摘要：發(fā)電量檢測(cè)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。本文設(shè)計(jì)了一種精度更高，功耗、成本更低的太陽(yáng)能發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制器，避免了數(shù)模轉(zhuǎn)換器等引起的能量消耗并最大程度地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)引入了霍爾電流傳感器，可以幾乎無(wú)損耗地將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電量能夠?qū)崟r(shí)顯示在顯示屏上，且誤差率不超過(guò)5%。

太陽(yáng)能的利用已經(jīng)成為化解能源危機(jī)的一條途徑。因而，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)科研、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)部門都在積極致力于太陽(yáng)能相關(guān)設(shè)備的研究和開(kāi)發(fā)，并取得了相當(dāng)?shù)某删团c發(fā)展。如高層建筑的太陽(yáng)能與建筑的一體化可以滿足生活熱水、制冷、采暖需求;太陽(yáng)能電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排;太陽(yáng)能在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用如太陽(yáng)能施肥-噴藥-體機(jī)不僅環(huán)保，還解決了農(nóng)村地區(qū)交通不便等問(wèn)題。目前，太陽(yáng)能源的利用主要分為：太陽(yáng)能發(fā)電和蓄能。太陽(yáng)能發(fā)電是新興的可再生能源技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化作用的主要是太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能光熱發(fā)電。太陽(yáng)能蓄能除了利用蓄電池存儲(chǔ)電能之外，還可以利用太陽(yáng)能直接加熱冷水供給需用熱水用戶，這是我們都熟知的一項(xiàng)太陽(yáng)能利用途徑，現(xiàn)在樓宇建筑中集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)中很多都采用了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和技術(shù);還可以將太陽(yáng)能產(chǎn)生的多余電能引水上山，把低處水庫(kù)的引上高處的水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能，在需用電能的時(shí)候，再將勢(shì)能通過(guò)水利發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化成電能。太陽(yáng)能發(fā)電是最直接的途徑，但是由于太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)化效率比較低，目前砷化鎵太陽(yáng)能電池理論上能達(dá)到28.8%，而一般太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率僅在20%左右。因而，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)又有新的研究進(jìn)展。如目前研究利用聚焦的太陽(yáng)能加熱工質(zhì)水，將水加熱為蒸汽，在推動(dòng)汽輪機(jī)時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是：1)能源可再生;2)真正低碳清潔能源;3)不受資源分布地域的限制。為此，結(jié)合目前情況我們提出了一種適用于小辦公區(qū)域或別墅使用的小用戶太陽(yáng)能發(fā)電及配電系統(tǒng)，其主要目的是根據(jù)太陽(yáng)能發(fā)電量實(shí)現(xiàn)家用電器按優(yōu)先級(jí)別自主完成設(shè)定的工作，然后將電能轉(zhuǎn)換成熱能和空氣能儲(chǔ)備，最大可能的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電與市電互相切換，以避免太陽(yáng)能發(fā)電不足時(shí)保證區(qū)域的正常用電。該小用戶太陽(yáng)能發(fā)電及配電系統(tǒng)包括：太陽(yáng)能電池板、發(fā)電量檢測(cè)、蓄電池組、逆變器和保護(hù)電路等等，其中發(fā)電量檢測(cè)是關(guān)鍵部分，它提供整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電量的信息，是整個(gè)系統(tǒng)可靠工作的基礎(chǔ)，因此系統(tǒng)的要求是準(zhǔn)確檢測(cè)、工作可靠。

1 太陽(yáng)能發(fā)電量檢測(cè)裝置

1.1 太陽(yáng)能發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)

目前，有人提出基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)分為3部分：傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且用戶和工作人員可以很方便的通過(guò)3G或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行查詢，為分析、控制和設(shè)計(jì)、改善發(fā)電系統(tǒng)的性能提供依據(jù)。但是，此系統(tǒng)工程造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，并不適合小用戶太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。而現(xiàn)在普遍流行的是一種以AT89S52單片機(jī)為控制器的太陽(yáng)能發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)，這個(gè)裝置系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、免維護(hù)、耗電量小而且能夠有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控太陽(yáng)能電池的發(fā)電量，這不失為一個(gè)比較優(yōu)良的檢測(cè)系統(tǒng)，但是由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以加入了A/D轉(zhuǎn)換器等模塊，而A/D等模塊的驅(qū)動(dòng)也需要能源，這在無(wú)形中也會(huì)造成不必要的能源消耗。結(jié)合這些系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)一套基于AVR單片機(jī)的太陽(yáng)能發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)的思路。與前面的發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便，工程造價(jià)比較低，準(zhǔn)確性也比較高，能廣泛適用于小用戶太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 太陽(yáng)能發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主要功能是：以AVR單片機(jī)為控制器，對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)地顯示在液晶顯示屏上。一般，獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、充電控制器(內(nèi)含MPPT模塊)、顯示模塊，電壓衰減模塊，電壓放大模塊，蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。我們的設(shè)計(jì)構(gòu)思如圖1?？傠娐钒ㄌ?yáng)能電池板，電壓衰減電路，電壓放大電路，霍爾電流傳感器，光合太陽(yáng)能充電控制器，LCD1602顯示器，以及AVR單片機(jī)。

1.2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

為了便于前期的檢測(cè)本系統(tǒng)，可以采用雙電源：220 V轉(zhuǎn)5V電源和蓄電池經(jīng)穩(wěn)壓變壓電源。1)220 V轉(zhuǎn)5 V電源，通常外接電源電壓不穩(wěn)定需要經(jīng)過(guò)濾波穩(wěn)壓后才能供給單片機(jī)，使之能更加可靠地運(yùn)行。2)蓄電池電源，本系統(tǒng)是長(zhǎng)期使用并且獨(dú)立發(fā)電的，而十電池壽命有限，所以長(zhǎng)期工作狀態(tài)中不宜用于電池供電，系統(tǒng)內(nèi)部的蓄電池供電為最佳選擇。在設(shè)計(jì)中單片機(jī)和LCD1602需要+5 V電壓，霍爾電流傳感器需要±15 V電壓。設(shè)計(jì)中采用7805，7815，7915三端穩(wěn)壓集成電路來(lái)分別提供+5 V，+15 V和-15 V電壓。

1.2.2 單片機(jī)電路

ATmega32單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以再一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。

1.2.3 I/V轉(zhuǎn)換模塊和V/V轉(zhuǎn)換模塊

單片機(jī)只能處理0～5 V的電壓信號(hào)，所以需要將太陽(yáng)能電池板或蓄電池所釋放的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。太陽(yáng)能電池板的輸出電壓規(guī)格是0～20 V，電流為0～5 A，因此必須將電流值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。此電路包括霍爾電流傳感器，電阻以及集成運(yùn)算放大器OP07?；魻栯娏鱾鞲衅魇谴宿D(zhuǎn)換電路的核心，功率計(jì)要求在盡可能不影響電池板電能輸出的情況下才能檢測(cè)其功率，所以I/V轉(zhuǎn)換的功耗要盡可能的低，電路中采用的是TBC10SY型霍爾電流傳感器，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，在消耗相當(dāng)少電能的情況下將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。TBC 10SY雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器的初、次級(jí)之間是絕緣的，具有超強(qiáng)抗干擾能力;用于測(cè)量直流、交流和脈動(dòng)電流。當(dāng)待測(cè)電流從傳感器穿過(guò)，即可在輸出端測(cè)得電壓大小。I/V轉(zhuǎn)換電路如圖2。