基于云平臺的低功耗智能家用太陽能供電系統(tǒng)

張力塬 何金鐘 周橫 莊杰

摘 要：為了提高家庭供電系統(tǒng)太陽能利用率，盡可能地降低家庭用電功耗，設(shè)計了一套新型綠色環(huán)保太陽能供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過太陽能光板采集能量、蓄電池儲存能量，集成最大功率電追蹤、逆變升壓、電量檢測等技術(shù)，利用云平臺管理技術(shù)，針對不同的電量情況進(jìn)行控制從而保障用戶負(fù)載的不間斷供電。用戶可以在手機(jī)客戶端以及PC端查看系統(tǒng)的工作情況，并對系統(tǒng)做相應(yīng)的設(shè)置與控制。文章介紹了這種低成本、高可靠性、高效率、智能化的家用太陽能供電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：環(huán)保；太陽能；云平臺；低功耗

可信賴的能量供應(yīng)對任何一個國家的社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都是非常重要的。由于成本的增加和化石燃料對環(huán)境的負(fù)面影響，可再生能源正逐漸進(jìn)入人們的視野并且正在推動著能源市場的變革。相對一些其他的可再生能源，太陽能以其取之不盡、用之不竭以及無污染性正在成為人們的首選。

所以本文提出了基于云平臺的低功耗智能家用太陽能供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種集成各種信息設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新復(fù)合應(yīng)用的智慧供電系統(tǒng)，具備能量采集、智慧控制等多種功能。產(chǎn)品采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，客戶可根據(jù)不同需求和不同應(yīng)用場合，選擇不同的功能模塊，為業(yè)主提供更好的服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于云平臺的低功耗智能家用太陽能供電系統(tǒng)使用STM32F103作為主控，利用全網(wǎng)通（n）模塊獲取網(wǎng)絡(luò)，從而接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，構(gòu)建與手機(jī)終端以及前端的通信；本系統(tǒng)由電量檢測模塊、光伏發(fā)電模塊、檢測控制模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺（阿里云平臺）等主要模塊組成，如圖1所示。

太陽能光板采用單晶硅太陽能電池板收集光能，單塊尺寸為1640 mm×990 mm×40 mm，工作電壓31.8 V，工作電流8.17 A；本系統(tǒng)應(yīng)用了最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）電路以及室內(nèi)光能微電源，MPPT電路根據(jù)實際情況對工作點實時調(diào)整，最大限度地從能量源輸出能量并儲存到電池里面，通過隔離、穩(wěn)壓電路，實現(xiàn)為傳感器節(jié)點進(jìn)行供電，最大限度地利用光能[1]；逆變電路采用推挽升壓和全橋逆變兩極變換，前后級之間完全隔離，將直流電轉(zhuǎn)化為220 V，50 Hz的交流電[2]；獲取電池電荷狀態(tài)是電量檢測中最基本、最重要的，但蓄電池的端電壓與蓄電池的剩余電量之間并沒有直接關(guān)系，所以我們選用檢測蓄電池充放電回路中的負(fù)載的實時壓降來檢測其剩余電量，以便完成備用電源以及太陽能的切換。

2 硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)由微控制器、電量檢測模塊、穩(wěn)壓模塊、檢測控制模塊、WiFi模塊、MPPT電路、逆變電路和功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）電路[3]組成。其中微控制器采用STM32F103。

2.1 電量檢測模塊

如圖2所示，電量檢測模塊由運(yùn)算放大器和充放電回路組成[4]。

因為直接測量蓄電池組兩端的端電壓并不能直接確定蓄電池的剩余電量，所以通過檢測蓄電池組的充放電電流來確定其電量。在蓄電池組充放電回路中串聯(lián)一個小負(fù)載以得到壓降。當(dāng)放電時，該壓降為正，當(dāng)充電時，壓降為負(fù)。我們把這一電壓值作為運(yùn)放MCP6002 中一組運(yùn)放的其中一路輸入，將經(jīng)過運(yùn)算處理得到A/D采樣的輸入值，運(yùn)算放大器的輸出值就是蓄電池的剩余電量。

2.2 檢測控制模塊

檢測控制模塊主要由STM32F103、電量檢測模塊、固態(tài)繼電器組成，電路示意如圖3所示。

工作原理是：電量檢測模塊將剩余電量通過1路A/D通道采集至STM32F103；然后將該電壓與預(yù)先設(shè)定好的電壓閥值作比較。如果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則接通固態(tài)繼電器，由蓄電池向用戶進(jìn)行供電。反之，如果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則由備用電源向用戶進(jìn)行供電。本模塊中的固態(tài)繼電器采用直流型，當(dāng)且僅當(dāng)有足夠的電流通過時，電路才會形成通路[5]。固體繼電器則控制備用電源以及用戶之間的開關(guān)，當(dāng)蓄電池的電量不足，不能保證用戶供電時，備用電源將作為后備電源為負(fù)載進(jìn)行供電。

2.3 MPPT電路

MPPT電路指的是最大限度地從能量源輸出能量[6]。在本系統(tǒng)中，我們采用開路電壓比例系數(shù)法。在不斷變化的光照強(qiáng)度和溫度環(huán)境下，光伏電池的開路電壓和最大功率點時的電壓都存在著近似的線性關(guān)系。

k是與光伏電池特性相關(guān)的比例常數(shù)，其電路的工作原理是首先對光伏電池的開路電壓進(jìn)行采樣，然后控制電路使光伏電池的輸出電壓不斷地接近VMPP，以此重復(fù)該過程，從而實現(xiàn)MPPT跟蹤[7-9]。此方法設(shè)計思路簡單，不需要單片機(jī)進(jìn)行控制，而且耗能比較少。

2.4 逆變電路

因為蓄電池輸出低電壓直流，所以需要逆變電路將太陽能電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為220 V，50 Hz交流電。設(shè)計思路是采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，前后級完全隔離?？刂齐娐飞希凹壨仆焐龎弘娐凡捎肨L494芯片，用采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反饋；逆變系統(tǒng)采用單片機(jī)數(shù)字化控制的方式，采樣直流母線電壓做電壓的前饋控制，采樣電流做反饋控制；在保護(hù)措施上，具有輸入過壓、欠壓保護(hù)（見圖4），輸出過載、短路保護(hù)和過熱保護(hù)等多重保護(hù)功能，增強(qiáng)了該電源的可靠性。

2.5 PFC電路

目前所通用的二極管全橋整流對電網(wǎng)造成了諧波污染，大量的高次諧波摻雜其中，對電網(wǎng)造成了危害以及降低了用電設(shè)備的功率因數(shù)[10]。

本系統(tǒng)中，我們采用美國TI公司的UCC28019的有源功率因數(shù)校正芯片，UCC28019采用了平均電流模式對電源的功率因數(shù)進(jìn)行校正，適用于寬范圍的交流輸入，電路的輸出為100～2 000 W的功率因數(shù)變換器。同時，UCC28019具有應(yīng)用簡單、調(diào)試簡單、驅(qū)動能力強(qiáng)，保護(hù)功能強(qiáng)大等優(yōu)點，是一種非常好用的功率因數(shù)校正芯片。

3 軟件設(shè)計

蓄電池給用戶負(fù)載供電前，需要對其輸出電壓進(jìn)行檢測。電壓檢測電路實時檢測蓄電池輸出的直流電壓，直流電壓值是電量檢測模塊檢測的電壓，如果該電壓不在電壓有效值范圍內(nèi)，蓄電池則無法為用戶負(fù)載進(jìn)行供電，備用電源將為用戶負(fù)載供電，并且為用戶發(fā)出報警推送。

公網(wǎng)的頻率為50 Hz，所以設(shè)置抽樣間隔為5 ms，備用電網(wǎng)10 ms中會出現(xiàn)峰值，5 ms保證了采樣點的有效性以及真實性。

4 手機(jī)終端

通過云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和推送，具體如圖5所示。

設(shè)備通過NB—IOT模塊將采集到的蓄電池的用電情況以及剩余電量等傳送到云平臺，云平臺將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲和分類；云平臺通過對單個家庭用電情況與大量家庭用電情況進(jìn)行比較分析，并對單個家庭提出用電建議，云平臺將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)整理后發(fā)送給家庭用電交互終端。

5 結(jié)語

基于硬件電路、軟件編程、云平臺應(yīng)用3個方面介紹了基于云平臺的低功耗智能家用太陽能供電系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，解決了室內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)供電、蓄電池電量檢測、系統(tǒng)供電不連續(xù)等問題，不僅僅降低了系統(tǒng)功耗，而且減輕了公共電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，適合在農(nóng)村或者別墅區(qū)的單體建筑中進(jìn)行推廣，具有很高的應(yīng)用價值。

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