周曉明，朱周洪，陳軍松，毛拾文，黃永忠

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.杭州中自華內(nèi)光電科技有限公司，浙江 杭州 310018))

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光反射型光伏板清潔度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

周曉明1，2，朱周洪1，陳軍松2，毛拾文2，黃永忠2

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.杭州中自華內(nèi)光電科技有限公司，浙江 杭州 310018))

【摘要】光伏板表面的污染物嚴(yán)重影響其發(fā)電效率，為此而設(shè)計(jì)了一種光反射信號(hào)的清潔度檢測(cè)儀.以小角度藍(lán)光LED為光源，采用S7183光電二極管實(shí)時(shí)檢測(cè)光源在光伏板表面反射的光信號(hào)，通過C8051F530A-IM單片機(jī)接收處理數(shù)據(jù)，根據(jù)反射光強(qiáng)度與清潔度Sa呈正相關(guān)的關(guān)系，建立定標(biāo)模型，計(jì)算出光伏板的清潔度Sa.系統(tǒng)采用RS485通信，將數(shù)據(jù)提交給光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便光伏電站的管理.實(shí)際應(yīng)用表明，該檢測(cè)儀具有無破壞性測(cè)量及抗干擾能力強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量等特點(diǎn).

【關(guān)鍵詞】光反射；光伏板清潔度；單片機(jī)；RS485串口通信

太陽輻射能作為一種自然能源，以其儲(chǔ)量豐富且無污染性顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已被國(guó)際公認(rèn)為未來最具競(jìng)爭(zhēng)性的能源之一.而光伏發(fā)電技術(shù)也已逐步發(fā)展成熟，可以產(chǎn)生新興、無污染的可再生能源，并在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用.預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上[1-2].

光伏電站主要完成光電轉(zhuǎn)換功能，其中太陽能光伏板是太陽能轉(zhuǎn)換的重要部位.由于太陽能光伏板在戶外使用，光伏板表面容易被污染，尤其是固體顆粒的堆積，嚴(yán)重影響光伏板的發(fā)電效率.為了及時(shí)清理光伏板積灰，需要對(duì)其清潔度進(jìn)行檢測(cè).本文設(shè)計(jì)了一種基于光反射的光伏板清潔度檢測(cè)儀，采用C8051F530A-IM單片機(jī)作為核心處理器，LM3405AXMY為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)模塊，LTC2856IMS8為通信模塊，ltc6240CS5為放大處理模塊.以一定角度照射到光伏板表面的LED光源發(fā)生散射、吸收和反射，隨著光伏板表面落塵增多，散射和吸收增強(qiáng)，反射光強(qiáng)度Ir減弱.檢測(cè)在光伏板表面的反射光，根據(jù)反射光強(qiáng)度Ir與清潔度Sa的關(guān)系，通過定標(biāo)，即可計(jì)算出光伏板的清潔度Sa[3].

1設(shè)計(jì)原理

光源以一定角度照射到光伏板表面上，一部分光被反射，一部分光被光伏板表面灰塵等散射和吸收.則有：

I0=Ir+Ia+Is，

(1)

其中:I0—入射光強(qiáng)，Ir—反射光強(qiáng)，Ia—吸收光強(qiáng),Is為散射光強(qiáng)，可得

Ir=I0-(Ia+Is).

(2)

光伏板表面積灰增加，散射和吸收增強(qiáng)，Ia和Is增大，Ir減小，即清潔度Sa與Ir呈正相關(guān).

檢測(cè)原理如圖1.圖中101為驅(qū)動(dòng)電路模塊、102為L(zhǎng)ED、103為濾光片、104為光電探測(cè)器.

圖1　光路原理圖Figure 1　Schematic of optical path

光源以一定角度照射到光伏板表面，在光伏板表面發(fā)生散射、吸收和反射，濾光片濾除室外環(huán)境中的雜光，采用S7183光電二極管實(shí)時(shí)檢測(cè)反射的光信號(hào)，對(duì)信號(hào)過濾放大處理，通過C8051F530A-IM單片機(jī)接收處理數(shù)據(jù)，根據(jù)反射光強(qiáng)度與清潔度Sa呈正相關(guān)的關(guān)系，計(jì)算出光伏板的清潔度Sa.

已知光源發(fā)射光的光強(qiáng)I0，測(cè)得反射光強(qiáng)Ir，令x=Ir/I0，即反射光與入射光比值.根據(jù)不同x對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率，來標(biāo)定清潔度Sa.

本文通過試驗(yàn)，測(cè)量不同x對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率，對(duì)清潔度檢測(cè)儀進(jìn)行了標(biāo)定，得到了清潔度計(jì)算公式：

Sa=1.546×10-9x5-4.005×10-7x4+3.363×

10-5x3-0.000 9x2+0.01x+0.119

(3)

2設(shè)計(jì)方法

基于光反射信號(hào)的光伏板清潔度檢測(cè)儀主要包括硬件(驅(qū)動(dòng)電路模塊、控制模塊、通信模塊和光強(qiáng)檢測(cè)處理模塊)和軟件.

2.1硬件的設(shè)計(jì)

硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由驅(qū)動(dòng)電路模塊、控制模塊、通信模塊和光強(qiáng)檢測(cè)處理模塊組成，其組成框圖如圖2.

圖2　硬件框圖Figure 2　Diagram of hardware frame

2.1.1驅(qū)動(dòng)電路模塊

光源采用功率3 W，波長(zhǎng)450 nm的藍(lán)光LED，發(fā)光角度15°，聚光性高，穩(wěn)定性好.本模塊的驅(qū)動(dòng)選用LM3405AXMY恒流驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電路如圖3.

圖3　驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖Figure 3　Schematic diagram of the driving circuit module

LM3405A是一款恒流降壓驅(qū)動(dòng)，它具有3 V到22 V的較寬輸入電壓范圍，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá)1A，可滿足驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮一顆3 W的藍(lán)光LED.LM3405A通過DIM引腳可以接受寬范圍的PWM調(diào)光.在圖3典型應(yīng)用電路中，F(xiàn)B引腳的電壓為0.205 V，因此設(shè)置LED通過的最大電流是通過改變FB和接地之間的電阻R1的阻值，計(jì)算公式為IF=VFB/R1.

2.1.2控制模塊

控制模塊選用C8051F530A-IM單片機(jī)作為核心處理器，該單片機(jī)是Silicon Lab推出的具有完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容.具有高速、低功耗及超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，采用5 V電源供電，具有計(jì)數(shù)器陣列PCA可用于PWM，通用16位定時(shí)器，12位ADC，8k Flash存儲(chǔ)空間，-45～+85 ℃工業(yè)級(jí)芯片，能夠滿足數(shù)據(jù)采集、智能管理、光譜調(diào)控、PWM信號(hào)輸出等工作，為系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)和保障.電路如圖4.其中P0.1口接入放大信號(hào)，P1.7口控制PWM輸出，TX、RX、P0.3口接通信模塊，C2CK、C2D用于完成程序的下載[6-7].

圖4　控制模塊電路原理圖Figure 4　Schematic diagram of control circuit

2.1.3通信模塊

通信模塊采用LTC2856IMS8芯片，該芯片采用+5 V電源工作，其額定電流為900 μA,它能將UART輸出電平轉(zhuǎn)換為RS485電平[8].電路如圖5.該芯片有8個(gè)引腳，其內(nèi)部含有1個(gè)接收器和1個(gè)驅(qū)動(dòng)器.RO為接收器的輸出端，接單片機(jī)的RX引腳；DI為驅(qū)動(dòng)器的輸入端，接單片機(jī)的TX引腳.RE是接收使能端，當(dāng)RE=0時(shí)，LTC2856IMS8芯片處于接收狀態(tài)；DE是發(fā)送使能端，當(dāng)DE=1時(shí)，LTC2856IMS8芯片處于發(fā)送狀態(tài),RE和DE接單片機(jī)的RE引腳.

圖5　通信模塊電路原理圖Figure 5　Schematic diagram of communication　　　circuit module

2.1.4光強(qiáng)檢測(cè)處理模塊

檢測(cè)儀在室外使用時(shí)，太陽光等雜散光對(duì)探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生干擾，為此在探測(cè)器之前安裝450 nm干涉帶通濾光片濾除雜散光，只保留450 nm的藍(lán)光波段.探測(cè)器采用波長(zhǎng)范圍300～1 000 nm的S7183光電二極管作為檢測(cè)元件，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過濾波電路濾除檢測(cè)到的日光中的藍(lán)光波段的信號(hào)[9].太陽光在真空中傳播關(guān)系：光速=頻率×波長(zhǎng)，即C=λ·f.藍(lán)光波長(zhǎng)為450 nm，頻率約為6.7×105GHz.而LED通過PWM脈沖調(diào)制，考慮人眼視覺、人耳聽覺的范圍，設(shè)置為20 kHz.濾波電路使用小電容濾除頻率更高的太陽光信號(hào).光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，采用ltc6240CS5芯片的反向電荷放大器將信號(hào)放大后接入單片機(jī)P0.2端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)反射光光強(qiáng)檢測(cè)[10].

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，用C語言編寫，程序流程圖見圖6.主要包括主程序模塊、時(shí)基調(diào)控模塊、PWM信號(hào)控制模塊和通信模塊.子模塊各司其能，有主程序統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各模塊依存關(guān)系，以期達(dá)到操作界面友好，控制效果理想，系統(tǒng)高度穩(wěn)定的目標(biāo).首先完成各模塊的初始化，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括時(shí)間、光強(qiáng)、清潔度的初始化.接下來利用相關(guān)算法計(jì)算檢測(cè)到的光電參數(shù)，得到光伏板實(shí)時(shí)的清潔度精確數(shù)據(jù).

圖6　程序流程圖Figure 6　Software flow chart

2.3裝置安裝及使用方法

基于光反射信號(hào)的光伏板清潔度檢測(cè)儀安裝簡(jiǎn)便快速.裝置具有配套的夾具，可以直接固定在光伏板邊框上，不會(huì)遮擋光伏發(fā)光有效區(qū)域.使用

方法包括以下步驟.

1) 將光伏板清潔度檢測(cè)儀固定在光伏板表面，連接電源，上電.

2) 定標(biāo)：清潔燈光照射區(qū)域，上位機(jī)通過RS485向裝置發(fā)送定標(biāo)指令(該步驟只在初次使用時(shí)執(zhí)行).

3) 測(cè)量：光束照射到光伏板表面，并在光伏板表面發(fā)生反射、吸收和散射；探測(cè)器接收反射光信號(hào)；探測(cè)器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到電信號(hào)；信號(hào)處理模塊對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換，微處理器計(jì)算得到光伏板的清潔度.

4) 上位機(jī)向裝置發(fā)送請(qǐng)求指令，數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳到上位機(jī)(采集器，氣象儀，光伏電站監(jiān)控)，即可查看清潔度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

2.4測(cè)量數(shù)據(jù)分析

采用本文設(shè)計(jì)的基于光反射信號(hào)的光伏板清潔度檢測(cè)儀對(duì)多晶硅太陽能電池板17.5V/10W清潔度進(jìn)行檢測(cè).將清潔度檢測(cè)儀固定于光伏板表面，連接電源和外圍電路.實(shí)驗(yàn)設(shè)5次重復(fù)，記錄一個(gè)月內(nèi)的清潔度變化，結(jié)果如表1.

表1　清潔度測(cè)量結(jié)果

3結(jié)論

研發(fā)了一種基于光反射信號(hào)的光伏板清潔度檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀用藍(lán)光LED以一定角度照射到光伏板表面，并在光伏板表面發(fā)生散射、吸收和反射，隨著光伏板表面落塵增多，散射和吸收增強(qiáng)，反射光強(qiáng)度Ir減弱.采用S7183光電二極管檢測(cè)光源在光伏板表面反射的光信號(hào)，通過定標(biāo)、計(jì)算測(cè)得光伏板的清潔度監(jiān)視光伏板清潔度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).試驗(yàn)證明本檢測(cè)儀具有準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量偏差小，也表明用該裝置及其方法測(cè)量光伏板清潔度具有穩(wěn)定性高、重復(fù)性好的特點(diǎn).

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Design of a photovoltaic panel cleanness detector based on reflection light

ZHOU Xiaoming1，2, ZHU Zhouhong1, CHEN Junsong2,MAO Shiwen2, HUANG Yongzhong2

(1. College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Hangzhou Chitic Vana Optoelectronic Technological Co. Ltd, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Dust accumulated on photovoltaic panels seriously decreases the efficiency of photovoltaic panels. An cleanness detector based on reflection light was designed. The light source was a blue light LED with small light angle. A S7183 photodiode was used to detect the light signal reflected from the surface of the photovoltaic panel. The received data were processed through the C8051F530A-IM microcontroller. According to the calibration model, the cleanliness of the photovoltaic panel could be calculated. In addition, the RS485 serial communication was used to transfer data to the photovoltaic monitoring system which facilitated the management of photovoltaic power plants. The practical application shows that the detector is non-destructive, anti-interference and easy for realize on-line measurement.

Key words:light reflection; photovoltaic panel cleanness; single chip microcomputer; RS485 serial communication

【文章編號(hào)】1004-1540(2016)01-0044-04

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.008

【收稿日期】2015-12-11《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【作者簡(jiǎn)介】周曉明(1992- )，男，浙江省杭州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣庾V檢測(cè).E-mail:18767158091@163.com

【中圖分類號(hào)】TN29

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

通信聯(lián)系人：黃永忠，男，高級(jí)工程師.E-mail:Huangyz@chitic.com