任 濤，沈孝龍，楊雙翼，吳 偉

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044）

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-噴藥一體機(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(xiàng)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?？傠娐钒ㄌ柲茈姵匕?，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)。

圖1 太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)設(shè)計思路Fig. 1 Design of solar power capacity detection system

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，而干電池壽命有限，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0P07?；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。TBC10SY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。

圖2 I/V轉(zhuǎn)換電路Fig. 2 The I/V conversion circuit

雖然霍爾電流傳感器能夠無損耗的轉(zhuǎn)換電流電壓，但太陽能電池板輸出電流較小且經(jīng)過霍爾電流傳感器之后輸出電壓僅為幾十毫伏，很難測準(zhǔn)，所以要經(jīng)過OP07集成運(yùn)算放大器來放大。OP07芯片是一種低噪聲非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。因?yàn)镺P07具有較低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大25μV），所以O(shè)P07在很多場合不需要額外的調(diào)零動作。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2 nA）與開環(huán)增益高（對于OP07A為300 V/mV）等特點(diǎn)，這種低失調(diào)，高開環(huán)增益的特性，這使得OP07特別適合用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。正反饋放大電路如圖3。

圖3 OP07正反饋放大電路Fig. 3 OP07 positive feedback amplification circuit

因?yàn)閷?shí)時功率的測量需要同時采集到電壓值和電流值。而太陽能電池板電壓為0～22 V， 以及單片機(jī)的處理電壓均為0～5 V。所以太陽能電池板和蓄電池的輸出電壓以及電流經(jīng)過霍爾電流傳感器按比例轉(zhuǎn)換得出電壓值必須要衰減或放大到0～5 V。根據(jù)電壓電阻之間的線性關(guān)系，將0～14 A按比例轉(zhuǎn)換為0～5 V,電壓0～20 V按比例轉(zhuǎn)換為0～5 V。衰減電路如圖4。

圖4 衰減電路Fig. 4 Attenuating circuit

1.2.4 LCD1602顯示電路

本設(shè)計采用LCD1602液晶顯示屏顯示，其具有體積小、功耗低、界面大方等優(yōu)點(diǎn)，這里使用YB1602液晶屏，1602顯示模塊用點(diǎn)陣圖形顯示字符，顯示模式分為2行16個字符。

1.2.5 充電控制器

由于在工作時，隨著光照溫度等因素不斷變化，必然會導(dǎo)致端電壓急劇變化。此時就需要充電控制器了。充電控制器，一方面能夠延長蓄電池的使用壽命，另一方面在充電過程中還能減少損耗，保護(hù)蓄電池充電過量造成損害。系統(tǒng)采用以MPPT控制器為核心的充電控制電路。

1.2.6 發(fā)電量檢測軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序主要包括：LCD1602顯示程序，AD轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)主程序。

圖5 流程圖Fig. 5 Flow chart

由此可知，工作原理為：太陽能電池板接受光照時產(chǎn)生電壓和電流信號，通過太陽能充電控制器對蓄電池充電，蓄電池經(jīng)過穩(wěn)壓電路位單片機(jī)提供驅(qū)動電壓，電池板產(chǎn)生的電壓和電流分別經(jīng)過V/V、I/V轉(zhuǎn)換電路并衰減或放大使其電壓不超過5 V，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部處理將功率值實(shí)時顯示在LCD1602液晶屏上。

1.3 系統(tǒng)的調(diào)試

1.3.1 性能要求

1)電量檢測裝置能夠測量0.5～999.0 W的功率且平均誤差率＜5%。

2)太陽能電池板規(guī)格：最大功率 160 W；最大輸出電壓22 V；最大輸出電流 6 A。

3)蓄電池規(guī)格：型號6-DZ-12；額定電壓 12 V；額定容量 12 Ah。

1.3.2 軟硬件設(shè)置

電量測量電路中太陽能電池電壓衰減倍數(shù)為1/4.5,霍爾電流傳感器輸入電流與輸出電壓比為4，電壓放大電路放大倍數(shù)為4。

2 太陽能發(fā)電量檢測裝置的系統(tǒng)測試

太陽能電池板在太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電力電子裝置的實(shí)驗(yàn)室研究中扮演了相當(dāng)重要的角色。但是當(dāng)日照強(qiáng)度很低或者夜晚的時候，太陽能電池陣列失去了輸出功率。這時，研究工作就受到了外界條件的限制，我們可以通過模擬太陽能電池的方法來解決這個問題。

整個系統(tǒng)的實(shí)際檢驗(yàn)需要在特定的條件下才能進(jìn)行，太陽能電池的工作效能與光強(qiáng)，外界環(huán)境溫度，陽光照射角度，陽光的光譜分布等因素有關(guān)。所以測量太陽能電池的輸出功率必須按照IEC TC-82的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)為：AM（air-mass大氣質(zhì)量）=1.5，光的輸入功率=1 000 W/m2，測試溫度為25 ℃

由于條件限制，在實(shí)驗(yàn)室情況下，采用電壓源電流源模擬太陽能電池測得數(shù)據(jù)如圖6 。

圖6 模擬太陽能電池測量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)比較圖Fig. 6 Comparison of the simulation of solar measurement data and the actual data

如圖所示，實(shí)際值越小測量值的誤差越大，比如輸出電壓為3 V時，實(shí)際值與測量值的誤差達(dá)到了77%，當(dāng)輸出電壓為6 V時，實(shí)際值與測量值的誤差達(dá)到了44%，但是當(dāng)實(shí)際功率超過6 W的時候，誤差率就不超過5%了。實(shí)際中，太陽能電池的有效工作時的發(fā)電功率在120 W左右，所以系統(tǒng)能很好的完成太陽能發(fā)電量的檢測。

整個系統(tǒng)的調(diào)試均是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，用實(shí)驗(yàn)室電源模擬太陽能電池，雖然不能很好的表現(xiàn)出太陽能電池的原始性能，且有些特征表現(xiàn)的也過于理想化，所以會有很大的局限性。但設(shè)計的重點(diǎn)不在于測量太陽能電池板的性能，而是要檢驗(yàn)設(shè)計進(jìn)行功率檢測的精確度，因此是能夠反應(yīng)設(shè)計效果的。從測量結(jié)果來看發(fā)電量檢測達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié) 論

文中提出并設(shè)計了一種基于AVR單片機(jī)的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)⑺鶞y得值實(shí)時顯示在液晶屏幕上。由實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果分析可知，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠?qū)崟r并精確地顯示太陽能發(fā)電量以及用電器用電量，可以為調(diào)配電力提供有力的數(shù)據(jù)支持，同時還減少了一些不必要的能量消耗，這對于太陽能最大程度化的利用具有較重大意義。而且此系統(tǒng)裝置器件壽命較長，耐用可靠，并且具有通用性，還可以靈活應(yīng)用于其他數(shù)據(jù)采集的工程領(lǐng)域。

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