一種高精度低功耗的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：發(fā)電量檢測是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。本文設(shè)計了一種精度更高，功耗、成本更低的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制器，避免了數(shù)模轉(zhuǎn)換器等引起的能量消耗并最大程度地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時引入了霍爾電流傳感器，可以幾乎無損耗地將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。實(shí)驗結(jié)果表明：太陽能發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，太陽能發(fā)電量能夠?qū)崟r顯示在顯示屏上，且誤差率不超過5%。

太陽能的利用已經(jīng)成為化解能源危機(jī)的一條途徑。因而，國內(nèi)外的相關(guān)科研、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)部門都在積極致力于太陽能相關(guān)設(shè)備的研究和開發(fā)，并取得了相當(dāng)?shù)某删团c發(fā)展。如高層建筑的太陽能與建筑的一體化可以滿足生活熱水、制冷、采暖需求;太陽能電動汽車的設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排;太陽能在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用如太陽能施肥-噴藥-體機(jī)不僅環(huán)保，還解決了農(nóng)村地區(qū)交通不便等問題。目前，太陽能源的利用主要分為：太陽能發(fā)電和蓄能。太陽能發(fā)電是新興的可再生能源技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化作用的主要是太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電。太陽能蓄能除了利用蓄電池存儲電能之外，還可以利用太陽能直接加熱冷水供給需用熱水用戶，這是我們都熟知的一項太陽能利用途徑，現(xiàn)在樓宇建筑中集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)中很多都采用了太陽能熱水系統(tǒng)和技術(shù);還可以將太陽能產(chǎn)生的多余電能引水上山，把低處水庫的引上高處的水庫，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能，在需用電能的時候，再將勢能通過水利發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化成電能。太陽能發(fā)電是最直接的途徑，但是由于太陽能電池板的轉(zhuǎn)化效率比較低，目前砷化鎵太陽能電池理論上能達(dá)到28.8%，而一般太陽能電池轉(zhuǎn)化率僅在20%左右。因而，太陽能發(fā)電系統(tǒng)又有新的研究進(jìn)展。如目前研究利用聚焦的太陽能加熱工質(zhì)水，將水加熱為蒸汽，在推動汽輪機(jī)時帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

太陽能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是：1)能源可再生;2)真正低碳清潔能源;3)不受資源分布地域的限制。為此，結(jié)合目前情況我們提出了一種適用于小辦公區(qū)域或別墅使用的小用戶太陽能發(fā)電及配電系統(tǒng)，其主要目的是根據(jù)太陽能發(fā)電量實(shí)現(xiàn)家用電器按優(yōu)先級別自主完成設(shè)定的工作，然后將電能轉(zhuǎn)換成熱能和空氣能儲備，最大可能的實(shí)現(xiàn)太陽能利用，同時實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電與市電互相切換，以避免太陽能發(fā)電不足時保證區(qū)域的正常用電。該小用戶太陽能發(fā)電及配電系統(tǒng)包括：太陽能電池板、發(fā)電量檢測、蓄電池組、逆變器和保護(hù)電路等等，其中發(fā)電量檢測是關(guān)鍵部分，它提供整個太陽能發(fā)電量的信息，是整個系統(tǒng)可靠工作的基礎(chǔ)，因此系統(tǒng)的要求是準(zhǔn)確檢測、工作可靠。

1 太陽能發(fā)電量檢測裝置

1.1 太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)

目前，有人提出基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)，此系統(tǒng)分為3部分：傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對太陽能發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，而且用戶和工作人員可以很方便的通過3G或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行查詢，為分析、控制和設(shè)計、改善發(fā)電系統(tǒng)的性能提供依據(jù)。但是，此系統(tǒng)工程造價昂貴，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，并不適合小用戶太陽能發(fā)電系統(tǒng)。而現(xiàn)在普遍流行的是一種以AT89S52單片機(jī)為控制器的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)，這個裝置系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、免維護(hù)、耗電量小而且能夠有效的實(shí)時監(jiān)控太陽能電池的發(fā)電量，這不失為一個比較優(yōu)良的檢測系統(tǒng)，但是由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號，所以加入了A/D轉(zhuǎn)換器等模塊，而A/D等模塊的驅(qū)動也需要能源，這在無形中也會造成不必要的能源消耗。結(jié)合這些系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們設(shè)計一套基于AVR單片機(jī)的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)的思路。與前面的發(fā)電量檢測系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)簡單方便，工程造價比較低，準(zhǔn)確性也比較高，能廣泛適用于小用戶太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)的設(shè)計

我們設(shè)計的系統(tǒng)的主要功能是：以AVR單片機(jī)為控制器，對太陽能電池發(fā)電量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時地顯示在液晶顯示屏上。一般，獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、充電控制器(內(nèi)含MPPT模塊)、顯示模塊，電壓衰減模塊，電壓放大模塊，蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。我們的設(shè)計構(gòu)思如圖1。總電路包括太陽能電池板，電壓衰減電路，電壓放大電路，霍爾電流傳感器，光合太陽能充電控制器，LCD1602顯示器，以及AVR單片機(jī)。

1.2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

為了便于前期的檢測本系統(tǒng)，可以采用雙電源：220 V轉(zhuǎn)5V電源和蓄電池經(jīng)穩(wěn)壓變壓電源。1)220 V轉(zhuǎn)5 V電源，通常外接電源電壓不穩(wěn)定需要經(jīng)過濾波穩(wěn)壓后才能供給單片機(jī)，使之能更加可靠地運(yùn)行。2)蓄電池電源，本系統(tǒng)是長期使用并且獨(dú)立發(fā)電的，而十電池壽命有限，所以長期工作狀態(tài)中不宜用于電池供電，系統(tǒng)內(nèi)部的蓄電池供電為最佳選擇。在設(shè)計中單片機(jī)和LCD1602需要+5 V電壓，霍爾電流傳感器需要±15 V電壓。設(shè)計中采用7805，7815，7915三端穩(wěn)壓集成電路來分別提供+5 V，+15 V和-15 V電壓。

1.2.2 單片機(jī)電路

ATmega32單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以再一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器。

1.2.3 I/V轉(zhuǎn)換模塊和V/V轉(zhuǎn)換模塊

單片機(jī)只能處理0～5 V的電壓信號，所以需要將太陽能電池板或蓄電池所釋放的電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號。太陽能電池板的輸出電壓規(guī)格是0～20 V，電流為0～5 A，因此必須將電流值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號。此電路包括霍爾電流傳感器，電阻以及集成運(yùn)算放大器OP07?；魻栯娏鱾鞲衅魇谴宿D(zhuǎn)換電路的核心，功率計要求在盡可能不影響電池板電能輸出的情況下才能檢測其功率，所以I/V轉(zhuǎn)換的功耗要盡可能的低，電路中采用的是TBC10SY型霍爾電流傳感器，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，在消耗相當(dāng)少電能的情況下將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。TBC 10SY雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器的初、次級之間是絕緣的，具有超強(qiáng)抗干擾能力;用于測量直流、交流和脈動電流。當(dāng)待測電流從傳感器穿過，即可在輸出端測得電壓大小。I/V轉(zhuǎn)換電路如圖2。