池板部署緯度;θ為太陽(yáng)能光伏電池板的部署傾斜角;φ為赤緯角;ω為光伏電池板斜面的太陽(yáng)日面時(shí)角;ωs為水平面的太陽(yáng)日面時(shí)角。

散射輻射能量HBT：

(5)

式中:Hb為水平地面上太陽(yáng)光每天的平均散射輻射強(qiáng)度;H0為大氣層外太陽(yáng)光的日平均輻射強(qiáng)度;Ia為水平地面上太陽(yáng)光直射水平地面每小時(shí)的平均輻射強(qiáng)度;I0大氣層外太陽(yáng)光的每小時(shí)平均輻射強(qiáng)度。

水平地面上的反射輻射能量HCT：

(6)

式中:τ為水平地面的反射率(一般取值為0.2);HC為大氣層外太陽(yáng)光的日平均輻射強(qiáng)度。

由式(2)～(6)可知, 太陽(yáng)能光伏電池板的斜面所接受的總輻射能量HA可以表示為

(7)

將光伏電池板部署位置的緯度φ、 垂直輻射能量HAT、 散射輻射能量HBT和反射輻射能量HCT代入式(7), 即可求得光伏電池板的最佳部署傾斜角度θ。

3 方位角和傾斜角部署仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 方位角和傾斜角部署仿真實(shí)驗(yàn)

PVsyst是一款關(guān)于太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件, 可以對(duì)太陽(yáng)能光伏電池板的部署地點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)定, 如溫度、 經(jīng)緯度、 太陽(yáng)光的日輻射量等。PVsyst也可以模擬部署太陽(yáng)能光伏電池板的傾斜角和方位角, 并根據(jù)部署角度測(cè)算光伏電池板的光電轉(zhuǎn)換總量[17]。本文以桂林理工大學(xué)雁山校區(qū)8號(hào)教學(xué)樓(E110.3°, N25.07°)為測(cè)試地點(diǎn), 利用PVsyst 軟件模擬研究太陽(yáng)能光伏電池板最佳方位角和傾斜角的部署策略。圖1是PVsyst 軟件模擬部署光伏電池板的功能界面。

圖1 PVsyst 軟件模擬部署光伏電池板的功能界面

考慮到太陽(yáng)能光伏電池板的方位角和傾斜角會(huì)對(duì)全年的太陽(yáng)能光照總輻射量造成影響。在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 先將方位角設(shè)置為恒定值0°, 然后通過(guò)PVsyst 軟件獲得不同傾斜角情況下全年太陽(yáng)能光照的平均總輻射量, 如表1所示。

表1 傾斜角不同情況下太陽(yáng)能光照年均總輻射量

由仿真實(shí)驗(yàn)可以看出, 當(dāng)方位角恒定為0°、 傾斜角為20°時(shí), 測(cè)試地點(diǎn)的太陽(yáng)能光照年均總輻射量達(dá)到最大值為1 227 kW·h·m-2。因此, 在實(shí)際太陽(yáng)能光伏電池板部署時(shí), 選擇最佳傾斜角為20°。

在確定最佳傾斜角的基礎(chǔ)上, 將傾斜角設(shè)置為恒定值20°, 獲取測(cè)試地點(diǎn)不同方位角情況下的全年太陽(yáng)能光照平均總輻射量, 從而最終確定最佳方位角。通過(guò)PVsyst 軟件獲得的太陽(yáng)能光照年均總輻射量, 如表2所示。

表2 電池板不同方位角下太陽(yáng)能光照年均總輻射量

由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出, 當(dāng)傾斜角恒定為20°時(shí), 年均光照強(qiáng)度隨著方位角的改變不是很明顯。在方位角為偏正東方向-1°～偏正西方向4°的時(shí)候, 太陽(yáng)能光照年均總輻射量達(dá)到最大值1 227 kW·h·m-2。

3.2 方位角和傾斜角部署實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)比最佳角度部署模式與水平面部署模式的不同效果, 本文采用Meteonorm 軟件對(duì)NASA氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中桂林地區(qū)2015年的光照輻射量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析, 分別獲得了最佳角度部署模式(傾斜角度取20°, 方位角度取1°)和水平面部署模式的月平均光照輻射量, 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輻射量

可知, 當(dāng)太陽(yáng)能光伏電池板采用水平面部署模式時(shí), 年光照總輻射量為1 175.066 kW·h·m-2； 當(dāng)太陽(yáng)能光伏電池板以最佳角度部署模式時(shí), 年光照總輻射量為1 227 kW·h·m-2。從年光照總輻射量來(lái)看, 以最佳角度部署模式來(lái)部署太陽(yáng)能電池板獲得的能量更多。

將最佳角度部署模式和水平面部署模式的各月份太陽(yáng)能光照輻射能量數(shù)據(jù)采用曲線的方式表示出來(lái), 如圖2所示。 在1—2月和9—12月, 最佳角度部署模式的太陽(yáng)能光照輻射能量獲取量稍微高于水平面部署模式, 在3—7月, 兩種部署模式的太陽(yáng)能光照輻射能量獲取量相差不大, 這也與桂林地區(qū)的氣象特征相吻合。從整體的曲線起伏波動(dòng)來(lái)看, 最佳角度部署模式的光照輻射量獲取量相對(duì)于水平部署模式更趨于均衡, 各月份獲取的能量變化幅度略小。因此, 以最佳角度部署模式來(lái)部署太陽(yáng)能光伏電池板對(duì)于WSN節(jié)點(diǎn)的自供電會(huì)更加穩(wěn)定。

圖2 兩種部署模式的月平均太陽(yáng)光照輻射量對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)闡述了光伏電池板傾斜角和方位角的定義, 并提出了光伏電池板最佳傾斜角和最佳方位角的部署策略。

(2)通過(guò)PVsyst軟件對(duì)最佳部署角度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn), 得出了部署光伏電池板的最佳部署角度為方位角1°, 傾斜角20°。

(3)使用Meteonmorm軟件對(duì)NASA數(shù)據(jù)庫(kù)中桂林的太陽(yáng)能光照輻射量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn), 對(duì)最佳部署角度模式和水平面部署模式獲取光照輻射量的能力進(jìn)行了對(duì)比分析, 得出了以最佳部署角度模式部署光伏電池板更適合WSN節(jié)點(diǎn)自供電的結(jié)論。

本文在最佳部署策略上采用的是方位角和傾斜角單獨(dú)最優(yōu)的情況下組合, 在后續(xù)的研究中將進(jìn)行兩種角度組合后最優(yōu)角度的選擇和部署, 同時(shí)在部署太陽(yáng)能電池板時(shí), 將考慮不同季節(jié)太陽(yáng)照射的角度, 使得光伏電池板角度部署更加全面、 科學(xué)和準(zhǔn)確， 以獲得更多的太陽(yáng)能。