高效太阳能发电系统的设计

韩旭同 王中训

(烟台大学光电信息科学技术学院，山东 烟台 264005)

0 引言

太阳能是一种洁净无污染的、具有良好发展前景的可再生能源。它低碳环保，对环境无任何污染。与矿物燃料等不可再生的资源相比，它有着无可比拟的优点。太阳能发电系统作为一种新型的能源系统，已经引起越来越多的国家关注和研究。

目前，很多学者专家在提高太阳能电池光能利用效率方面做了很多研究，这些研究主要聚焦于怎样提高太阳能电池的光能转换效率。研究的技术和方法有:改变光电转换新物质材料、改变太阳能电池制作工艺、利用最大功率点跟踪技术［1-3］。这些技术都使得太阳能电池的利用率有了一定的提高。但由于太阳能电池阵列电压输出特性具有非线性的特点，其非线性受到太阳光照强度和外界温度的影响。随着太阳光照强度和外界温度的不同，太阳能电池产生的电压会发生变化，这样就会使得其输出功率发生很大的变化。因此，怎样使太阳能电池在不同的太阳光照和外界变化的温度下提高发电系统的输出功率和发电效率就成为系统设计的关键，这也就是太阳能电池跟踪太阳光的问题。

1 系统框图及硬件模块电路

系统通过光电传感器模块接收太阳光，并把内部光敏电阻电压的变化传给MSP430F1611模数转换模块，通过控制电机的正/反转来调整电压。发射模块将数据发送给基站控制总台，控制总台接收并显示数据。此外，还可以把数据上传到以太网上，通过以太网访问数据。

1.1 微控制器的选择

因为太阳能跟踪系统要求低功耗，所以本系统采用TI公司的MSP430单片机MSP430F1611作为控制模块。MSP430F1611单片机的供电电压为1.8～3.6 V，其电压要求低且电压范围宽，同时该单片机中断源比较丰富，并且可以嵌套，使用起来灵活方便。MSP430F1611单片机内置12位A/D转换模块，可以在不外加A/D转换芯片的前提下采集模拟数据，减少了系统成本，降低了软件复杂度。

由于系统采用的工作模式不同，单片机的功耗有显著的不同。在系统设计中总共有1种工作模式和4种低功耗模式，用户可根据实际应用选择不同的工作模式和低功耗模式，从而使系统在保证正常稳定工作的前提下，尽可能地降低功耗。

1.2 光电信号采集方案

系统采光模块采用两个光敏电阻分压，用单片机的A/D模块实时检测其中心电压值并判断此时的太阳能电池板是否正对太阳光，如果偏离太阳光，则通过电机调整太阳能电池板的位置。利用A/D检测光敏电阻中心电压，可以转换到对太阳的检测。理论上，当太阳光正对太阳能电池板时，两个光敏电阻中心电压值为1.25 V。实际应用中，当中心电压值为1.24～1.26 V时，电机保持稳定状态;在此范围之外，则控制电机正转或反转。

1.3 电机转动控制方案

系统电机选择3 V直流电机，控制芯片选择L9110。该芯片是为驱动和控制电机设计的专用集成电路器件，一些分立的元件都集成在芯片中，从而使得该芯片的外围器件减少，系统成本更低，系统性能更稳定。L9110支持TTL/CMOS电平的输入，而且抗干扰能力强。经测试，通过控制两个输入引脚的高低电平可以直接驱动电机转动。在本电机中，驱动的持续电流为31 mA，峰值电流更大，而芯片内部集成了反相二极管，大大提高了芯片的抗反向电流的能力。因此，采用该芯片控制电机安全可靠。L9110具体驱动电路如图1所示。

图1 L9110的具体驱动电路Fig.1 The specific drive circuit of L9110

1.4 无线收发模块

系统通过无线模块实现了太阳能跟踪从机和基站总站之间的数据交换。系统无线模块采用nRF24L01。nRF24L01是一种新型的2.4 GHz无线收发模块，其内部集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型Shock Burst技术;功耗低，在发射功率为-6 dBm时，工作电流只有9 mA，接收时工作电流只有13.2 mA;系统设计有多种工作模式，可以根据不同的应用场合选择不同的模式。nRF24L01适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、各种遥控玩具等。

1.5 锂电池充电模块

由于系统采用太阳能电池板给锂电池供电，且系统要求最大限度地利用太阳能［4-5］，因此系统选用专用的太阳能充电管理芯片CN3063。该芯片集成了功率晶体管，在实际应用中不需要额外的电流检测电阻和肖特基二极管。芯片内部集成了1个A/D转换电路，这样就可以根据太阳能电池电流输出有限的特点自动调节充电电流，从而最大限度地利用太阳能电池板的输出电流给锂电池充电。该芯片需要的外围器件很少，降低了成本，提高了系统的稳定性。当太阳能电池电压很小时，该芯片自动转入低功耗模式。经测试，其静态倒灌电流为5 μA，这就保证了锂电池的电量稳定。此外，该芯片还具有电池温度监控以及充电状态和充电完成状态指示等功能。

1.6 TFT彩屏显示控制

为了使基站总站系统有良好的人机交互界面，基站显示选择了一款2.4英寸(1英寸=25.4 mm)的彩色TFT显示屏。该彩屏内部带有4种字号的ASCII码西文字库和GBK2312二级(包含一级和二级)汉字库，通过软件程序的编写，可以实现BMP位图、点、直线、矩形、圆形等显示。该液晶模块接口为串行接口，操作简单方便，通过软件编写链表程序，可以实现该彩屏的菜单控制。

1.7 温湿度检测模块

太阳能跟踪从机在跟踪太阳的同时还能测量当前环境温度和湿度。在此温湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器。此传感器在出厂时已经进行了精密的校准，因此精度高;内部集成了1个8位的单片机，输出为数字信息。通过软件驱动的编写，利用一根数据总线就可以实现该模块的驱动。该温湿度传感器使用方便灵活、实用性强，其组成包括1个干湿元件和1个热敏电阻。这使得该温湿度传感器具有很低的功耗，而且输出信号传输距离远。

1.8 以太网数据传输模块

本文采用RTL8019AS网卡芯片接入以太网进行以太网数据访问［6-7］。该芯片可以与NE2000相互兼容，这样就保证了程序的移植性，而且芯片接口简单。与其通信的单片机选择80C51。由于网页存在于系统内部，因此要求芯片有足够的存储区。对此，本文通过数据总线扩展了Flash存储空间，并将80C51作为系统的服务器，通过移植程序和网页编写软件，把以太网数据访问的主页编写到存储区，用户只需要在网页地址栏里输入该服务器的IP地址，就可以直接访问该主页。系统通过以太网实现该太阳能发电系统监控数据的远程访问，系统的应用性得到进一步提高。

1.9 红外数据传输模块

系统可以实现红外数据传输。由于红外发送部分要求产生38 kHz的载波，因此采用MSP430内部定时器A产生PWM波形，其占空比为50%。红外数据传输模块的发送部分工作原理为:当数据为0时，三极管S9012-1导通，38 kHz载波经S9012-2发送数据;当数据为1时，S9012-1不导通，没有波形被发送。其接收部分工作原理为:采用专用的红外解码探头HS1008，该探头内置放大电路，可以直接接收红外信号，通过系统串口可以直接读取发送的数据，发送和接收的波特率都设为2400 kbit/s。经过测试，在此波特率下，数据传输误码率很低，可以有效进行数据的传输。红外数据收发部分电路如图2所示。系统整体框图如图3所示。

图2 红外数据收发部分电路Fig.2 Circuit of the infrared data transceiving part

图3 系统整体框图Fig.3 Block diagram of the system

2 软件设计

无线数据发送模块子程序设计流程图及基站控制系统流程图如图4所示。在无线数据发送模块中，MSP430单片机首先通过SPI方式对无线模块nRF24L01进行初始化;当A/D完成相关数据采集后，通过nRF24L01将数据发送至LCD进行显示。

图4 无线数据发送模块及基站控制系统流程图Fig.4 Flowchart of wireless data transmision module and base station control system

上位机主程序流程图以及PC机软件设计流程图如图5所示［9］。在上位机主程序流程中，系统先进行初始化，将单片机的地址通过无线模块发送出去;上位机接收数据并将数据在LED上进行显示。相应的PC机程序控制实现将整个实时监控的数据通过串口发送到计算机上进行显示，便于用户的调度控制。

图5 上位机主程序以及PC机流程图Fig.5 Flowchart of the host computer main program and PC

3 结束语

本文设计的高效太阳能充电系统的从机和基站总站以及红外抄表都采用MSP430F1611单片机作为控制器。太阳能跟踪部分检测两个光电传感器的中心电压，经过软件滤波得到精确测量值，以控制电机转动，从而使太阳能电池板能有效地跟踪太阳;并通过无线模块nRF24L01与基站总站进行通信，实现了系统数据采集、无线传输和PC机的界面显示。此外，本系统对采集的数据进行存储并且实现断电续存的功能。

整个系统具有集成度高、功耗低、数据采集和无线传输速度快、误码低，以及体积小、质量轻、可靠性高、易于控制和使用灵活等优点，因而性价比高，具有广泛的应用前景。

［1］庾莉萍.提高太阳能电池效率的主要措施［J］.电源技术应用，2009(11):68-69.

［2］Sclocchi M.分布式MPPT提高太阳能光伏系统的效率［J］.集成电路应用，2009(12):40-41.

［3］王建田.提升太阳能系统供电效率的分布式最大功率追踪架构［J］.中国电子商情(基础电子)，2010(7):43-46.

［4］韩广欣.锂离子电池组均衡充电的研究进展［J］.电池工业，2009(1):65-68.

［5］徐世林.锂离子可充电电池的最新研究进展［J］.漯河职业技术学院学报，2008(2):34-35.

［6］讯通科技.单片2.4G无线射频收发芯片nRF24L0［EB/OL］.［2005-05-12］［2011-07-22］.http://www.docin.com/p-242991597.html.

［7］刘瑞新.Protel 99SE原理图设计［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［8］张义和.Altium Designer完全电路设计(电路图篇)［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［9］黄维通，姚瑞霞.Visual C++程序设计教程［M］.北京:机械工业出版社，2001.