金 磊，吳紅梅，謝華北，張正超

（西藏農(nóng)牧學(xué)院 西藏土木水利電力工程技術(shù)研究中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 林芝 860000）

近幾年，全世界的分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越快，其中太陽能發(fā)電成為清潔能源發(fā)電的一個(gè)熱門；由于太陽能發(fā)電不僅環(huán)保，而且屬于可再生能源，能有效緩解能源危機(jī)問題，同時(shí)安裝不受地理位置限制，規(guī)模大小可隨意調(diào)整，像西藏、新疆等地有著天然的地理位置對(duì)光伏發(fā)電提供很好的建立條件，可以建立很多示范工程，太陽能發(fā)電給人們的生活帶來各種各樣的便捷，有很好的經(jīng)濟(jì)效益，既可以獨(dú)立地對(duì)某一地區(qū)的人們進(jìn)行生活供電，也可以并入電網(wǎng)把多余電能提供給大電網(wǎng)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，提高電能質(zhì)量；新能源的利用，有效減少碳排放量，減小溫室效應(yīng),為各個(gè)國家?guī)黹L足的發(fā)展[1]。尤其是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)大大減少我國火力發(fā)電對(duì)煤炭的使用，進(jìn)而使得環(huán)境能得到有效改善，減少對(duì)環(huán)境的污染。此外，隨著各國對(duì)不可再生能源的需求量變得越來越大，人類必須要開發(fā)一些如太陽能和風(fēng)能等新能源，我國要加大力度研究新能源發(fā)電技術(shù)，其中光伏發(fā)電有很大的應(yīng)用前景，很多專家指出太陽能發(fā)電技術(shù)成為現(xiàn)今社會(huì)極其重要的新能源發(fā)電技術(shù)[2]。研究人員要把握住機(jī)遇大力發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。

我國光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展十分迅速，要加大力度對(duì)光伏電池板進(jìn)行研究和對(duì)電池板發(fā)電效率的關(guān)注，特別是發(fā)電參數(shù)檢測研究方面[3]。光伏發(fā)電是太陽能利用的主要形式之一，光伏電池板的生產(chǎn)是光伏產(chǎn)業(yè)的重要一環(huán)，所以需要對(duì)光伏電池板的維護(hù)[4]。由于我國微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展需求，一個(gè)完整的分布式發(fā)電系統(tǒng)，尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)需要微電網(wǎng)技術(shù)保證光伏系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，輸出合格的電能，微電網(wǎng)技術(shù)中的監(jiān)測技術(shù)是整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)的重要一環(huán)，監(jiān)測技術(shù)能及時(shí)地把分布式電源的信息如輸出電壓、電流等信息上傳到網(wǎng)絡(luò)，使得工作人員及時(shí)得到反饋的信息對(duì)電源進(jìn)行維護(hù)修理，微電網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)同時(shí)涉及通信技術(shù)和光伏檢測技術(shù)，本文著重研究監(jiān)測技術(shù)中針對(duì)太陽能電池板發(fā)電輸出的電壓電流信號(hào)的檢測。同時(shí)微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)尤其是光伏作為分布式電源，其存在各種各樣的問題，發(fā)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，輸出電能效率不高，也更加無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，出現(xiàn)問題無法及時(shí)修理，因此必須發(fā)展檢測技術(shù)應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的這些缺點(diǎn)[5-6]。

1 單片機(jī)

隨著科技的發(fā)展，人們的生活越來越趨向于智能化，工業(yè)生產(chǎn)能力也更加依賴于智能化，其中人工智能領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、電器生產(chǎn)方面和電力工業(yè)等都非常需要應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)。而單片機(jī)技術(shù)就是應(yīng)用非常廣泛的自動(dòng)控制技術(shù)之一，單片機(jī)如圖1所示。

圖1 單片機(jī)

日常生活中，智能屏幕的人臉識(shí)別功能中含有單片機(jī)技術(shù)，土壤的溫濕度檢測、光伏的自動(dòng)追光裝置和光伏輸出電壓的檢測中都應(yīng)用了單片機(jī)，其可以連接各種各樣的硬件，使得各個(gè)功能能夠很好地配合運(yùn)行。單片機(jī)內(nèi)部可編程，涉及到利用語言實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，例如光伏物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)，通過編程語言實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的計(jì)算與處理，然后通過通信技術(shù)將所檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程電腦當(dāng)中實(shí)現(xiàn)人工遠(yuǎn)程操作即人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)；語音識(shí)別煙霧分別是通過語音傳輸和煙霧傳感器（圖2）傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，利用所編程語言對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，最終會(huì)得到機(jī)器人的語音識(shí)別顯示文字和煙霧識(shí)別警示如圖3所示。以往的計(jì)算機(jī)過于龐大導(dǎo)致應(yīng)用成本大，并且設(shè)計(jì)不方便，而單片機(jī)作為單片微型計(jì)算機(jī)，具有設(shè)計(jì)硬件電路方便、消耗電能小、反應(yīng)迅速等許多優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)是一個(gè)芯片的集成，其芯片內(nèi)部集成了CPU、ROM和A/D轉(zhuǎn)換等應(yīng)用模塊，而STC12C5A60S2是一種穩(wěn)定的單片機(jī)種類，價(jià)格便宜且能對(duì)數(shù)據(jù)很好地分析處理，較好地接受電流電壓信號(hào)并對(duì)信號(hào)處理輸出準(zhǔn)確的信號(hào)值[7]。

圖2 煙霧傳感器

圖3 單片機(jī)的煙霧警報(bào)應(yīng)用

該設(shè)計(jì)所使用的STC12C5A60S2系列單片機(jī)是由STC公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，速度比普通的8051快6～12倍，具有低功耗，性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，程序存儲(chǔ)空間大等優(yōu)點(diǎn)[8]。這使得整個(gè)光伏檢測系統(tǒng)的性能有很大提升，得出的數(shù)據(jù)會(huì)變得更為準(zhǔn)確。

2 顯示模塊

USART-HMI顯示模塊可自行發(fā)光，即使逆光也不受影響，屏幕文字和數(shù)字信號(hào)顯示清晰，亮度適宜，處理信號(hào)及接受信號(hào)能力強(qiáng)，能清晰地顯示電壓和電流文字及其數(shù)值，散熱能力強(qiáng)，攜帶方便，有較好的應(yīng)用效果[9]。同時(shí)此屏幕的接受信號(hào)能力很強(qiáng)，存儲(chǔ)空間大，反應(yīng)靈敏迅速，本設(shè)計(jì)主要顯示的是光伏板輸出電壓電流信號(hào)和蓄電池輸出電壓電流信號(hào)，W代表功率單位，A代表電流單位，U代表電壓單位，在屏幕上一目了然。

在USART-HMI上可以觀察到電壓電流數(shù)據(jù)會(huì)不斷地實(shí)時(shí)更新，方便使用者能夠清晰觀察到光伏電路輸出的電流數(shù)據(jù)變化[10]，如圖4所示。

圖4 顯示模塊

3 軟件開發(fā)

軟件開發(fā)采用Keil軟件C語言編寫程序代碼，使用Keil軟件完成源程序代碼的調(diào)試及編譯，主要含主程序、電壓電流檢測子程序及顯示子程序等，首先對(duì)各個(gè)端口和顯示屏進(jìn)行初始化，從光伏電池板輸出的電壓電流信號(hào)和蓄電池輸出端的電壓電流信號(hào)通過單片機(jī)的輸入接口進(jìn)入內(nèi)部所設(shè)置的軟件程序，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并且計(jì)算出輸出的電流電壓值，通過輸出接口在顯示屏中就可以很方便地觀察所需數(shù)據(jù)[11-13]。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

部分程序如下：

4 檢測電路設(shè)計(jì)

太陽能發(fā)電量和發(fā)電效率很大程度取決于光照強(qiáng)度，但是光照強(qiáng)度由于陰雨天氣、溫度等因素的影響，光伏電池板的輸出電能質(zhì)量會(huì)受到一定程度的影響。當(dāng)需要對(duì)光伏電池板輸出電能質(zhì)量進(jìn)行查驗(yàn)，減少攜帶檢測裝置的麻煩，能更加方便檢測發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)一套檢測系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。本系統(tǒng)應(yīng)用包括硬件和軟件2部分[14]。通過使用100 W的光伏電池板作為被檢測電源，蓄電池容量20 Ah為硬件電路提供電能，測試負(fù)載使用電機(jī)來進(jìn)行測試。檢測系統(tǒng)運(yùn)行原理如下。

首先利用光伏電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能為整個(gè)系統(tǒng)供電，鉛酸蓄電池作為整個(gè)光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能器件給其他檢測模塊供電，負(fù)載使用有刷電機(jī)消耗電能形成完整回路。

其次使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制電路的核心，對(duì)所接受的信號(hào)進(jìn)行處理，還配備開關(guān)按鍵復(fù)位電路。其中電壓采集信號(hào)通過霍爾電流傳感器，然后流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳輸進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理把模擬信號(hào)準(zhǔn)換成數(shù)字信號(hào)。

最終通過輸出端接口將光伏電池板檢測出的電壓和電流信號(hào)輸入顯示屏當(dāng)中，可以觀測到顯示屏中光伏輸出電壓13.5 V，電池電壓13.4 V。光伏檢測系設(shè)計(jì)流程如圖6所示，硬件實(shí)物如圖7所示。

圖6 光伏檢測設(shè)計(jì)

圖7 硬件實(shí)物設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制芯片，同時(shí)在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊用以檢測電流電壓信號(hào)，比較以往在單片機(jī)外部所用的A/D模塊更為方便，反應(yīng)更加靈敏迅速，優(yōu)化了硬件電路設(shè)計(jì)。選擇Keil軟件進(jìn)行編程含有電壓電流檢測程序和顯示程序，顯示程序最終把所檢測的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并輸送到顯示屏中。最終設(shè)計(jì)并搭建出硬件設(shè)施對(duì)光伏電池的電壓電流進(jìn)行檢測，具有一定的實(shí)用價(jià)值。與此同時(shí)，通過把光伏檢測技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，把通信技術(shù)與硬件單片機(jī)技術(shù)結(jié)合，并應(yīng)用在電能質(zhì)量檢測上，可方便人員及時(shí)觀測，如若發(fā)現(xiàn)問題可以迅速讓有關(guān)人員維修，能大大提高用電的可靠性，這是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。所以光伏檢測技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)為未來的能源與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有很大發(fā)展?jié)摿εc價(jià)值。