工程师基于太阳能电池发电量实时监控系统问题分析

可再生能源太阳能发电可分为太阳能光发电(又称光伏)和太阳能热发电两大类，后者由于技术比较复杂，只能用于比较大的容量，应用受到一定限制，所以目前实际应用较少。太阳能光发电具有取之不尽，用之不竭，无污染等诸多优点，已成为人类寻求新能源的热点。但同时又存在应用间歇性，发电量与气候条件有关的缺点。因此，为提高太阳能电池的利用率，实时监控发电量是很有必要的，可以及早发现太阳能电池工作中出现的异常情况。这里提出了一种太阳能电池发电量实时监控系统的设计方案。系统利用AT89S52单片机控制，采用霍尔电流传感器对太阳能电池的输出电流测量，其突出优点是可以在几乎不消耗能量情况下，将电流转换为电压进行测量。

1 系统硬件设计

系统硬件电路如图1所示，主要由太阳能电池组、霍尔电流传感器组成的，I/U转换电路、液晶1602组成的显示装置、AT89S52单片机构成的控制系统，以及铅酸蓄电池构成的储能系统5部分组成。其工作过程：太阳能电池接收光照时，产生电流，对蓄电池充电，单片机通过稳压装置由蓄电池提供驱动电压，对太阳能电池产生的电量进行实时信号采集。由于单片机只能接收电压信号，所以在信号接收前由I/U、U/U转换模块将信号调至合适的电压。经内部运算处理，结果送1602液晶显示装置显示电池发电量。

1.1 A/D转换模块

当模拟信号输入单片机后需要转换为数字信号，由于需要同时测量太阳能电池输出电压和电流，故采用ADC0832是8位串行双通道A/D转换器，A/D转换精度要依赖于有高稳定度的基准参考电压，参考电压设定为5 V，由TL431产生。模拟信号经过RC滤波送入AD输入端，然后进行模数转换后串行输出。

1.2 I/U转换模块

因单片机I/O接口只能接收0～5 V的电压信号，实时采集太阳能电池输出电流需要将电流信号转换为电压信号，由于本系统是光伏发电系统的辅助设备，尽可能降低能量消耗是首要问题。由此霍尔电流传感器成为首选，根据霍尔效应原理进行工作，可在几乎不消耗能量的情况下将电流信号转换为电压信号。本系统采用TBCl0SY型霍尔电流传感器，额定输出电压为(±4±0.5%)V，±15 V双电源供电，测量电流范围为O～15 A，基本满足小型离网光伏系统的应用。

1.3 电源设计

单片机正常运行需要为片内的晶体管或场效应管供给电源，使其工作在相应状态。AT89S52需要一个5 V电源(实际工作电压为3.6～6.0 V)。可用整流、稳压方式供电，获得4.5 V左右的电压，因本系统为独立发电，且长期使用，考虑到电源寿命，该装置由市电或干电池提供驱动电源不符合实际，所以最佳方案应该由系统内部太阳能电池的蓄电池供电，经稳压集成块7805稳压为5 V，输入单片机Vcc引脚，驱动单片机及液晶显示装置。TBCl0SY霍尔电流传感器，需±15 V双电源供电，同样采用系统内的蓄电池供电.经稳压集成块7805、7915稳压在±15 V，从而驱动其工作。1.4 输出显示模块

电量计算公式为Q=UIT，其中时间T可根据需要在软件编程时自行确定，如每隔3 min采样一次，经内部运算后送1602液晶显示发电量。为了节约电能，通过设置继电器，使液晶显示器显示10 s后自动熄灭。

2 系统软件设计

系统软件设计主要由单片机完成，主要实现数据采集和控制显示，整个软件系统设计采用模块化思想，其测量和显示程序流程如图2所示。

3 系统测试分析

以200W的小型离网光伏系统为例，额定电压24 V，最大电流6.18 A，蓄电池200 Ah。设计正常放电时间为2～3 d，0～6.18 A的电流按比例转换为0～5 V的电压，由2只电阻构成的衰减器，输出电压放大比例由电阻R1和R2的比值决定，设定U/U转换比例为5/24，则R7=10 kΩ，R6+Rp2=48 kΩ。根据电量计算公式Q=UIT，实验时间为中午12时至下午2时，从显示电量开始，每隔3 min记录一次实际功率和监控系统所显示的数据，各次误差均小于3%，表l给出初始的10次测量误差情况，随电量逐渐增大，误差变化范围逐渐缩小。

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4 结论

由AT89S52单片机、霍尔电流传感器以及1602液晶等构成的太阳能电池发电量的实时监控系统结构简单、成本低廉、免维护、耗电量小并能有效地实时监控太阳能电池的发电量，及早发现太阳能电池工作中出现的异常情况。该系统设计作为光伏系统的辅助部件适用于小型离网光伏系统，同时该系统装置器件寿命较长，耐用可靠，使其在离网光伏系统中具有广泛应用。