一种高精度低功耗的太阳能发电量检测系统设计

摘要：发电量检测是太阳能光伏发电系统的重要组成部分。本文设计了一种精度更高，功耗、成本更低的太阳能发电量检测系统。系统以AVR单片机为控制器，避免了数模转换器等引起的能量消耗并最大程度地简化了系统结构。同时引入了霍尔电流传感器，可以几乎无损耗地将电流信号转换为电压信号。实验结果表明：太阳能发电系统正常工作时，太阳能发电量能够实时显示在显示屏上，且误差率不超过5%。

太阳能的利用已经成为化解能源危机的一条途径。因而，国内外的相关科研、技术和产业部门都在积极致力于太阳能相关设备的研究和开发，并取得了相当的成就与发展。如高层建筑的太阳能与建筑的一体化可以满足生活热水、制冷、采暖需求;太阳能电动汽车的设计可以实现节能减排;太阳能在农业上的应用如太阳能施肥-喷药-体机不仅环保，还解决了农村地区交通不便等问题。目前，太阳能源的利用主要分为：太阳能发电和蓄能。太阳能发电是新兴的可再生能源技术，目前已实现产业化作用的主要是太阳能光伏发电和太阳能光热发电。太阳能蓄能除了利用蓄电池存储电能之外，还可以利用太阳能直接加热冷水供给需用热水用户，这是我们都熟知的一项太阳能利用途径，现在楼宇建筑中集中热水供应系统中很多都采用了太阳能热水系统和技术;还可以将太阳能产生的多余电能引水上山，把低处水库的引上高处的水库，将电能转化为水的势能，在需用电能的时候，再将势能通过水利发电机组转化成电能。太阳能发电是最直接的途径，但是由于太阳能电池板的转化效率比较低，目前砷化镓太阳能电池理论上能达到28.8%，而一般太阳能电池转化率仅在20%左右。因而，太阳能发电系统又有新的研究进展。如目前研究利用聚焦的太阳能加热工质水，将水加热为蒸汽，在推动汽轮机时带动发电机发电。

太阳能发电的优点是：1)能源可再生;2)真正低碳清洁能源;3)不受资源分布地域的限制。为此，结合目前情况我们提出了一种适用于小办公区域或别墅使用的小用户太阳能发电及配电系统，其主要目的是根据太阳能发电量实现家用电器按优先级别自主完成设定的工作，然后将电能转换成热能和空气能储备，最大可能的实现太阳能利用，同时实现太阳能发电与市电互相切换，以避免太阳能发电不足时保证区域的正常用电。该小用户太阳能发电及配电系统包括：太阳能电池板、发电量检测、蓄电池组、逆变器和保护电路等等，其中发电量检测是关键部分，它提供整个太阳能发电量的信息，是整个系统可靠工作的基础，因此系统的要求是准确检测、工作可靠。

1 太阳能发电量检测装置

1.1 太阳能发电量检测系统

目前，有人提出基于物联网的太阳能发电量检测系统，此系统分为3部分：传感器数据采集节点、主控节点和远程监测中心。系统不仅能实现对太阳能发电系统参数的实时监测，而且用户和工作人员可以很方便的通过3G或者互联网进行查询，为分析、控制和设计、改善发电系统的性能提供依据。但是，此系统工程造价昂贵，结构也较为复杂，并不适合小用户太阳能发电系统。而现在普遍流行的是一种以AT89S52单片机为控制器的太阳能发电量检测系统，这个装置系统不仅结构简单、成本低廉、免维护、耗电量小而且能够有效的实时监控太阳能电池的发电量，这不失为一个比较优良的检测系统，但是由于单片机只能处理数字信号，所以加入了A/D转换器等模块，而A/D等模块的驱动也需要能源，这在无形中也会造成不必要的能源消耗。结合这些系统方案的优缺点，我们设计一套基于AVR单片机的太阳能发电量检测系统的思路。与前面的发电量检测系统相比，此系统简单方便，工程造价比较低，准确性也比较高，能广泛适用于小用户太阳能发电系统。

1.2 太阳能发电量检测系统的设计

我们设计的系统的主要功能是：以AVR单片机为控制器，对太阳能电池发电量进行数据采集，并实时地显示在液晶显示屏上。一般，独立太阳能发电系统主要由太阳能电池组件、充电控制器(内含MPPT模块)、显示模块，电压衰减模块，电压放大模块，蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。我们的设计构思如图1。总电路包括太阳能电池板，电压衰减电路，电压放大电路，霍尔电流传感器，光合太阳能充电控制器，LCD1602显示器，以及AVR单片机。

1.2.1 系统电源设计

为了便于前期的检测本系统，可以采用双电源：220 V转5V电源和蓄电池经稳压变压电源。1)220 V转5 V电源，通常外接电源电压不稳定需要经过滤波稳压后才能供给单片机，使之能更加可靠地运行。2)蓄电池电源，本系统是长期使用并且独立发电的，而十电池寿命有限，所以长期工作状态中不宜用于电池供电，系统内部的蓄电池供电为最佳选择。在设计中单片机和LCD1602需要+5 V电压，霍尔电流传感器需要±15 V电压。设计中采用7805，7815，7915三端稳压集成电路来分别提供+5 V，+15 V和-15 V电压。

1.2.2 单片机电路

ATmega32单片机是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega32的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以再一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

1.2.3 I/V转换模块和V/V转换模块

单片机只能处理0～5 V的电压信号，所以需要将太阳能电池板或蓄电池所释放的电流信号转换为相应的电压信号。太阳能电池板的输出电压规格是0～20 V，电流为0～5 A，因此必须将电流值转换为相应的电压信号。此电路包括霍尔电流传感器，电阻以及集成运算放大器OP07。霍尔电流传感器是此转换电路的核心，功率计要求在尽可能不影响电池板电能输出的情况下才能检测其功率，所以I/V转换的功耗要尽可能的低，电路中采用的是TBC10SY型霍尔电流传感器，根据霍尔效应原理，在消耗相当少电能的情况下将电流信号转换为电压信号。TBC 10SY双环系列闭环霍尔电流传感器的初、次级之间是绝缘的，具有超强抗干扰能力;用于测量直流、交流和脉动电流。当待测电流从传感器穿过，即可在输出端测得电压大小。I/V转换电路如图2。