高效太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

韓旭同 王中訓(xùn)

(煙臺大學(xué)光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺 264005)

0 引言

太陽能是一種潔凈無污染的、具有良好發(fā)展前景的可再生能源。它低碳環(huán)保，對環(huán)境無任何污染。與礦物燃料等不可再生的資源相比，它有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型的能源系統(tǒng)，已經(jīng)引起越來越多的國家關(guān)注和研究。

目前，很多學(xué)者專家在提高太陽能電池光能利用效率方面做了很多研究，這些研究主要聚焦于怎樣提高太陽能電池的光能轉(zhuǎn)換效率。研究的技術(shù)和方法有:改變光電轉(zhuǎn)換新物質(zhì)材料、改變太陽能電池制作工藝、利用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)［1-3］。這些技術(shù)都使得太陽能電池的利用率有了一定的提高。但由于太陽能電池陣列電壓輸出特性具有非線性的特點(diǎn)，其非線性受到太陽光照強(qiáng)度和外界溫度的影響。隨著太陽光照強(qiáng)度和外界溫度的不同，太陽能電池產(chǎn)生的電壓會發(fā)生變化，這樣就會使得其輸出功率發(fā)生很大的變化。因此，怎樣使太陽能電池在不同的太陽光照和外界變化的溫度下提高發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和發(fā)電效率就成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，這也就是太陽能電池跟蹤太陽光的問題。

1 系統(tǒng)框圖及硬件模塊電路

系統(tǒng)通過光電傳感器模塊接收太陽光，并把內(nèi)部光敏電阻電壓的變化傳給MSP430F1611模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過控制電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)來調(diào)整電壓。發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站控制總臺，控制總臺接收并顯示數(shù)據(jù)。此外，還可以把數(shù)據(jù)上傳到以太網(wǎng)上，通過以太網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)。

1.1 微控制器的選擇

因?yàn)樘柲芨櫹到y(tǒng)要求低功耗，所以本系統(tǒng)采用TI公司的MSP430單片機(jī)MSP430F1611作為控制模塊。MSP430F1611單片機(jī)的供電電壓為1.8～3.6 V，其電壓要求低且電壓范圍寬，同時該單片機(jī)中斷源比較豐富，并且可以嵌套，使用起來靈活方便。MSP430F1611單片機(jī)內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以在不外加A/D轉(zhuǎn)換芯片的前提下采集模擬數(shù)據(jù)，減少了系統(tǒng)成本，降低了軟件復(fù)雜度。

由于系統(tǒng)采用的工作模式不同，單片機(jī)的功耗有顯著的不同。在系統(tǒng)設(shè)計中總共有1種工作模式和4種低功耗模式，用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇不同的工作模式和低功耗模式，從而使系統(tǒng)在保證正常穩(wěn)定工作的前提下，盡可能地降低功耗。

1.2 光電信號采集方案

系統(tǒng)采光模塊采用兩個光敏電阻分壓，用單片機(jī)的A/D模塊實(shí)時檢測其中心電壓值并判斷此時的太陽能電池板是否正對太陽光，如果偏離太陽光，則通過電機(jī)調(diào)整太陽能電池板的位置。利用A/D檢測光敏電阻中心電壓，可以轉(zhuǎn)換到對太陽的檢測。理論上，當(dāng)太陽光正對太陽能電池板時，兩個光敏電阻中心電壓值為1.25 V。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)中心電壓值為1.24～1.26 V時，電機(jī)保持穩(wěn)定狀態(tài);在此范圍之外，則控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)動控制方案

系統(tǒng)電機(jī)選擇3 V直流電機(jī)，控制芯片選擇L9110。該芯片是為驅(qū)動和控制電機(jī)設(shè)計的專用集成電路器件，一些分立的元件都集成在芯片中，從而使得該芯片的外圍器件減少，系統(tǒng)成本更低，系統(tǒng)性能更穩(wěn)定。L9110支持TTL/CMOS電平的輸入，而且抗干擾能力強(qiáng)。經(jīng)測試，通過控制兩個輸入引腳的高低電平可以直接驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。在本電機(jī)中，驅(qū)動的持續(xù)電流為31 mA，峰值電流更大，而芯片內(nèi)部集成了反相二極管，大大提高了芯片的抗反向電流的能力。因此，采用該芯片控制電機(jī)安全可靠。L9110具體驅(qū)動電路如圖1所示。

圖1 L9110的具體驅(qū)動電路Fig.1 The specific drive circuit of L9110

1.4 無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)通過無線模塊實(shí)現(xiàn)了太陽能跟蹤從機(jī)和基站總站之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)無線模塊采用nRF24L01。nRF24L01是一種新型的2.4 GHz無線收發(fā)模塊，其內(nèi)部集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型Shock Burst技術(shù);功耗低，在發(fā)射功率為-6 dBm時，工作電流只有9 mA，接收時工作電流只有13.2 mA;系統(tǒng)設(shè)計有多種工作模式，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇不同的模式。nRF24L01適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、各種遙控玩具等。

1.5 鋰電池充電模塊

由于系統(tǒng)采用太陽能電池板給鋰電池供電，且系統(tǒng)要求最大限度地利用太陽能［4-5］，因此系統(tǒng)選用專用的太陽能充電管理芯片CN3063。該芯片集成了功率晶體管，在實(shí)際應(yīng)用中不需要額外的電流檢測電阻和肖特基二極管。芯片內(nèi)部集成了1個A/D轉(zhuǎn)換電路，這樣就可以根據(jù)太陽能電池電流輸出有限的特點(diǎn)自動調(diào)節(jié)充電電流，從而最大限度地利用太陽能電池板的輸出電流給鋰電池充電。該芯片需要的外圍器件很少，降低了成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)太陽能電池電壓很小時，該芯片自動轉(zhuǎn)入低功耗模式。經(jīng)測試，其靜態(tài)倒灌電流為5 μA，這就保證了鋰電池的電量穩(wěn)定。此外，該芯片還具有電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)和充電完成狀態(tài)指示等功能。

1.6 TFT彩屏顯示控制

為了使基站總站系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互界面，基站顯示選擇了一款2.4英寸(1英寸=25.4 mm)的彩色TFT顯示屏。該彩屏內(nèi)部帶有4種字號的ASCII碼西文字庫和GBK2312二級(包含一級和二級)漢字庫，通過軟件程序的編寫，可以實(shí)現(xiàn)BMP位圖、點(diǎn)、直線、矩形、圓形等顯示。該液晶模塊接口為串行接口，操作簡單方便，通過軟件編寫鏈表程序，可以實(shí)現(xiàn)該彩屏的菜單控制。

1.7 溫濕度檢測模塊

太陽能跟蹤從機(jī)在跟蹤太陽的同時還能測量當(dāng)前環(huán)境溫度和濕度。在此溫濕度傳感器選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。此傳感器在出廠時已經(jīng)進(jìn)行了精密的校準(zhǔn)，因此精度高;內(nèi)部集成了1個8位的單片機(jī)，輸出為數(shù)字信息。通過軟件驅(qū)動的編寫，利用一根數(shù)據(jù)總線就可以實(shí)現(xiàn)該模塊的驅(qū)動。該溫濕度傳感器使用方便靈活、實(shí)用性強(qiáng)，其組成包括1個干濕元件和1個熱敏電阻。這使得該溫濕度傳感器具有很低的功耗，而且輸出信號傳輸距離遠(yuǎn)。

1.8 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊

本文采用RTL8019AS網(wǎng)卡芯片接入以太網(wǎng)進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問［6-7］。該芯片可以與NE2000相互兼容，這樣就保證了程序的移植性，而且芯片接口簡單。與其通信的單片機(jī)選擇80C51。由于網(wǎng)頁存在于系統(tǒng)內(nèi)部，因此要求芯片有足夠的存儲區(qū)。對此，本文通過數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展了Flash存儲空間，并將80C51作為系統(tǒng)的服務(wù)器，通過移植程序和網(wǎng)頁編寫軟件，把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問的主頁編寫到存儲區(qū)，用戶只需要在網(wǎng)頁地址欄里輸入該服務(wù)器的IP地址，就可以直接訪問該主頁。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)該太陽能發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問，系統(tǒng)的應(yīng)用性得到進(jìn)一步提高。

1.9 紅外數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸。由于紅外發(fā)送部分要求產(chǎn)生38 kHz的載波，因此采用MSP430內(nèi)部定時器A產(chǎn)生PWM波形，其占空比為50%。紅外數(shù)據(jù)傳輸模塊的發(fā)送部分工作原理為:當(dāng)數(shù)據(jù)為0時，三極管S9012-1導(dǎo)通，38 kHz載波經(jīng)S9012-2發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)數(shù)據(jù)為1時，S9012-1不導(dǎo)通，沒有波形被發(fā)送。其接收部分工作原理為:采用專用的紅外解碼探頭HS1008，該探頭內(nèi)置放大電路，可以直接接收紅外信號，通過系統(tǒng)串口可以直接讀取發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送和接收的波特率都設(shè)為2400 kbit/s。經(jīng)過測試，在此波特率下，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率很低，可以有效進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。紅外數(shù)據(jù)收發(fā)部分電路如圖2所示。系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

圖2 紅外數(shù)據(jù)收發(fā)部分電路Fig.2 Circuit of the infrared data transceiving part

圖3 系統(tǒng)整體框圖Fig.3 Block diagram of the system

2 軟件設(shè)計

無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊子程序設(shè)計流程圖及基站控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。在無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊中，MSP430單片機(jī)首先通過SPI方式對無線模塊nRF24L01進(jìn)行初始化;當(dāng)A/D完成相關(guān)數(shù)據(jù)采集后，通過nRF24L01將數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD進(jìn)行顯示。

圖4 無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊及基站控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flowchart of wireless data transmision module and base station control system

上位機(jī)主程序流程圖以及PC機(jī)軟件設(shè)計流程圖如圖5所示［9］。在上位機(jī)主程序流程中，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，將單片機(jī)的地址通過無線模塊發(fā)送出去;上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)在LED上進(jìn)行顯示。相應(yīng)的PC機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)將整個實(shí)時監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機(jī)上進(jìn)行顯示，便于用戶的調(diào)度控制。

圖5 上位機(jī)主程序以及PC機(jī)流程圖Fig.5 Flowchart of the host computer main program and PC

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的高效太陽能充電系統(tǒng)的從機(jī)和基站總站以及紅外抄表都采用MSP430F1611單片機(jī)作為控制器。太陽能跟蹤部分檢測兩個光電傳感器的中心電壓，經(jīng)過軟件濾波得到精確測量值，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而使太陽能電池板能有效地跟蹤太陽;并通過無線模塊nRF24L01與基站總站進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和PC機(jī)的界面顯示。此外，本系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并且實(shí)現(xiàn)斷電續(xù)存的功能。

整個系統(tǒng)具有集成度高、功耗低、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸速度快、誤碼低，以及體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、易于控制和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而性價比高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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