可再生能源太陽能發(fā)電可分為太陽能光發(fā)電(又稱光伏)和太陽能熱發(fā)電兩大類,后者由于技術比較復雜,只能用于比較大的容量,應用受到一定限制,所以目前實際應用較少。太陽能光發(fā)電具有取之不盡,用之不竭,無污染等諸多優(yōu)點,已成為人類尋求新能源的熱點。但同時又存在應用間歇性,發(fā)電量與氣候條件有關的缺點。因此,為提高太陽能電池的利用率,實時監(jiān)控發(fā)電量是很有必要的,可以及早發(fā)現(xiàn)太陽能電池工作中出現(xiàn)的異常情況。這里提出了一種太陽能電池發(fā)電量實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)利用AT89S52單片機控制,采用霍爾電流傳感器對太陽能電池的輸出電流測量,其突出優(yōu)點是可以在幾乎不消耗能量情況下,將電流轉換為電壓進行測量。
1 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件電路如圖1所示,主要由太陽能電池組、霍爾電流傳感器組成的,I/U轉換電路、液晶1602組成的顯示裝置、AT89S52單片機構成的控制系統(tǒng),以及鉛酸蓄電池構成的儲能系統(tǒng)5部分組成。其工作過程:太陽能電池接收光照時,產生電流,對蓄電池充電,單片機通過穩(wěn)壓裝置由蓄電池提供驅動電壓,對太陽能電池產生的電量進行實時信號采集。由于單片機只能接收電壓信號,所以在信號接收前由I/U、U/U轉換模塊將信號調至合適的電壓。經內部運算處理,結果送1602液晶顯示裝置顯示電池發(fā)電量。
1.1 A/D轉換模塊
當模擬信號輸入單片機后需要轉換為數字信號,由于需要同時測量太陽能電池輸出電壓和電流,故采用ADC0832是8位串行雙通道A/D轉換器,A/D轉換精度要依賴于有高穩(wěn)定度的基準參考電壓,參考電壓設定為5 V,由TL431產生。模擬信號經過RC濾波送入AD輸入端,然后進行模數轉換后串行輸出。
1.2 I/U轉換模塊
因單片機I/O接口只能接收0~5 V的電壓信號,實時采集太陽能電池輸出電流需要將電流信號轉換為電壓信號,由于本系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的輔助設備,盡可能降低能量消耗是首要問題。由此霍爾電流傳感器成為首選,根據霍爾效應原理進行工作,可在幾乎不消耗能量的情況下將電流信號轉換為電壓信號。本系統(tǒng)采用TBCl0SY型霍爾電流傳感器,額定輸出電壓為(±4±0.5%)V,±15 V雙電源供電,測量電流范圍為O~15 A,基本滿足小型離網光伏系統(tǒng)的應用。
1.3 電源設計
單片機正常運行需要為片內的晶體管或場效應管供給電源,使其工作在相應狀態(tài)。AT89S52需要一個5 V電源(實際工作電壓為3.6~6.0 V)??捎谜?、穩(wěn)壓方式供電,獲得4.5 V左右的電壓,因本系統(tǒng)為獨立發(fā)電,且長期使用,考慮到電源壽命,該裝置由市電或干電池提供驅動電源不符合實際,所以最佳方案應該由系統(tǒng)內部太陽能電池的蓄電池供電,經穩(wěn)壓集成塊7805穩(wěn)壓為5 V,輸入單片機Vcc引腳,驅動單片機及液晶顯示裝置。TBCl0SY霍爾電流傳感器,需±15 V雙電源供電,同樣采用系統(tǒng)內的蓄電池供電.經穩(wěn)壓集成塊7805、7915穩(wěn)壓在±15 V,從而驅動其工作。
1.4 輸出顯示模塊
電量計算公式為Q=UIT,其中時間T可根據需要在軟件編程時自行確定,如每隔3 min采樣一次,經內部運算后送1602液晶顯示發(fā)電量。為了節(jié)約電能,通過設置繼電器,使液晶顯示器顯示10 s后自動熄滅。
2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計主要由單片機完成,主要實現(xiàn)數據采集和控制顯示,整個軟件系統(tǒng)設計采用模塊化思想,其測量和顯示程序流程如圖2所示。
3 系統(tǒng)測試分析
以200 W的小型離網光伏系統(tǒng)為例,額定電壓24 V,最大電流6.18 A,蓄電池200 Ah。設計正常放電時間為2~3 d,0~6.18 A的電流按比例轉換為0~5 V的電壓,由2只電阻構成的衰減器,輸出電壓放大比例由電阻R1和R2的比值決定,設定U/U轉換比例為5/24,則R7=10 kΩ,R6+Rp2=48 kΩ。根據電量計算公式Q=UIT,實驗時間為中午12時至下午2時,從顯示電量開始,每隔3 min記錄一次實際功率和監(jiān)控系統(tǒng)所顯示的數據,各次誤差均小于3%,表l給出初始的10次測量誤差情況,隨電量逐漸增大,誤差變化范圍逐漸縮小。
4 結論
由AT89S52單片機、霍爾電流傳感器以及1602液晶等構成的太陽能電池發(fā)電量的實時監(jiān)控系統(tǒng)結構簡單、成本低廉、免維護、耗電量小并能有效地實時監(jiān)控太陽能電池的發(fā)電量,及早發(fā)現(xiàn)太陽能電池工作中出現(xiàn)的異常情況。該系統(tǒng)設計作為光伏系統(tǒng)的輔助部件適用于小型離網光伏系統(tǒng),同時該系統(tǒng)裝置器件壽命較長,耐用可靠,使其在離網光伏系統(tǒng)中具有廣泛應用。