高效太陽能發電系統的設計

韓旭同 王中訓

(煙臺大學光電信息科學技術學院，山東 煙臺 264005)

0 引言

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

目前，很多學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換效率。研究的技術和方法有:改變光電轉換新物質材料、改變太陽能電池制作工藝、利用最大功率點跟蹤技術［1-3］。這些技術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，其非線性受到太陽光照強度和外界溫度的影響。隨著太陽光照強度和外界溫度的不同，太陽能電池產生的電壓會發生變化，這樣就會使得其輸出功率發生很大的變化。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電系統的輸出功率和發電效率就成為系統設計的關鍵，這也就是太陽能電池跟蹤太陽光的問題。

1 系統框圖及硬件模塊電路

系統通過光電傳感器模塊接收太陽光，并把內部光敏電阻電壓的變化傳給MSP430F1611模數轉換模塊，通過控制電機的正/反轉來調整電壓。發射模塊將數據發送給基站控制總臺，控制總臺接收并顯示數據。此外，還可以把數據上傳到以太網上，通過以太網訪問數據。

1.1 微控制器的選擇

因為太陽能跟蹤系統要求低功耗，所以本系統采用TI公司的MSP430單片機MSP430F1611作為控制模塊。MSP430F1611單片機的供電電壓為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單片機內置12位A/D轉換模塊，可以在不外加A/D轉換芯片的前提下采集模擬數據，減少了系統成本，降低了軟件復雜度。

由于系統采用的工作模式不同，單片機的功耗有顯著的不同。在系統設計中總共有1種工作模式和4種低功耗模式，用戶可根據實際應用選擇不同的工作模式和低功耗模式，從而使系統在保證正常穩定工作的前提下，盡可能地降低功耗。

1.2 光電信號采集方案

系統采光模塊采用兩個光敏電阻分壓，用單片機的A/D模塊實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，則通過電機調整太陽能電池板的位置。利用A/D檢測光敏電阻中心電壓，可以轉換到對太陽的檢測。理論上，當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。實際應用中，當中心電壓值為1.24～1.26 V時，電機保持穩定狀態;在此范圍之外，則控制電機正轉或反轉。

1.3 電機轉動控制方案

系統電機選擇3 V直流電機，控制芯片選擇L9110。該芯片是為驅動和控制電機設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，系統成本更低，系統性能更穩定。L9110支持TTL/CMOS電平的輸入，而且抗干擾能力強。經測試，通過控制兩個輸入引腳的高低電平可以直接驅動電機轉動。在本電機中，驅動的持續電流為31 mA，峰值電流更大，而芯片內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安全可靠。L9110具體驅動電路如圖1所示。

圖1 L9110的具體驅動電路Fig.1 The specific drive circuit of L9110

1.4 無線收發模塊

系統通過無線模塊實現了太陽能跟蹤從機和基站總站之間的數據交換。系統無線模塊采用nRF24L01。nRF24L01是一種新型的2.4 GHz無線收發模塊，其內部集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型Shock Burst技術;功耗低，在發射功率為-6 dBm時，工作電流只有9 mA，接收時工作電流只有13.2 mA;系統設計有多種工作模式，可以根據不同的應用場合選擇不同的模式。nRF24L01適用于多種無線通信的場合，如無線數據傳輸系統、各種遙控玩具等。

1.5 鋰電池充電模塊

由于系統采用太陽能電池板給鋰電池供電，且系統要求最大限度地利用太陽能［4-5］，因此系統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，在實際應用中不需要額外的電流檢測電阻和肖特基二極管。芯片內部集成了1個A/D轉換電路，這樣就可以根據太陽能電池電流輸出有限的特點自動調節充電電流，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，提高了系統的穩定性。當太陽能電池電壓很小時，該芯片自動轉入低功耗模式。經測試，其靜態倒灌電流為5 μA，這就保證了鋰電池的電量穩定。此外，該芯片還具有電池溫度監控以及充電狀態和充電完成狀態指示等功能。

1.6 TFT彩屏顯示控制

為了使基站總站系統有良好的人機交互界面，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，可以實現BMP位圖、點、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，可以實現該彩屏的菜單控制。

1.7 溫濕度檢測模塊

太陽能跟蹤從機在跟蹤太陽的同時還能測量當前環境溫度和濕度。在此溫濕度傳感器選用DHT11數字溫濕度傳感器。此傳感器在出廠時已經進行了精密的校準，因此精度高;內部集成了1個8位的單片機，輸出為數字信息。通過軟件驅動的編寫，利用一根數據總線就可以實現該模塊的驅動。該溫濕度傳感器使用方便靈活、實用性強，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。

1.8 以太網數據傳輸模塊

本文采用RTL8019AS網卡芯片接入以太網進行以太網數據訪問［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。與其通信的單片機選擇80C51。由于網頁存在于系統內部，因此要求芯片有足夠的存儲區。對此，本文通過數據總線擴展了Flash存儲空間，并將80C51作為系統的服務器，通過移植程序和網頁編寫軟件，把以太網數據訪問的主頁編寫到存儲區，用戶只需要在網頁地址欄里輸入該服務器的IP地址，就可以直接訪問該主頁。系統通過以太網實現該太陽能發電系統監控數據的遠程訪問，系統的應用性得到進一步提高。

1.9 紅外數據傳輸模塊

系統可以實現紅外數據傳輸。由于紅外發送部分要求產生38 kHz的載波，因此采用MSP430內部定時器A產生PWM波形，其占空比為50%。紅外數據傳輸模塊的發送部分工作原理為:當數據為0時，三極管S9012-1導通，38 kHz載波經S9012-2發送數據;當數據為1時，S9012-1不導通，沒有波形被發送。其接收部分工作原理為:采用專用的紅外解碼探頭HS1008，該探頭內置放大電路，可以直接接收紅外信號，通過系統串口可以直接讀取發送的數據，發送和接收的波特率都設為2400 kbit/s。經過測試，在此波特率下，數據傳輸誤碼率很低，可以有效進行數據的傳輸。紅外數據收發部分電路如圖2所示。系統整體框圖如圖3所示。

圖2 紅外數據收發部分電路Fig.2 Circuit of the infrared data transceiving part

圖3 系統整體框圖Fig.3 Block diagram of the system

2 軟件設計

無線數據發送模塊子程序設計流程圖及基站控制系統流程圖如圖4所示。在無線數據發送模塊中，MSP430單片機首先通過SPI方式對無線模塊nRF24L01進行初始化;當A/D完成相關數據采集后，通過nRF24L01將數據發送至LCD進行顯示。

圖4 無線數據發送模塊及基站控制系統流程圖Fig.4 Flowchart of wireless data transmision module and base station control system

上位機主程序流程圖以及PC機軟件設計流程圖如圖5所示［9］。在上位機主程序流程中，系統先進行初始化，將單片機的地址通過無線模塊發送出去;上位機接收數據并將數據在LED上進行顯示。相應的PC機程序控制實現將整個實時監控的數據通過串口發送到計算機上進行顯示，便于用戶的調度控制。

圖5 上位機主程序以及PC機流程圖Fig.5 Flowchart of the host computer main program and PC

3 結束語

本文設計的高效太陽能充電系統的從機和基站總站以及紅外抄表都采用MSP430F1611單片機作為控制器。太陽能跟蹤部分檢測兩個光電傳感器的中心電壓，經過軟件濾波得到精確測量值，以控制電機轉動，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與基站總站進行通信，實現了系統數據采集、無線傳輸和PC機的界面顯示。此外，本系統對采集的數據進行存儲并且實現斷電續存的功能。

整個系統具有集成度高、功耗低、數據采集和無線傳輸速度快、誤碼低，以及體積小、質量輕、可靠性高、易于控制和使用靈活等優點，因而性價比高，具有廣泛的應用前景。

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