光伏發電中的傳感器節能控制器設計

云彩霞+李麗芬+蔡小慶+劉晨

摘 要： 傳感器儲能性能較弱，導致設計出的光伏發電中的傳感器節能控制器網絡延遲較長、節能效果不理想。因而，設計一種新型光伏發電中的傳感器節能控制器，其對供電電路、無線通信芯片和太陽光傳感器芯片進行重點設計。nRF905無線通信芯片對控制器中各設備、電路、元件之間的數據通信進行監控，保障節能效果、縮短網絡延遲。供電電路為控制器的節能工作供應電能、優化太陽光光強的能量轉化。優化后的太陽光能量，將通過太陽光傳感器中的TSL2678芯片太陽光進行參數提取和分析，輸出太陽能最佳采集方位和該方位的太陽光光強，實現光伏發電的最優節能。控制器軟件設計部分給出了控制器的節能控制流程。分析實驗結果可知，所設計的控制器具有網絡延遲短、節能效果好的特點。

關鍵詞： 光伏發電； 傳感器節能控制器； 數據通信； TSL2678

中圖分類號： TN61?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0183?04

Design of sensor energy?saving controller for photovoltaic power generation

YUN Caixia1， LI Lifen1， CAI Xiaoqing1， LIU Chen2

（1. Yanching Institute of Technology， Langfang 065201， China； 2. Xiamen University， Xiamen 361005， China）

Abstract： Since the sensor energy?saving controller for the photovoltaic power generation has long network latency and unsatisfied energy?saving effect due to the poor energy storage performance of the sensor， a new sensor energy?saving controller for the photovoltaic power generation was designed， and its power supply circuit， wireless communication chip and solar sensor chip were designed emphatically. The wireless communication chip NRF905 is used to monitor the data communication among each device， circuit and component in the controller to ensure the energy?saving effect and shorten the network latency. The power supply circuit supplies the electric energy for the energy?saving work of the controller， and optimizes the energy conversion of solar light. The parameters of the optimized solar light energy are extracted and analyzed through the chip TSL2678 in the solar light sensor， which outputs the optimal acquisition orientation of the solar energy and its intensity to realize the optimal energy saving of the photovoltaic power generation. The energy?saving control flow of the controller is given in Fig. 5 in this paper. The analysis experimental results show that the controller has the characteristics of short network latency and good energy?saving effect.

Keywords： photovoltaic power generation； sensor energy?saving controller； data communication； TSL2678

0 引 言

太陽能是一種可再生的清潔能源。近年來，隨著科技的不斷發展，光伏發電已成為一種非常重要的發電方式。其旨在將太陽輻射到地球的巨大能量為人們所用，以節約地球的不可再生資源、阻止環境繼續惡化[1?3]。傳感器是一種以實現人類同自然界有效互動的設備，對優化人類生產、生活方式具有重要作用。因而，設計出一種光伏發電中的傳感器節能控制器，滿足人類日益增長的生活用電需求[4?6]。

由于傳感器的儲能性能較弱，以前設計出的光伏發電中的傳感器節能控制器網絡延遲較長、節能效果不理想。如文獻[7]設計光伏發電中的雙層儲能傳感器節能控制器，其通過分析光伏發電中傳感器儲能弱點，對傳感器節點的能量存儲器進行雙層設計，有效減少了太陽能流失情況，節能效果良好，但控制器的網絡延遲很長。文獻[8]對光伏發電中的傳感器節能控制器的傳感器節點進行了合理控制，獲取了較短的網絡延遲。設計者還將太陽能收集板和鋰電池直接連接，期望節約設計成本，但卻導致鋰電池的過度損傷。文獻[9]設計基于電容和單片機的光伏發電中的傳感器節能控制器，其將電容設置成控制器的電源進行供電，再利用單片機對電容的充放電流程進行控制。該控制器擁有較好的綜合性能，但節能效果仍需提高。文獻[10]從光伏發電中的傳感器節能控制器自身考慮，對其中耗能較大的設備進行刪減，并對傳感器節點能耗進行了進一步優化。該控制器的節能效果良好，但網絡延遲較長。

通過對上述光伏發電中的傳感器節能控制器優缺點的分析，深入探討光伏發電節能實現方案，設計一種網絡延遲短、節能效果好的光伏發電中的傳感器節能控制器。

1 光伏發電中的傳感器節能控制器設計

所設計的光伏發電中的傳感器節能控制器以調整光伏發電中太陽能采集位置為節能方案，增強光伏發電中太陽能與電能間的能量轉化率，進而實現節能控制。其給出一種具有高水平能量轉化優點的供電電路，提高傳感器的儲能性能，并為控制器合理供電。此外，通過為控制器選擇合理的無線通信芯片和太陽光傳感器芯片，使光伏發電的最優節能得以實現。

1.1 控制器無線通信芯片設計

在所設計的光伏發電中的傳感器節能控制器中，無線通信芯片是連接各設備、電路、元件之間數據通信的中間紐帶。由于無線通信芯片能夠對控制器中所有通信數據進行監控，因此，無線通信芯片的高性能將給控制器帶來非常好的節能效果，并可有效縮短網絡延遲，故要求所選無線通信芯片應具有良好的可靠性和通信效率。

選用挪威NORDIC公司設計的nRF905無線通信芯片作為控制器的無線通信芯片。nRF905無線通信芯片的可靠性很強，并擁有豐富的片上資源，可進行片內解編碼工作，使用起來非常便利，通信效率很高，圖1是nRF905無線通信芯片電路圖。

由圖1可知，nRF905無線通信芯片在發送通信數據時，光伏發電中的傳感器節能控制器將輸入端1和2分別置于高引腳和低引腳中，再經由通信總線將數據保存并統計，再生成通信文件。文件管理對通信文件進行核準后，nRF905無線通信芯片再將通信數據發送出去。

在接收數據過程中，數字控制將對符合nRF905無線通信芯片接收標準的數據進行讀取，此時接口5自動進入高引腳。

選用nRF905無線通信芯片的一項重要原因是：nRF905無線通信芯片能夠在實現控制器內部有效通信的基礎上為通信工作提供節能模式，這對實現設計初衷意義非凡。節能模式可在維持控制器正常通信的前提下，縮減自身電流和數據收發的持續時間。通常，開啟節能模式的nRF905無線通信芯片便能夠滿足光伏發電的通信工作需求，故可默認長期開啟，于特殊情況下進行關閉即可。

1.2 控制器供電電路設計

因為傳感器的儲能性能較弱，所以供電電路的合理設計對光伏發電中的傳感器節能控制器具有重要意義。所設計的供電電路不但能夠為控制器供應工作電能，也能優化太陽光光強的能量轉化。

在光伏發電中，太陽能的強弱會在一定程度上影響到供電電路的電能分配工作，因而，光伏發電中的傳感器節能控制器設計了兩種供電電路。當環境太陽能較強時，太陽能收集板的輸出電流是不存在較大浮動的，此時供電電路應為控制器提供正向偏壓，如圖2所示。當環境太陽能較弱時，則需要增強供電電路對太陽能收集板輸出電流的敏感性，如圖3所示。

由圖2、圖3可知，供電電路中的R代表外接功能電路的總負載，由于該負載值并不確定，故用虛線描述；D是PN結型光電二極管，這種二極管的響應時間非常短，可實現太陽光能量的吸收以及傳感器射頻傳輸等過程。并具有非常強的光電轉化性能，可對太陽光的能量轉化進行合理優化；U是供電電路的輸出端；R0和R1的作用是增強供電電路對太陽能收集板輸出電流的敏感性，這兩個負載的阻值為一大一小，將二者串聯并使其中之一與PN結型光電二極管進行并聯，對供電電路輸出值的影響非常小，可忽略不計。

1.3 太陽光傳感器芯片設計

太陽光傳感器是一種不受地域經緯度限制、可對太陽運行軌跡和輻射光強進行精確感應的特效傳感器。光伏發電中的傳感器節能控制器選擇的太陽光傳感器芯片是TSL2678，該芯片的能耗低、傳感效率高且量程寬，能夠對60 Hz以下的太陽光波動進行自動修正，比較適合應用于光伏發電中。圖4描述的是TSL2678芯片結構圖。

由圖4可知，波動幅值小于60 Hz的太陽光光強可作為鎖定事件輸入到太陽光傳感器的TSL2678芯片中進行參數提取。高于60 Hz 波動幅值的太陽光光強，將先經由供電電路進行能量轉化，優化成鎖定事件后再輸入TSL2678芯片。積分模/數轉換器先將太陽光參數轉換成數字信號形式，再實現太陽光傳感器對太陽光最佳采集位置和該位置太陽光光強的精準輸出。

2 光伏發電中的傳感器節能控制器軟件設計

所提光伏發電中的傳感器節能控制器的節能控制流程，如圖5所示。

由圖5可知，為了增強光伏發電中太陽能與電能間的能量轉化率，進而實現光伏發電中的傳感器節能控制器的節能控制，本文使用nRF905無線通信芯片對整個節能控制流程進行監控。供電電路初始化后，nRF905無線通信芯片幫助搜索通信數據中需要進行能量轉化的太陽光光強，經由供電電路實現能量優化。此后，nRF905無線通信芯片對太陽光傳感器進行喚醒，利用其中的TSL2678芯片計算出太陽光最佳采集位置和該位置的太陽光光強。管理人員將參考該輸出結果，對光伏發電中的傳感器節能控制器進行調整與維護。

3 實驗結果分析

3.1 實驗準備

現對某省級光伏發電站進行仿真實驗，分析本文所設計的控制器是否擁有較短的網絡延遲和較好的節能效果。實驗中與本文控制器進行對比的控制器有：雙層儲能傳感器節能控制器和基于電容和單片機的傳感器節能控制器。實驗對2016年4—6月的實驗光伏發電站各項參數進行仿真，實驗光伏發電站2014年和2015年的同期實際發電量如表1所示。

3.2 控制器網絡延遲分析

在實驗光伏電網中，不同月份的網絡延遲限制標準也不同，本文控制器、雙層儲能傳感器節能控制器和基于電容和單片機的傳感器節能控制器的網絡延遲實驗結果如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知，光伏電網給出的4—6月網絡延遲限制標準均為直線，直線的下方區域表示網絡延遲標準范圍。雙層儲能傳感器節能控制器和基于電容和單片機的傳感器節能控制器的網絡延遲曲線均有超出標準范圍的現象出現，而本文控制器的網絡延遲曲線始終處于網絡延遲限制標準直線的下方，證明本文控制器的網絡延遲較短。

3.3 控制器節能效果分析

表2描述的是在三個控制器的節能控制下，實驗光伏發電站在4—6月的發電量。

對比表1、表2可知，本文控制器產生的發電量最高，每月可平均節約實驗光伏發電站約740.50 kW·h的煤炭發電量，可有效減少燃燒煤炭產生的二氧化碳、二氧化硫等有害氣體的排放，證明本文控制器節能效果較好。

4 結 論

本文設計一種新型光伏發電中的傳感器節能控制器，其以調整光伏發電中太陽能采集位置為節能方案，增強光伏發電中太陽能與電能間的能量轉化率，實現節能控制。所設計的控制器擁有高水平的能量轉化供電電路，可提高傳感器的儲能性能、為控制器合理供電。并通過選擇合理的無線通信芯片和太陽光傳感器芯片，使設計初衷得以實現。本文在某省級光伏發電站進行仿真實驗，驗證了本文控制器擁有較短的網絡延遲和較好的節能效果。

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