基于云平臺的低功耗智能家用太陽能供電系統

張力塬 何金鐘 周橫 莊杰

摘 要：為了提高家庭供電系統太陽能利用率，盡可能地降低家庭用電功耗，設計了一套新型綠色環保太陽能供電系統。該系統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，利用云平臺管理技術，針對不同的電量情況進行控制從而保障用戶負載的不間斷供電。用戶可以在手機客戶端以及PC端查看系統的工作情況，并對系統做相應的設置與控制。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。

關鍵詞：環保；太陽能；云平臺；低功耗

可信賴的能量供應對任何一個國家的社會經濟的發展都是非常重要的。由于成本的增加和化石燃料對環境的負面影響，可再生能源正逐漸進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。該系統是一種集成各種信息設備技術創新復合應用的智慧供電系統，具備能量采集、智慧控制等多種功能。產品采用模塊化結構設計，客戶可根據不同需求和不同應用場合，選擇不同的功能模塊，為業主提供更好的服務和基礎設施。

1 系統總體設計

基于云平臺的低功耗智能家用太陽能供電系統使用STM32F103作為主控，利用全網通（n）模塊獲取網絡，從而接入物聯網平臺，構建與手機終端以及前端的通信；本系統由電量檢測模塊、光伏發電模塊、檢測控制模塊、物聯網云平臺（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；本系統應用了最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）電路以及室內光能微電源，MPPT電路根據實際情況對工作點實時調整，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、穩壓電路，實現為傳感器節點進行供電，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，將直流電轉化為220 V，50 Hz的交流電[2]；獲取電池電荷狀態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系，所以我們選用檢測蓄電池充放電回路中的負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 硬件設計

硬件結構由微控制器、電量檢測模塊、穩壓模塊、檢測控制模塊、WiFi模塊、MPPT電路、逆變電路和功率因數校正（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一個小負載以得到壓降。當放電時，該壓降為正，當充電時，壓降為負。我們把這一電壓值作為運放MCP6002 中一組運放的其中一路輸入，將經過運算處理得到A/D采樣的輸入值，運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；然后將該電壓與預先設定好的電壓閥值作比較。如果達到標準，則接通固態繼電器，由蓄電池向用戶進行供電。反之，如果達不到標準，則由備用電源向用戶進行供電。本模塊中的固態繼電器采用直流型，當且僅當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，當蓄電池的電量不足，不能保證用戶供電時，備用電源將作為后備電源為負載進行供電。

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]。在本系統中，我們采用開路電壓比例系數法。在不斷變化的光照強度和溫度環境下，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系。

k是與光伏電池特性相關的比例常數，其電路的工作原理是首先對光伏電池的開路電壓進行采樣，然后控制電路使光伏電池的輸出電壓不斷地接近VMPP，以此重復該過程，從而實現MPPT跟蹤[7-9]。此方法設計思路簡單，不需要單片機進行控制，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換為220 V，50 Hz交流電。設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。控制電路上，前級推挽升壓電路采用TL494芯片，用采樣變壓器繞組電壓做閉環反饋；逆變系統采用單片機數字化控制的方式，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；在保護措施上，具有輸入過壓、欠壓保護（見圖4），輸出過載、短路保護和過熱保護等多重保護功能，增強了該電源的可靠性。

2.5 PFC電路

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

本系統中，我們采用美國TI公司的UCC28019的有源功率因數校正芯片，UCC28019采用了平均電流模式對電源的功率因數進行校正，適用于寬范圍的交流輸入，電路的輸出為100～2 000 W的功率因數變換器。同時，UCC28019具有應用簡單、調試簡單、驅動能力強，保護功能強大等優點，是一種非常好用的功率因數校正芯片。

3 軟件設計

蓄電池給用戶負載供電前，需要對其輸出電壓進行檢測。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，蓄電池則無法為用戶負載進行供電，備用電源將為用戶負載供電，并且為用戶發出報警推送。

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

4 手機終端

通過云平臺，實現數據的讀取和推送，具體如圖5所示。

設備通過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，云平臺將收到的數據進行收集、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，云平臺將收到的數據經整理后發送給家庭用電交互終端。

5 結語

基于硬件電路、軟件編程、云平臺應用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的實現方法，解決了室內傳感器網絡供電、蓄電池電量檢測、系統供電不連續等問題，不僅僅降低了系統功耗，而且減輕了公共電網的負擔，適合在農村或者別墅區的單體建筑中進行推廣，具有很高的應用價值。

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