沙漠中独立光伏发电装置的研究

剡文福 蔺金元

摘要：沙漠地区远离供电网络，环境特殊。本系统采用C8051F410单片机作为核心控制部件，针对沙漠特殊环境，实现了对独立光伏发电装置的有效控制，延长了电子设备在沙漠中的使用寿命，提高了独立光伏供电的可靠性和光电转换效率。

关键词：独立光伏 发电装置 C8051F410 沙漠

随着全球能源的日益紧缺，光伏发电作为新能源的开发已经得到了越来越广泛的利用。目前，受到环境、场地、初投资、太阳能电池板寿命等方面因素的影响，光伏发电还不能够完全取代火力发电、水利发电、核电等主要发电手段，暂时还只是作为补充发电手段存在。然而，在国家电网不能覆盖到的区域，如沙漠等偏远地区，独立光伏发电装置就能够发挥出重要作用。本文旨在研究沙漠环境下独立光伏发电装置的研究，介绍一种基于单片机控制的独立光伏发电装置。

1 沙漠环境对光伏发电的影响

1.1 沙漠环境的特点[1]

①昼夜温差很大。白天太阳辐射强，地面加热迅速，气温可高达60～70℃。夜间地面冷却极强，甚至可以降到0℃以下，变化高达50℃以上。

②日照强，空气十分干燥，降雨量少。但是，一旦降雨，多为暴发性的阵雨，往往引起剧烈的水土流失。冬季寒冷，往往会有长时间积雪。

③多风沙天气。大风刮起时，满天黄沙，天昏地暗，流沙遍野；风停后，飞沙落地，形成一条条一排排高低起伏、大小不等的沙丘群、最高的沙丘可高达400米以上。

1.2 沙漠环境对光伏发电的影响

在沙漠环境的特点中：昼夜温差大会缩短电子设备的寿命；多风沙会影响太阳能电池板表面清洁度，降低发电效率；暴雨及风沙容易造成地表面高度变化，给发电装置的安装带来了难度。可以看出，在沙漠环境中工作的独立光伏发电装置不但要具备常规的功能，还必须具备耐温差变化、抗风沙、抗掩埋的能力。

2 装置组成及工作原理

独立光伏发电装置的组成结构如图1所示。太阳能电池板发出的电是直流电，整个装置在以单片机为核心的控制器作用下运行。太阳能电池板产生的电能一方面直接供给直流负载工作，如果所需的直流电压不同，可以采用DC-DC直流电压变换器进行调整。另一方面，可将电池板发出的直流电经过逆变器变换成交流电，供给交流负载工作。另外，负载用电量较少时，控制器可以指挥将多余的电量储存在蓄电池中作为备用电能。

为了使电子设备能够适应沙漠环境中昼夜温差大的特点，保证正常工作，本装置设计了温度自动控制功能。在整个工作期间，温度传感器会将工作环境温度实时测量并传送给控制器，控制器经过实际温度值与设定值的比较，向恒温机构发送相应操作指令，以便对温度进行调节。恒温机构包括散热机构和加热机构两部分：当实际工作环境的温度值高于设定温度值时，启动散热部分工作；当实际工作环境的温度值低于设定温度值时，启动加热部分工作。

3 主控制器的选择

本光伏发电装置的主控制器选择了Silicon Laboratories公司推出的8051系列单片机C8051F410 。此单片机是完全集成的低功耗混合信号、片上系统型芯片，片内具有4个通用的16位定时器，2个12位电流输出D/A转换，24通道的12位200kps A/D转换，高精度可编程24.5MHz内部振荡器和达到32KB的片内FLASH存储器[2]。在许多AD/DA转换精度或时钟精度要求不是特别高的设计中，不必再使用外部AD/DA转换芯片或谐振电路，只靠片内资源就可以完成相应的功能，极大地减少了很多外围电路设计，提高了系统的集成度和抗干扰能力。

4 太阳能电池板的安装

由于是工作在沙漠环境，风沙和暴雨可能造成太阳能电池板转化效率降低，甚至可能造成被掩埋。所以，为了避免上述困境的出现、充分发挥电池板自身的性能，并保证安全发电，在太阳能电池板的安装过程中除了必要的加固措施外，还需要采取有效的优化安装方法。

有研究者在充分考虑地理及环境因素后，应用光学、力学、电路原理等相关理论，提出了太阳能电池板的4种创新的优化安装方案，分别为采用聚透镜提高电池板受光强度，采用反射镜实现光线照射电池板的最佳角度，电池板自除雪和太阳能电池板的安装加固[3]。本装置选用了这4种优化方案中的后两种，即电池板自除雪和太阳能电池板的安装加固。由于本装置自身带有加热机构，正好可以作为电池板自除雪中的加热设备，只需要在程序上做些修改，十分简便。

另外，为了防掩埋，一般选择位置较高的地方安装，并打下牢固的地基。如果想要进一步提高太阳电池板对太阳光的利用率，也可以给装置加装太阳能自动追踪设备，使太阳能电池板始终正对着太阳，最大程度接受光照[4]。

5 结语

本系统采用C8051F410单片机作为核心控制部件，针对沙漠特殊环境，实现了对独立光伏发电装置的有效控制，延长了电子设备在沙漠中的使用寿命，提高了独立光伏供电的可靠性和光电转换效率。

参考文献：

[1]刘玉.沙漠环境特点及其对工程装备的影响[J].装备环境工程，2012，9（6）：67-70.

[2]赵祖龙，赖万昌.基于C8051F410单片机的流量仪设计与应用[J].中国科技信息，2013（5）：70-71.

[3]回双双，吴亚敏等.太阳能电池板的优化安装[J].实验室研究与探索，2012，31（5）：28-30.

[4]蔺金元，剡文杰.太阳能抽水泵的自动追光控制系统研究[J].中国农村水利水电，2012（2）：88-89.

作者简介：剡文福（1970-），男，宁夏人，电气工程师，主要从事电气控制技术研究。