太阳能控制器范文

导语：如何才能写好一篇太阳能控制器，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 08-0000-01

一、太阳能自动跟踪系统总体设计

（一）光源检测方案的确定

1.视日运动轨迹跟踪

不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。

在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。

优点：精度高，不受环境因素影响，但是不同地区需要设置不同的初始值，。

缺点：系统复杂，但是不同地区需要设置不同的初始值，太过于复杂。

2.光电跟踪

光线在同种均匀介质中沿直线传播，不能穿过不透明物体而形成的较暗区域，形成的投影就是常说的影子，地球每天不停的自转，同时它要围绕太阳作公转，因此，地球和太阳的相对位置是在不停的变化，太阳光照射在地球上的影子也随之变化。因此，如果在地球上的某个位置放置一个不同透光的物体，那么，这个物体在太阳光的照射下就会产生影子，而这个影子的长度也会随太阳和地球空间位置的相对变化而产生变化。

我们将影子的变化转换为电压的变化，并且通过调节机械部分来调节影子的变化从而达到调节电压的变化达到我们的目的，这样也可以构成一个闭环系统。这样一来我们就考虑用光敏行性器件来检测太阳的变化从而实现光电跟踪。

优点：成本低，思路简单，容易实现。

缺点：容易受阴天雨天的影响。

3.采集传感器的选择

方案一：采用光敏电阻作为轨迹的采集器件。光敏电阻的值能随光强的变化而变化，光敏电阻的测量灵敏度较高。

方案二：采用高灵敏度的光敏二极管作为轨迹的的采集器件。光敏二极管产生的电流小，灵敏度较低，响应速度较慢。

方案三：光敏三极管灵敏度高，但是容易达到饱和区，影响检测。综合考虑，为了提高系统的灵敏度，我们选择第一种方案。

二、控制器部分

（一）单片机的选择

因为检测电路得到的信号为模拟信号，为了电路的简化，我们选用带有模数转换的单片机，在设计中我选择了STC12C5410AD单片机，STC12C5410系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。8路高速10位A/D转换。工作电压：5.5V～3.8V（5V单片机），工作频率范围：0～35MHz，用户应用程序空间10K字节，E2PROM功能。

运用STC12C5410AD单片机的输入/输出接口P1.0定时采集差动运算放大电压信号环用P1.1采集环境光强电压信号和，分别将这些数据存储于数据存储器中，在程序中会用到。STC12C5410AD单片机片内的时钟产生方式采用的是内部时钟方式，即在XLAT1和XLAT2两引脚间外接石英晶体和电容构成一个自激振荡器，从而向内部时钟电路提供振荡时钟。震荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在1.2～12MHz之间任选。通过改变电容C1、C2的值进行微调，通常取30pF左右。本设计中晶体的振荡频率取11.0592MHz，电容的值取30pF。

控制部分是最核心的部分，控制部分是要将采集信号部分和可控制电机部分相连接的部分。

（二）A/D转换程序的设计

因为太阳能电池板和太样垂直后，电机停止转动，而太阳还在运动这样就会使采集信号发生变化，如果立即进行更正，电机就需要转动，这样一来电机频繁的转动，一方面能量损耗较大另一方面会影响电机的寿命和机械部分的寿命。所以允许有一定的误差，这样能保证系统正常的工作，也能提高电机和机械部分的寿命。

太阳能电池板和太阳垂直时，差动运放电路的输出的电压是2.5V，经过实际实验，当太阳能电池板和太阳光线夹角超过2度是，电压变化是0.2V，这样一来我们就可以设置一个范围，当电压值大于2.7V是电机正传，当电压小于2.3V时，电机反转，当电压小于2.7大于2.3是电机不转，延时后在进行判断。带有模数转换的单片机将0V到5V电压进行转换为0―255，这样一来我们只需将转换的数字量与不同电压范围对应的数字量进行比较就可以实现自动跟踪。

其中延时程序一是因为在黑夜有外部光源影响，系统判断失误使太阳能电池板转动，但是当影响光源消失后系统又自动复位，这样会减少系统寿命和浪费能量，所以当光强达设定的阀值上限后，延时2分钟，判断光强是否还在阀值上限，如果在那么可以认定天亮了，在这以后再让系统工作就可以更合理。

设定延时程序二是因为当太阳能电池板调整的和太阳管线垂直后，为了使电机不过于频繁的工作而设定的，因为太阳相对于地面1小时转动15度，也就是4分钟转一度，所以延时1分钟，和上边的2分钟一起共3分中检测一次，这样可以保证尽量的去掉非太阳光的光源影响，太阳落山后，光强低于阀值，延时后系统给步进电机固定的脉冲，是系统缓慢的复位，这样可以使系统更佳合理的运行。

（三）控制步进电机电路

以太阳能电池板为例，固定形式的太阳能电池板一天7小时的发电量为1200W左右，其他形式可转动的发电装置一天的发电量可以达到1600W，提高了30%，所以太阳能跟踪控制器设计在太阳能利用方面有很大的前景。

四、结语

本文设计了基于单片机的太阳照射角度的自动跟踪系统，该系统能够实现对太阳的双向跟踪（东西向、南北向）。

参考文献：

[1]李申生.太阳能[M].北京：人民教育出版社，1988：12-14.

[2]王炳忠.太阳能―未来能源之星[M].北京：高教出版社，1990：20-21.

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【关键词】太阳能;控制器;显示;检测;水位

引言

太阳能属于洁净可再生能源，应用太阳能实现水的加热应用于工农业生产以及日常生活中都具有重要的应用。实现加热以及水位的自动控制是太阳能应用领域需要解决的关键技术问题。

由P89LPC936优异的控制能力，结合水温水位的检测以及基于HT1621B的良好显示设计的新型太阳能控制器各项性能指标良好，符合应用的要求。

1.控制系统硬件电路设计

太阳能控制器由水温水位检测装置、P89LPC936控制单元、LCD显示单元以及报警装置、控制输入装置等功能单元构成。系统设计遵循了模块化的设计思路，各个功能电路都采用新型芯片实现，有效提升了功能电路的稳定性以及可靠性。

1.1 系统控制单元

系统控制单元采用的P89LPC936是一款单片封装的微控制器，使用低成本的封装形式。它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。P89LPC933/934/935/936集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。应用P89LPC936进行设计对于有效提升太阳能控制器的智能化水平，同时也能够有效地降低电路的硬件成本并提升系统的稳定性与可靠性。

1.2 温度与水位采集电路

温度的采集系统设计中采用了OMEGA? Nextel陶瓷绝缘热电偶，本温度检测器件简单易用的精密温度测量元件，同时也是按照行业最高标准制造的。为了进一步提升温度测量的精度，系统中同时采用了电桥电路，实现了控制器对于水温的精确测量。对于水位的测量，系统采用了非接触式的超声波水位测量的方案，在设计中对于超声波水位测量实现无节测量以及测量传感器的线性度进行了测试，在设计中对于水位传感器的悬挂弹簧进行了改装测试，太阳能控制器的水位检测传感器的线性度的得到了有效的提升。水位检测传感装置的检测效果如图1所示。

图1 水位检测传感装置的检测效果图

1.3 LCD显示单元

与LED相比LCD具有显示内容丰富、显示稳定、功耗极低等方面的优势，由于本项目中LCD需要显示的内容较为复杂，单片机无法实现直接驱动，因此在LCD显示电路中采用了HT1621B作为显示控制单元，HT1621是128点内存映象和多功能的LCD驱动器，多样化的的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，能够实现对于模块以及子系统的正确显示。基于HT1621太阳能控制器的显示电路如图2所示。

图2 基于HT1621太阳能控制器的显示电路

1.4 报警电路以及其他

太阳能控制器综合采用了声光报警装置，对于水位以及水温的状况实现实时检测，并在达到阈值时进行报警。同时系统具有工作状态以及工作模式设置输入，可以设置系统的工作状态以及相应的阈值等。

2.控制程序的编写

太阳能控制器采用了C语言程序进行控制指令的编写，由于在P89LPC936单片机性能优越，存储空间以及运算性能都很突出，因此采用结构化以及可移植性较高的C言语进行程序的编写有利于程序的调试以及功能的实现。系统程序分为水位检测控制程序、水温控制程序等多个程序功能模块，程序编写过程中对于例子程序的大量运用对于优化程序结构，提升程序的执行效率起到了重要的作用。水位控制部分程序如下所示：

uint8 Key_Power_Pros_num=0;

void KEY_INIT（void） //键盘中断初始化

{P0M1 = 0x80; //P0.7作为输入口，用来计数 温度频率

P0M2 = 0x00; //P0.0～P0.6作为双向IO口 P0.7作为计数器用

KBPATN = 0x0F; //低4位接按键

KBCON = 0x00; //设置为不相等 按键按下为0，产生中断

KBMASK = 0x0F; //低4位 开中断

EKBI = 1; //键盘中断使能 }

vid KeyIint（void） //置1，做为输入口，以便准确读取输入口状态...........

3.产品的综合设计

在完成太阳能控制器硬件电路以及控制程序编写的基础上，应用仿真软件对于电路的性能以及程序的工作效果进行了检测。系统各个方面的性能都符合预先设定的指标。最后需要进行太阳能控制器线路板的设计。在线路板的设计过程中，要能够充分考虑到以下几个方面的内容，首先是线路板的正确性，要能够保证线路板满足器件安装的基本需求，线路板焊盘之间的连接与电路图的电气连接关系一致;同时要考虑到电路板的性能要能够兼顾电路板的工艺性，保证元器件合理的布局以及铜线的结构化布线，通过手工布线的方式，完成的太阳能控制器的PCB如图3所示。

图3 太阳能控制器PCB

4.结论

太阳能控制器通过P89LPC936作为主控单元，对于太阳能使用中的水位以及水温等重要参数进行测量，通过LCD对于检测的内容进行显示，同时产品的功能以及工作模式可以根据实际需要进行调节，产品设计程序符合控制要求，电路功能满足设计的需求。太阳能控制器在实际生产以及生活中具有重要的应用。

参考文献

[1]喻洪平，吴斌.基于He-Ne双频激光干涉的大尺寸精密检测技术[J].工具技术，2009（06）.

[2]董晶晶.超声波液位传感器的开发[D].天津：天津大学机器工程学院，2008.

[3]焦冰.基于ARM 的超声波位计的研制[D].南京：南京信息工程大学，2008.

[4]宫风顺，程振来，潘志刚，王玉龙，王品卿.液位计检定装置的研究[J].中国计量，2005（03）.

[5]李震，洪添胜，黄伟锋等谐振式液位传感器在喷雾机药液箱液位检测中的应用[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2007（35）.

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【关键词】太阳能热水器控制器;单片机;水温水位一体化传感器;继电器;电磁阀

0 引言

太阳能作为绿色能源尤其在太阳能热水器中的应用深得广大用户的好评。但与之配套的太阳能热水器的控制器存在诸多的问题尤其在水温水位一体化传感器工艺的设计、防雷击、漏电和过热保护上影响了其推广和使用。本文就以上太阳能热水器控制器存在的问题进行了研究，并提出了切实有效的解决方案。设计制作的太阳能热水器的控制板如图1所示。

图1 太阳能热水器控制板

1 太阳能热水器控制器的硬件组成

太阳能热水器控制器硬件系统组成框图如图2所示，它以新型单片机STC12C5A60S2为控制核心，外接功能按键电路、水位水温一体化传感器、漏电过热保护电路、电磁阀继电器电流驱动电路、报警蜂鸣器、LED数码管显示电路和系统电源电路等组成。

系统通过水位水温一体化传感器将水箱的水位和水温参数转化为单片机能够识别的电信号，经过软件算法处理实时将水位和水温显示在LED数码管上，系统首次上电后水箱内的水位不足20%时为了避免干晒和干烧，系统会启动蜂鸣器报警同时启

动上水电磁阀进行自动上水，但水位达到100%时自动停止上水，期间用户也可以通过按键进行手动上水;阴雨天气或者阳光不足时可以手动启动电辅加热，当水箱的水温加热到用户的设定温度时系统自动切断电辅加热也可手动随时停止加热;秋冬天气太阳能的上水管极易冻裂系统可以手动启动管道保温功能，最大限度的提高太阳能热水器的使用效率。

图2 太阳能热水器控制器硬件系统组成框图

2系统各功能硬件电路设计

2.1水温水位传感器结构原理

水温水位一体化传感器结构原理如图3所示

图3 水温水位一体化传感器

此水位水温传感器包括1个10K热敏电阻、4个色环电阻、橡胶外套和4段不锈钢弹簧组成。传感器内的热敏电阻和控制器内的5K电阻组成一个串联电路，根据串联分压原理，通过A/D转换单片机即可将水箱内的温度信息进行采样并实时显示和控制。其中热敏电阻的两端包裹有高温导线，此高温导线贯穿于传感器的顶端和末端，最大限度的保证采集温度的准确性。传感器内的的4个色环电阻和4个不锈钢弹簧管之间串联焊接，然后用橡胶包裹固定。其中不锈钢弹簧主要起到增加水位传感器的长度的作用，4个色环电阻将水位分成4个档位，由于包裹在每个档位处的橡胶是导电的，而档位以处的橡胶是绝缘的，不同的水位即可等效为不同的电阻，通过震荡电路即可产生不同的频率，从而实现了水位的检测。

2.2水温水位传感器测试原理

图3中的4个档位不锈钢弹簧对应的水位等效电阻1、2脚接口与图4中的1、2接口相连，等效电阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B和C1构成非对称式多谐震荡器[1]，经过反向驱动器U1C和滤波电容C2整形后接到单片机的P1_0，单片机通过测量P1_0引脚的方波频率即可得到水位的位置。

图4 水温水位传感器信号调理电路

电路的震荡周期由式（1）给出：

T=2.2RFC，= （1）

式中的RF为等效电阻，根据4档水位对应的不同

等效电阻得到不同的信号频率如表1所示：

表1 水位/频率值变换表

图3中的10K负温度系数的热敏电阻与图4中5K电阻R4串联分压后经C3滤波后接到单片机的P1_1（ADC0通道）引脚，通过测量该引脚的水温电压对应的ADC值，再通过查表即可获取水箱内水温值。

单片机P1_1处的电压（2）

式2中的R1为10K热敏电阻的水温阻值。通常将热敏电阻的阻值和水温做成一张表格如表2所示，表格中的每个元素由水温对应的ADC值和水温组成存放在单片机的ROM内，当检测的水温对应的电压AD转换后，通过查表得到对应的水温。电阻R5、R6、R7为压敏电阻【2】。避免水温水位传感器因遭受雷击影响电路控制系统的整体寿命。

表2 水温/电压ADC变换表

2.3上水电磁阀、电辅加热和管道保温继电器驱动电路设计

图5 上水、电加热和水管保温驱动电路

电加热、管道保温继电器和上水电磁阀的驱动电路如图5所示，STC12C5A60S2单片机对于继电器、电磁阀这种大的负载很难驱动，故采用ULN2001A驱动芯片控制电磁阀的线圈通断电。ULN2001A内部集成3路达林顿电流放大电路，只需用单片机的P1_6和P1_7脚在ULN2001A的输入管脚1、2、3输入TTL高电平（5V左右），输出脚8、7、6即可输出最大500MA的控制电流足以驱动电加热和管道保温继电器线圈的工作。单片机的P1_5脚输出高电平通过三极管Q1的饱和导通，即可控制12V的上水电磁阀工作，反之即可关闭上水电磁阀。由于电磁阀线圈关断瞬间产生反向电动势，故采用IN4007二极管吸收反向电流从而保护三极管Q1的使用寿命。图5中的B1、BZ1和BZ3为压敏电阻，保护上水电磁阀、电加热和管道保温继电器线圈遭受雷击的损坏。

2.4系统漏电、过热保护电路设计

图6 漏电检测、过热保护电路

系统保护电路如图6所示，将电感线圈套装在220V的交流电源上，然后将线圈的2根引出线接在J4插座上，二极管D11、D12并接在线圈的两端。电源一当漏电，流过漏电线圈的电流不平衡，线圈将产生感应电压和电流，通过D11、D12构成续流回路，以免互感线圈二次侧开路，产生较高的危险电压[3]。单片机管脚P1_4检测经C11、C12、R10滤波后的漏电电压，一旦漏电发生即可关断继电器，切断电源保护系统和人员的安全。当系统内的温度超出75℃时，单片机P1_3脚检测热敏电阻3470分得的电压变化，从而切断系统电源，起到系统过热保护的作用。

2.5系统电源电路设计

图7 系统电源电路

系统电源电路如图7所示，太阳能控制器系统需要的直流电源有+12V，+5V两种电源，使用变压器将交流220V转化为交流12后，接到接口J1上，经过D1、D2、D3、D4全波整流后，得到12V直流电，经7805稳压后得到5V直流电，电容C1、C2、C3、C4为滤波作用，滤除电源中的高频和低频分量保证系统电源的稳定可靠。

2.6按键、蜂鸣器及LED显示接口电路设计

太阳能热水器控制器系统采用模式选择、加热、保温和上水4个独立按键实现系统的外部输入功能，按键去抖动包括软件和硬件方法，本系统采用软件算法实现按键去抖处理既可靠又降低了系统的硬件成本。LED显示采用的8*8点阵原理（共阳）共64只发光二极管实现水位、水温、时间和特殊功能的显示，LED显示尤其注意驱动电流保证每只发光二极管的工作电流在5～10ms，从而保证显示的亮度。本系统蜂鸣器采用的是脉冲驱动的无源蜂鸣器，一当开机或用户用水的过程中水位低于20%，便触发蜂鸣器，实现声光报警自动上水功能。以上3项子功能电路简单，原理图略。

3 系统软件设计

太阳能热水器控制器系统采用基于C程序[4]的模块化结构编程，包括主程序、自动加热子程序、自动上水子程序、LED数码管动态扫描子程序和按键去抖动算法设计。

按键去抖动[5]采用定时器每2ms中断一次，每次中断读取4个按键的状态并存储起来;连续扫描8次后，看看这连续8次的状态是否一致，8次按键的时间大概是16ms，这16ms内如果按键的状态保持一致，那就确定现在按下的按键处于稳定状态，而非处于抖动阶段，从而实现按键的去抖动。按键从按下到弹起的状态检测过程如图8所示。系统主循环程序根据去抖动后的按键值，执行不同的操作，系统主程序流程图如图9所示。

图8 按键连续扫描判断

图9 主程序流程图

主程序在检测显示水温水位环节，采用数字滤波处理即连续读3次，取排序后的中间值为读取到的水温水位值，提高系统的抗干扰能力。

4 结束语

本次设计实现的太阳能热水器控制器系统主要的创新点有：1）采用自制的水温水位一体化传感器，检测效果稳定可靠，成本低廉;2）具有防雷、漏电和过热保护功能，性价比高较易被用户接受。该系统将以其安装操作方便、显示精度高、稳定可靠等优越性能目前已批量生产，为企业创造了可观的经济和社会效益。附PCB控制板如图10：

图10 太阳能热水器控制板PCB

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.P332～P334.

[2]牛小玲.太阳能水温水位控制器设计.实验技术与管理，2014，31（1）：75-76.

[3]马敏.太阳能热水器控制器的设计，河南科学2003，21（2）：225

[4]徐意.单片机技术与应用[M].浙江：浙江大学出版社，2012.

[5]宋雪松.手把手教你学51单片机[M].北京：清华大学出版社，2014.

基金项目：本项目来自浙江省教育厅一般科研项目：新型太阳能热水器控制仪的应用研究，编号：Y201224827。

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关键词：太阳能；空气热能；PLC；温室加热；控制系统

前言

设施农业由于环境相对可控，具有高效、优质、高产等特点，在农业发展中占据着越来越重要的地位。而现有的设施农业供暖多采用柴油、煤炭或天然气等单一的能源燃烧放热供暖，此方法易污染、不易于实现自动化控制；采用电加热功耗大、设备成本高。太阳能和空气能作为清洁、无污染的可再生能源，在日常生活中已广泛应用，在设施农业供暖中鲜有应用，文章将太阳能与空气能相结合，通过太阳能真空集热管、空气热泵双热源进行热量收集，以水作为蓄热介质，依据温室加热策略，基于PLC设计开发太阳能-空气能温室加热控制系统，此系统可根据天气情况、太阳能真空集热管出水口温度、保温水箱内水温、温室内空气温度自动选择加热方式，从而达到充分利用清洁能源，有效节约能源、降低能耗的目的。

1 系统的总体设计

太阳能-空气能双热源温室加热系统的工作原理系统图如图1所示，系统通过太阳能加热回路及空气能加热回路进行蓄热介质水的加热，加热后的水储存在阳能加热回路和空气能加热回路共用的保温水箱中，之后由温室加热回路进行温室内加热。

2 硬件设计

太阳能空气能温室加热系统的控制系统硬件组成主要包括：PLC可编程控制器、设置在保温水箱内的温度传感、太阳能加热循环泵、设置在真空集热管顶端的温度传感器、温室加热循环泵、设置在温室内的温度传感、热风管、设置在温室外部的光照传感器，PLC可编程控制器与上述各工作元件通过导线连接。分析系统所需I/O点数、可编程控制器的可存储量、响应速度，及特殊功能扩展等要求，本系统选用三菱FX1N系列FX1N-24MR-001作为核心控制器。作为系统核心控制器。FX1N系列是三菱PLC中功能很强大的PLC，可扩展致128点，结构紧凑，功能模块配制灵活，可靠性高，在温室环境控制中应用非常广泛。具体的I/O点分布如表1所示。

3 软件设计

为实现不同天气情况下均能保证温室加热系统可靠性工作，其温室加热控制策略为：蓄热过程为白天晴天状态下，当光照传感器监测的光照强度大于20000lux，且太阳能真空集热管上端温室传感器监测水的温室高于45°时，PLC控制器开启太阳能循环泵，对蓄热介质水进行循环加热，保存到保温水箱中，否则关闭；白天阴天或夜晚状态下，当保温水箱温度低于PLC控制器设置温度时，PLC控制器控制空气能热泵进行蓄热介质水加热。温室加热过程为当温室内空气温度低于PLC控制器设置的温度时，PLC控制器控制温室加热循环泵工作，进行温室加热。

针对上述控制策略由采用三菱GX-DEVELOPER 编程软件的梯形图语言进行编写，流程图如图2所示。

4 结束语

文章主要基于PLC开发设计了太阳能-空气能双热源温室加热控制系统，并参考温室加热策略、天气情况、太阳能集热管水温等多个参数设计开发PLC控制程序。该系统最大限度将太阳能和空气能结合利用，节约能源、避免了污染并且实现温室加热自动化控制，可为温室加热系统的设计提供一种参考。

参考文献

[1]孙先鹏，邹志荣，赵康，等.太阳能蓄热联合空气源热泵的温室加热试验[J].农业工程学报，2015，22：215-221.

[2]陈冰，罗小林，毕方琳，等.温室太阳能与空气源热泵联合加温系统的试验[J].中国农业科技导报，2011，01：55-59.

[3]施龙，刘刚，杨丰畅.以空气源热泵辅助加热的太阳能热水系统[J].可再生能，2013，31（1）：97-101.

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关键词:太阳能电池-蓄电池;混合动力;能量分配;SOC;仿真分析

中图分类号:U463文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0136-02

在人类为汽车寻求动力的历程中,发现太阳能作为新型能源的优势。太阳能汽车采用太阳能电池阵列收集太阳能并转化为电能,提供汽车行使所需的能源。但单纯用太阳能也有很多限制条件,比如阳光不足、夜间行使等。而采用太阳能电池―蓄电池组合作为汽车发展的主流方向,在太阳能汽车中配有蓄电池,以储藏多余的能量,备阳光不足时使用。

一、太阳能电池-蓄电池混合动力电动汽车结构

太阳能电池-蓄电池双能源混合动力电动车结构及驱动模式如图1所示,它表示了电动机、蓄电池及太阳能电池之间的功率输入输出关系。

其中,P1表示太阳能电池输出给电机的功率,它只能单向传递给驱动系统。P2表示太阳能电池输出给蓄电池的功率,它只能单向传递给蓄电池。P3表示电动机的输入/输出功率,它是双向的,当向汽车传动系传递时为正值,当再生制动情况下驱动电动机当作发电机使用时向蓄电池充电,为负值。P4表示蓄电池的充放电功率,它也是双向的,当向功率总线放电,并与太阳能电池组发出的功率一起对驱动电动机进行放电时为正值,充电时为负值。

二、双能源电动汽车能量控制策略

太阳能电池-蓄电池双能源电动汽车中能量管理策略的中心在于实时合理地分配太阳能电池和蓄电池的功率输出,提高汽车动力系统的效率。即:P3=P1+P4,其中P3的值由汽车驱动功率决定,工况一定时为定值。P4和P1之间的分配是双能源电动汽车能量系统控制策略研究的主要内容。目前关于二者值分配的控制策略主要有功率跟随式和开关式两种。采用功率跟随控制模式对太阳能电池-蓄电池双能源电动汽车进行能量控制策略研究。

(一)纯蓄电池驱动模式

当蓄电池的SOC大于cs_hi_soc(即电池充电量的高状态设定值)时,有蓄电池来单独驱动汽车,直到电池的SOC小于cs_lo_soc(即电池充电量的低状态设定值)为止,此时根据功率跟随式的控制策略决定太阳能电池停止给电机传递功率,开始向蓄电池充电。此工作模式下功率流向如图1(a)所示,且有:P1=0;P3=P5/η1・η2;P4=P3。

式中:P5――汽车行驶负载功率;η1――机械传动系的传动效率;η2――电动机及控制器效率。

(二)纯太阳能电池驱动模式

当蓄电池组SOC低于期望值时,控制太阳能电池输出功率不仅要求满足路面功率,同时要对蓄电池充电,使蓄电池的电量回到期望值。对蓄电池进行补充充电功率的大小由当前SOC值与期望值大小决定,此工作模式下功率流向如图1(b)所示。即:

P3=P5/η1・η2;P2=-β(SOC*-SOC)=β(SOCCSOC*);P1=P3;P4=0

cs_pwr_min

式中:β――表示充/放电功率系数;SOC*――表示电池期望荷电量状态;cs_pwr_min,cs_pwr_max表示太阳能电池工作区间。

(三)混合驱动模式

当电池组SOC高于期望值时,为了使蓄电池的电量始终在理想值附近,蓄电池对外放电,不足功率由太阳能电池输出,并且要落在太阳能电池有效工作范围之内。此时功率流向如图1(c)所示,即:P3=P5/η1・η2;P4=β(SOC-SOC*);P1=P3-P4;P2=0。

其中:cs_pwr_min

(四)再生制动模式

当汽车减速或下坡行驶时,太阳能电池停止对电动机传递功率,开始对蓄电池充电。同时电动机工作于再生制动状态,功率流向如图1(d)所示,即:

P1=0;P3=αP5/η1・η2;P4=-P3。

式中:P3――电动机工作于发电状态时输出的功率;α――车辆再生制动百分比。

三、功率跟随模式能量控制策略在ADUISOR中的仿真分析

ADVISOR2002是由美国可再生能源实验室开发的混合动力电动汽车仿真软件,可以用它进行纯电动汽车、混合动力电动汽车和传统内燃机汽车动力性、经济性等特性的仿真分析。

功率跟随模式在ADVISOR中的实现是根据路面需求功率的输入,确定太阳能电池是否应该工作;功率跟随模式在ADVISOR中的实现包括控制太阳能电池开/关模块、均衡功率模块、确定太阳能电池工作点模块等,仿真模块的结构如图2所示。电动汽车的相关参数见表1。按实验要求,循环路程总长10.93km,用时1225s,汽车最高速度为120km/h。根据整车车速随时间的变化曲线,该电动汽车从0～96.6km/h的加速时间14.5s,从64.4～96.6km/h加速时间7.1s,最高车速134.9km/h,以30km/h车速的爬坡度为41.3%。而原Focus电动汽车在ADVISOR中的仿真结果为:从0～96.6km/h的加速时间20.5s,从64.4～96.6km/h的加速时间11.5s,最高车速134.1km/h,以30km/h的车速爬坡度为28.6%。

蓄电池的荷电状态、蓄电池的输出功率、太阳能电池的输出功率随时间的变化曲线,可以看出,蓄电池的初始荷电状态为0.7,在汽车启动时刻,荷电状态降低,以提供汽车启动所需的功率。随后按照功率跟随模式的控制策略,太阳能电池的剩余功率给蓄电池充电以保持蓄电池荷电状态在某一范围之内,以延长蓄电池的使用寿命;当汽车以某一较高车速继续加速时,则蓄电池开始放电(大约在950s开始)。电动机的功率输出曲线中,负值表示电动机在进行再生制动给蓄电池充电。

通过仿真可知,该车的最高速为134.9km/h,比设计时的140km/h小了5.1km/h,误差为3.6%,可以接受。而以30km/h的车速爬破度为41.3%,比设计时的30%要高出11.3%,说明蓄电池的数量选择的较大,这是因为蓄电池的功率较高,对电动汽车的爬破性能有利。

四、结语

1.太阳能电池/蓄电池混合动力电动汽车动力源之间的能量控制策略是混合动力电动汽车研究中的关键问题,其核心问题是功率分配策略的要求。

2.通过仿真表明所建立的模型是正确的,完全满足该动力系统功率分配的要求。

3.采用功率跟随模式控制策略能使蓄电池SOC和太阳能电池始终处于一个最佳工作状态,并可以延长其使用寿命。

参考文献

[1]曹之明.燃料电池/蓄电池双能源电动汽车动力匹配的研究[D].重庆:重庆大学,2004.

[2]陈全世,仇斌,谢起成.燃料电池电动汽车[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]朱元,韩晓东.电动汽车动力电池SOS预测技术研究[J].电源技术,2000.

篇6

关键词：“十二五”节能减排；槽形抛物面聚焦型集热器；太阳能空调；伺服控制系统设计；模型制作

Abstract: In order to ensure the realization of the "Twelfth Five-Year" energy-saving binding emission reduction targets, to ease the constraints of resources and environment, to promote energy-saving emission reduction technology innovation and application [1]. In this paper, in the use of new renewable energy sources -- solar energy foundation, tells the story of the parabolic trough focusing collector design and solid model of solar air conditioning servo control system of production.

Keywords: "Twelfth Five-Year" energy-saving emission reduction; parabolic trough focusing collector; solar air conditioning; design of servo control system; model making

中图分类号：S214文献标识码：A文章编号：

1 前言

本设计通过大量的资料调研与方案论证设计出一套以槽形抛物面集热器为例的太阳能空调集热器的伺服控制系统，解决了以往太阳能空调集热器成本高，集热效率低，无法大量应用于实际生活等问题。太阳能空调集热器的伺服控制系统根据太阳能辐射量在一天之中的强弱变化，并考虑到地球的公转与自传，每小时调整阳光到集热器的最佳入射角，从而提高集热器的集热效率。本设计有很好的移植性，不仅适用于太阳能空调，同时也可以大面积应用于太阳能热水器等针对于太阳能的集热系统。本设计从原理到材料成本都充分地考虑到能否应用与民用和产业化问题，在制作模型时所采用的材料充分的体现了低廉的成本与节能环保的宗旨。与本设计配套的实物模型可以实现随太阳辐射的变化控制集热板对太阳的之间的夹角，从而实现高效的热量集取。

2 研制背景及太阳能集热器介绍

2.1太阳能作为新能源的必要性

太阳能是目前最环保的能源之一，太阳能的利用主要是指的太阳辐射热的利用，太阳能辐射热可以用来发电、制冷和供暖、太阳能灶等。太阳能作为热源在建筑空调系统的应用有其必要性和可行性。我国目前对太阳能的利用由于技术手段和材料成本问题等因素，与发达国家相比还有很大差距，因此我们对太阳能的研究与利用是一项长久而艰巨的工程。

2.2太阳能集热器

太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转化为热能并进行集中的装置。槽形抛物面线聚光集热器是利用反射的方式将投射到反射板上的太阳光集中到接收器上形成焦面，接收器将光能转化成热能，再由介质带走。由于接收器上的能流密度可以很高，所以能够达到比平板式集热器高的温度，在有限的时间内充分利用太阳能[2]。线聚焦集热器需要进行一维跟踪，能收集100-500℃的热水。集热器的接收器可以是圆柱型、半圆型或平板型。

如图2-1所示，槽型聚焦型集热器主要由抛物柱面反射板和真空集热管组成。真空集热管的轴线置于抛物柱面的焦线上，外管材料为玻璃，内管材料一般为铜或钢，内管外表面涂有选择性吸收涂层。集热器由跟踪系统驱动跟踪太阳，利用抛物面的聚光性质把太阳直射光线反射聚焦到真空集热管上，真空集热管吸收太阳能并传给工作流体，工作流体由泵驱动循环[3]。

图2-1 槽形抛物面聚焦型太阳能集热器结构示意图

2.3 聚焦型集热器的最佳安装方位与倾角

要得到最理想的最大的太阳辐射量，就得通过逐时调节集热器的安装角度和安装方位，使太阳辐射光线垂直入射到集热器平面，这就是太阳光跟踪。这是一个相当复杂的过程，与程序编制、自动控制、安装场地、日常维护等多因素有关。因此，对于非聚光的平板式集热器，一般不采用太阳光跟踪，太阳跟踪一般用于聚光型集热器。对于槽型线聚焦型集热器只需要一维跟踪。

本设计的设计原理是对槽型线聚焦型集热器采用一维跟踪的方式，在一天中不同的时刻调整集热器的安装倾角，使得太阳入射角最小，从而在不同时刻均能够获得更多的太阳辐射，提高太阳能辐射的利用率，改善太阳能空调的效率。

固定倾角的太阳能集热器安装的一般原则如下：

（1）双轴跟踪：反射镜同时绕两轴转动，使反射镜的法线与太阳光线一致，则有

=1

（2）集热器平面连续沿着南北水平轴调节，则有

（3）集热器平面连续沿着平行于地球自转轴方向的南北轴调节，公式为：

为保证吸收辐射量最高，太阳入射角最小，可以得到同一天中不同时刻的安装倾角的值，从而在本设计伺服控制环节集热器转动过程中控制集热器的转动角度。

3 系统设计与模型制作

3.1硬件设计

3.1.1、本次设计所用器件

AT89C52RC单片机最小系统板，CDS5401舵机，U型架，模拟集热板。

在本次设计中，共设置了三个按键S1，S2，S3来实现太阳能空调系统集热器的伺服控制。S1：控制集热器正向转动，最大转角为90度；S2：集热器位置归零；S3：控制集热器负向转动，最大转角为90度。通过三个按键来控制集热器随着太阳光强的变化而变化。从而，集热器能够最好角度，最大面积的接受太阳能，充分利用太阳能。

3.1.2、系统工作原理

舵机即伺服马达是一种位置(角度)伺服的驱动器，应用于需要角度不断变化并可以保持力矩的控制系统[4]。舵机的最大转角达到185度，由于采用8位单片机控制，所以控制精度最大为256份。目前经过实际测试和规划，分了250份。将0—185度分为250份，每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms—2.5ms，宽度2ms。2ms÷250=8us；所以得出：PWM信号 = 1度/8us；

表3-1 控制所需的PWM所对应的角度和N值

为了达到太阳能集热器对太阳能最强辐射角度的跟踪控制，就需要给舵机不同占空比的PWM波。利用AT89C52RC单片机的定时器及中断功能产生占空比可调的PWM，从而控制伺服电机。系统中三个按键的设置是为N而设置，通过定时器及外部中断改变N的值，实现产生不同占空比的PWM波，从而更好的跟踪太阳能，如表3-1。

本次系统中，硬件仿真原理图如图3-1：

图 3-1 伺服控制系统仿真图

其中，舵机的PWM控制信号如图3-2：

图 3-2 PWM控制信号

3.2软件设计

在太阳能空调集热器伺服控制系统中，本设计利用单片机产生PWM周期信号。太阳能空调集热器伺服控制系统采用20ms的周期信号。单片机的电路控制PWM周期信号的输出及占空比的调整。最终实现单片机对舵机转角的控制[5]。

当舵机的角度转向左极限时，设置它的正脉冲为2ms，故负脉冲为18ms，软件编程过程中，程序执行开始时在控制口发送一个高电平，定时2ms后产生中断，中断发生后，控制口电压跳变为低电平，并设置中断的时间为18ms。中断结束后，控制口电平变为高电平。定时初值为2ms。如此往复从而实现PWM周期控制信号输出到舵机。利用定时器中断及设定初值的方法巧妙形成脉冲信号，调整脉宽便可使伺服电机灵活运动。

4 经济分析

太阳能作为一种清洁、无污染的能源，具有极其广泛的发展前景。同时其经济性也十分明显。若年运行2000h(北京为例)，1kW功率的集热器年回收热量2000kW·h。而获取同样的热量，需要天然气200m[6]。(折合400元)或者耗电2000kW·h(折合880元)太阳能空调集热系统运行费用只有初投资额的1％集热器的初投资为2000元／kW左右，一般在5年之内可以收回。

圈4-1 槽式抛物面各月平均辐照量变化(晴天模型) 图4-2 各月双轴跟踪和南北轴倾斜角度单轴跟

踪的辐照量变化对比（睛天模型）

本设计设定以双轴伺服控制接受的太阳辐照量为100%（伺服控制系统有方位轴和俯仰轴两条转轴,设定方位轴垂直于地面,俯仰轴与地面平行,反射镜同时绕两轴转动使反射镜平面的法线和太阳光线方向一致，由于太阳直射辐射总是垂直镜面,接受的辐射量最多）据图4-1描述：南北轴倾斜35°伺服控制时,发现10月至次年2月接受的辐照量比其它单轴伺服控制都多,达到双轴伺服控制的98.18 %,全年日均总量为95 %。南北地轴倾角为12.5 °(纬度的一半)时，全年直射辐照量可达双轴伺服控制的94.83 %[7]。

图4-2为一年12个月所统计的双轴伺服控制和南北轴倾斜角度β(β=φ-δ)单轴伺服控制接受的直射辐照量数据变化对比图。对于单轴伺服控制（南北轴倾斜），只需每月调整一次β值，1-12月系统接受的太阳直射辐射量可达到双轴伺服控制的99. 41%、99. 70%、99. 99%、99. 22%、98. 97%、98. 38%、98. 63%、99. 46%、99. 99%、99. 82%、99. 47%、99. 33%，全年可以达到双轴伺服控制的99. 34%所以每月南北轴倾角按(β=φ-δ)调整一次,效率可达双轴伺服控制的99. 34%。

虽然采用双轴伺服控制接受的辐照量最多,但结构复杂,制造和维护成本较高,实际应用较少[8]。而单轴伺服控制（南北倾斜式）虽然接受的辐射总量略有一点点减少,但是结构简单，制造和维护的成本远远低于双轴。总花费远远减少，所以从这些角度考虑单轴伺服控制（南北倾斜式）是比较经济的伺服控制模式。

5 总结

本设计着重分析了槽形抛物面线聚焦太阳能集热器，并将其与伺服控制相互联系起来，实现了集热器能够自动跟踪到太阳光照最强的位置，比传统的单一的集热器具有更好的吸收太阳光照的能力，从而提高对太阳能的利用率。本文还着重比较了双轴伺服控制与南北倾斜角度单轴伺服控制所接受的辐射量的差异，指出单轴跟踪的经济效益更理想。本设计实现了节能减排的要求，此方法具有独创性。另外还具有一下特点：

a）将伺服控制应用与太阳能空调。

b）考虑到了太阳辐射量在一天中的变化，提高了集热系统的集热效率。

c）成本低廉，始于大面积应用于民用建筑。

参考文献:

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[2]韩崇巍 太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统的性能研究 中国科学技术大学 2009

[3]韩崇巍 槽式抛物面太阳能聚焦集热器的理论研究 太阳能学报 2009年9期

[4]刘磊 模块化运动链及移动机器人的研究 北京交通大学 2010

[5]詹毅仁 舵机电机驱动的类壁虎机器人的运动控制系统 南京航空航天大学 2006

[6]杨军华 浅析吸收式太阳能空调 中国建设动态 阳光能源 2004年

篇7

关键词： 光伏发电； 传感器节能控制器； 数据通信； TSL2678

中图分类号： TN61?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

太阳能是一种可再生的清洁能源。近年来，随着科技的不断发展，光伏发电已成为一种非常重要的发电方式。其旨在将太阳辐射到地球的巨大能量为人们所用，以节约地球的不可再生资源、阻止环境继续恶化[1?3]。传感器是一种以实现人类同自然界有效互动的设备，对优化人类生产、生活方式具有重要作用。因而，设计出一种光伏发电中的传感器节能控制器，满足人类日益增长的生活用电需求[4?6]。

由于传感器的储能性能较弱，以前设计出的光伏发电中的传感器节能控制器网络延迟较长、节能效果不理想。如文献[7]设计光伏发电中的双层储能传感器节能控制器，其通过分析光伏发电中传感器储能弱点，对传感器节点的能量存储器进行双层设计，有效减少了太阳能流失情况，节能效果良好，但控制器的网络延迟很长。文献[8]对光伏发电中的传感器节能控制器的传感器节点进行了合理控制，获取了较短的网络延迟。设计者还将太阳能收集板和锂电池直接连接，期望节约设计成本，但却导致锂电池的过度损伤。文献[9]设计基于电容和单片机的光伏发电中的传感器节能控制器，其将电容设置成控制器的电源进行供电，再利用单片机对电容的充放电流程进行控制。该控制器拥有较好的综合性能，但节能效果仍需提高。文献[10]从光伏发电中的传感器节能控制器自身考虑，对其中耗能较大的设备进行删减，并对传感器节点能耗进行了进一步优化。该控制器的节能效果良好，但网络延迟较长。

通过对上述光伏发电中的传感器节能控制器优缺点的分析，深入探讨光伏发电节能实现方案，设计一种网络延迟短、节能效果好的光伏发电中的传感器节能控制器。

1 光伏发电中的传感器节能控制器设计

所设计的光伏发电中的传感器节能控制器以调整光伏发电中太阳能采集位置为节能方案，增强光伏发电中太阳能与电能间的能量转化率，进而实现节能控制。其给出一种具有高水平能量转化优点的供电电路，提高传感器的储能性能，并为控制器合理供电。此外，通过为控制器选择合理的无线通信芯片和太阳光传感器芯片，使光伏发电的最优节能得以实现。

1.1 控制器无线通信芯片设计

在所设计的光伏发电中的传感器节能控制器中，无线通信芯片是连接各设备、电路、元件之间数据通信的中间纽带。由于无线通信芯片能够对控制器中所有通信数据进行监控，因此，无线通信芯片的高性能将给控制器带来非常好的节能效果，并可有效缩短网络延迟，故要求所选无线通信芯片应具有良好的可靠性和通信效率。

选用挪威NORDIC公司设计的nRF905无线通信芯片作为控制器的无线通信芯片。nRF905无线通信芯片的可靠性很强，并拥有丰富的片上资源，可进行片内解编码工作，使用起来非常便利，通信效率很高，图1是nRF905无线通信芯片电路图。

由图1可知，nRF905无线通信芯片在发送通信数据时，光伏发电中的传感器节能控制器将输入端1和2分别置于高引脚和低引脚中，再经由通信总线将数据保存并统计，再生成通信文件。文件管理对通信文件进行核准后，nRF905无线通信芯片再将通信数据发送出去。

在接收数据过程中，数字控制将对符合nRF905无线通信芯片接收标准的数据进行读取，此时接口5自动进入高引脚。

选用nRF905无线通信芯片的一项重要原因是：nRF905无线通信芯片能够在实现控制器内部有效通信的基础上为通信工作提供节能模式，这对实现设计初衷意义非凡。节能模式可在维持控制器正常通信的前提下，s减自身电流和数据收发的持续时间。通常，开启节能模式的nRF905无线通信芯片便能够满足光伏发电的通信工作需求，故可默认长期开启，于特殊情况下进行关闭即可。

1.2 控制器供电电路设计

因为传感器的储能性能较弱，所以供电电路的合理设计对光伏发电中的传感器节能控制器具有重要意义。所设计的供电电路不但能够为控制器供应工作电能，也能优化太阳光光强的能量转化。

在光伏发电中，太阳能的强弱会在一定程度上影响到供电电路的电能分配工作，因而，光伏发电中的传感器节能控制器设计了两种供电电路。当环境太阳能较强时，太阳能收集板的输出电流是不存在较大浮动的，此时供电电路应为控制器提供正向偏压，如图2所示。当环境太阳能较弱时，则需要增强供电电路对太阳能收集板输出电流的敏感性，如图3所示。

由图2、图3可知，供电电路中的R代表外接功能电路的总负载，由于该负载值并不确定，故用虚线描述；D是PN结型光电二极管，这种二极管的响应时间非常短，可实现太阳光能量的吸收以及传感器射频传输等过程。并具有非常强的光电转化性能，可对太阳光的能量转化进行合理优化；U是供电电路的输出端；R0和R1的作用是增强供电电路对太阳能收集板输出电流的敏感性，这两个负载的阻值为一大一小，将二者串联并使其中之一与PN结型光电二极管进行并联，对供电电路输出值的影响非常小，可忽略不计。

1.3 太阳光传感器芯片设计

太阳光传感器是一种不受地域经纬度限制、可对太阳运行轨迹和辐射光强进行精确感应的特效传感器。光伏发电中的传感器节能控制器选择的太阳光传感器芯片是TSL2678，该芯片的能耗低、传感效率高且量程宽，能够对60 Hz以下的太阳光波动进行自动修正，比较适合应用于光伏发电中。图4描述的是TSL2678芯片结构图。

由图4可知，波动幅值小于60 Hz的太阳光光强可作为锁定事件输入到太阳光传感器的TSL2678芯片中进行参数提取。高于60 Hz 波动幅值的太阳光光强，将先经由供电电路进行能量转化，优化成锁定事件后再输入TSL2678芯片。积分模/数转换器先将太阳光参数转换成数字信号形式，再实现太阳光传感器对太阳光最佳采集位置和该位置太阳光光强的精准输出。

2 光伏发电中的传感器节能控制器软件设计

所提光伏发电中的传感器节能控制器的节能控制流程，如图5所示。

由图5可知，为了增强光伏发电中太阳能与电能间的能量转化率，进而实现光伏发电中的传感器节能控制器的节能控制，本文使用nRF905无线通信芯片对整个节能控制流程进行监控。供电电路初始化后，nRF905无线通信芯片帮助搜索通信数据中需要进行能量转化的太阳光光强，经由供电电路实现能量优化。此后，nRF905无线通信芯片对太阳光传感器进行唤醒，利用其中的TSL2678芯片计算出太阳光最佳采集位置和该位置的太阳光光强。管理人员将参考该输出结果，对光伏发电中的传感器节能控制器进行调整与维护。

3 实验结果分析

3.1 实验准备

现对某省级光伏发电站进行仿真实验，分析本文所设计的控制器是否拥有较短的网络延迟和较好的节能效果。实验中与本文控制器进行对比的控制器有：双层储能传感器节能控制器和基于电容和单片机的传感器节能控制器。实验对2016年4―6月的实验光伏发电站各项参数进行仿真，实验光伏发电站2014年和2015年的同期实际发电量如表1所示。

3.2 控制器网络延迟分析

在实验光伏电网中，不同月份的网络延迟限制标准也不同，本文控制器、双层储能传感器节能控制器和基于电容和单片机的传感器节能控制器的网络延迟实验结果如图6～图8所示。

由图6～图8可知，光伏电网给出的4―6月网络延迟限制标准均为直线，直线的下方区域表示网络延迟标准范围。双层储能传感器节能控制器和基于电容和单片机的传感器节能控制器的网络延迟曲线均有超出标准范围的现象出现，而本文控制器的网络延迟曲线始终处于网络延迟限制标准直线的下方，证明本文控制器的网络延迟较短。

3.3 控制器节能效果分析

表2描述的是在三个控制器的节能控制下，实验光伏发电站在4―6月的发电量。

对比表1、表2可知，本文控制器产生的发电量最高，每月可平均节约实验光伏发电站约740.50 kW・h的煤炭发电量，可有效减少燃烧煤炭产生的二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放，证明本文控制器节能效果较好。

4 结 论

本文设计一种新型光伏发电中的传感器节能控制器，其以调整光伏发电中太阳能采集位置为节能方案，增强光伏发电中太阳能与电能间的能量转化率，实现节能控制。所设计的控制器拥有高水平的能量转化供电电路，可提高传感器的储能性能、为控制器合理供电。并通过选择合理的无线通信芯片和太阳光传感器芯片，使设计初衷得以实现。本文在某省级光伏发电站进行仿真实验，验证了本文控制器拥有较短的网络延迟和较好的能效果。

参考文献

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篇8

关键词：风光互补；工作原理；技术结构

中图分类号：TM923.34 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01

一、风光互补的概念及技术原理

风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能单晶硅电池板、风力发电机将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。

二、风光互补的技术构成

（一）发电部分：由1台风力发电机和太阳能电池板组成，完成风-电；光-电的转换，作。

（二）蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。

（三）风光互补控制器：集光控亮灯，时控关灯，自动功率跟踪，自动泄荷，过充过放保护功能于一体，对负载进行全方面的控制。

（4）负载部分：本项目由于未使用逆变器，所以直接使用直流LED照明灯作为负载。

三、风光互补控制器

（一）风光互补控制器的概述。风光互补控制器是专门为风能、太阳能发电系统设计的；集风能控制、太阳能于一体的智能型控制器。充分利用风能和光能资源发电，可减少采用单一能源可能造成的电力供应不足或不平衡的情况。设备不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池板所发出的电能对蓄电池进行充电，而且还提供了强大的控制功能。集光控亮灯，时控关灯，自动功率跟踪，自动泄荷，过充过放保护功能于一身，性能稳定可靠。

（二）风光互补控制器的特点及功能

1.风光互补控制器的主要功能

（1）白天对太阳能电池板的电压和电流进行检测太阳能电池板最大输出功率点，使太阳能电池板以最大输出功率给蓄电池充电，并控制太阳能电池对蓄电池进行充电的方式；（2）控制光电互补自动转换，晚上控制蓄电池放电，驱动LED负载照明；（3）对蓄电池实行过放电保护、过充电保护、短路保护、反接保护和极性保护；（4）控制LED灯的开关，通过对外环境监测，可以控制LED灯开灯、关灯时间。

（三）风光互补路灯控制器的结构图

（四）风光互补控制器的工作原理。在风光互补LED照明系统中，控制器主要包括风电控制单元、光电控制单元和蓄电池充放电控制单元三部分。控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化、蓄电池的充电状况来控制风力发电机组、太阳能电池阵列的运行方式和开断情况，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，一方面把调整后的电能直接送往直流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，从而保证负载的正常供电以及系统各个部分的安全运行和整个系统工作的连续性和稳定性。

控制器是由一些电子元器件组成，如电阻、电容、半导体器件、继电器等组成。简单地说，控制器就是一个“开关”。对于风力发电部分，当风力发电机发出的交流电经整流后，如蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，风力发电机向蓄电池充电，当蓄电池电匪上升达到保护电压时，充电控制开关电路截止，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充电。但是，根据蓄电池的充电特性，这时，蓄电池电压会慢慢下降，为防止蓄电池充电不足，当其电压下降到一定值时，充电控制开关导通，对蓄电池进行自动补充充电，该状态一直保持到下一次充电保护为止。

控制电路是指控制主电路的控制回路，通常包括检测电路、驱动电路和保护电路等。本项目的设计是选择PIC16F877A单片机作为控制芯片，由于其计算速度等性能比普通单片机高，且价格比高级信号处理器（DSP）低，所以得到广泛应用。PIC16F877A具有以下功能和特点：

（1）属于精简指令集（RISC）的计算机结构，只有35个汇编语言指令，且每一条指令都固定为14位长；（2）采用哈佛总线结构，它的程序存储器、数据存储器以及堆栈可以灵活设计；（3）工作频率范围为DC～20MHz，具有上电复位和掉电锁定复位两种重置功能；（4）3个定时器（Timer），除了具有最基本的定时器功能外，还有捕捉、比较、产生PWM信号等功能；（5）12个外部中断源，共享一个中断向量（位于程序存储器的004H处）；（6）RS232串行通信接口；（7）8个8位模拟数字转换器（A/D）；（8）采用Flash程序存储器芯片，产品可以多次编程，可以随意擦写芯片程序；（9）I/O端口驱动负载能力较强，输出引脚可以驱动20～50mA的负载。

此外，PIC16F877A单片机还有外接电路简洁、驱动能力强、寻址空间设计简洁、代码压风光互补控制器需要对太阳能电池板输出电压、风力发电机整流输出电压、蓄电池端电压、光伏充电电流和风力发电充电电流等进行实时检测，才能实现控制功能。

风光互补路灯控制器利用太阳能电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或光电板周围光照较低时，蓄电池通过控制器向光源供电，通过设定一定的时间后切断。

四、结束语

本论文着重讲述了介绍了风光互补LED灯照明系统，该系统是利用太阳能单晶硅电池、风力发电机将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。本设计为相应的系统设计提供了思路。

参考文献：

[1]黄璜，罗传仙.风光互补照明系统浅析[J].中国科技信息，2010，08.

[2]王宇.风光互补发电控制系统的研究与开发[D].天津大学，2004.

[3]王鹏鹏.风光互补LED路灯控制系统的设计[D].武汉科技大学，2012.

篇9

关键词：风力发电，太阳能，水泵，PWM

 

1引言

目前一些内蒙古以及西北部边远地区部分农牧区仍然处于无电状态，人畜生活用水及农田灌溉大面积耕种灌溉用水成为亟待需要解决的难题。针对该问题设计出基于能量匹配的风光互补发电抽水智能控制器。

2风光互补发电抽水系统硬件结构

独立运行风光互补发电系统由风力发电机、光伏阵列、卸荷器、控制器、蓄电池组、逆变器、及大小水泵等组成，如图1所示。

其运行机理如下:风力发电机三相整流电经不可控三相整流器变成单相直流

图1系统总体结构图

Fig.1 The whole structure of control system

电，并经DC/DC变换器实现最大功率跟踪；光电池的单相直流电通过DC/DC变换器实现功率跟踪。

二者皆通过控制器控制而接入直流母然后给蓄电池供电；蓄电池连接在直流母线上，当风力发电机和光伏阵列输出的电能除供给负载还有剩余时，蓄电池将这些电能储存；当风力发电机和光伏电池输出电能不足以满足负载要求时，则由蓄电池向其供电。从而实现了最大化利用能量来抽水。科技论文，太阳能。该控制器已经过了试验。取得了很好的效果。

2.1风力发电机控制部分

风力发电机在此选的是5KW的三相永磁同步发电机。具体风力发电机控制模块部分电路如图2所示。

风力发电机模块电路是将风机输出的三相电分别接入四部分。一部分是直接接入手动刹车空气开关；另两部分别是接入三相不可控整流桥；最后一部分是接入卸荷器。科技论文，太阳能。这两路接三相整流桥的作用分别是： 一路三相桥是对风机电压进行实时检测，另一路则是将整流后的两相电直接接入DC/DC变换器，然后通过单向导通二极管

和充电模式选择器流入蓄电池。风机控制部分有三个PWM控制端：DC/DC端的PWM控制主要是通过检测风机电压的大小来改变脉宽，从而来实现风机的最大功率跟踪。

2.2蓄电池控制部分

在这里该蓄电池选的是阀控式铅酸蓄电池，电压是12v，容量是200Ah，总共9块。蓄电池充电模式选择器，如图4所示，这里主要采用的是PWM充电方式，具体分为三个阶段来实现，第一阶段即是PWM输出占空比为100%，即晶闸管完全导通，此时蓄电池处于大电流灌充阶段。第二阶段是PWM输出占空比为50%，即一半时间是导通，此时蓄电池处于小电流

充电阶段。科技论文，太阳能。第三阶段是PWM输出占空比为20%，即只有四分之一的时间导通，此时蓄电池处于浮充状态。

2.3卸荷器控制部分

卸荷器选用的是7.5KW卸荷器，这里采用的是交流无级卸荷，利用三角形接法。

2.4太阳能光电板控制部分

太阳能电池板功率这里选用的是720W。科技论文，太阳能。由9块80W的太阳能板串联而成。

太阳能板模块的控制是将太阳能板输出的正负端分别接入两路。一路直接接入控制器对太阳能输出电压进行实时检测。 另一路则接入DC/DC变换模块，在经单向导通二极管，电流检测端，充电模式选择器进入蓄电池。

2.5水泵控制部分

在本次试验中选定水泵分别是500W，扬程35m的深井潜水泵和1.1KW扬程45m的深井潜水泵。

在这里水泵的工作主要是根据不同的风速和太阳能光照强弱来切换工作，分为四种情况来切换工作。

（1）无风，有太阳；

太阳能功率足够大，启动小水泵；

（2）有风，有太阳；

<<时，启动小水泵；

<<+时，启动大水泵；

<时，同时启动小水泵和大水泵。

（3）有风，无太阳；

<<时，启动小水泵；

<<+时，启动大水泵；

<时，同时启动小水泵和大水泵。

（4）无风，无太阳；

根据实际需要用水量来选择水泵，可通过手动模式来选择所需水泵。科技论文，太阳能。

3结论

本文介绍的风光互补发电抽水控制系统已经在内蒙古四子王旗进行了试验，取得了很好的效果。目前针对的是5kw风力发电机，和720w太阳能板。科技论文，太阳能。随着日后家用电器大功率化，还可以选用更大功率的风力发电机、太阳能板、逆变器以及蓄电池。。从而来提高整套系统的功率。

[参考文献]

[1]艾彬,小型户用风光互补发电系统匹配的计算机辅助设计[D]呼和浩特：内蒙古大学理工学院硕士论文．2000

[2]李忠实，风光互补发电控制系统不同负载对蓄电池控制电压的影响[J]天津大学，2005

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【关键词】：太阳能；光伏发电；控制系统

1、导言

能源问题一直受到社会的普遍关注，因为这不仅关系到社会的发展，还对于自然环境产生重大的影响。而太阳能作为一种可再生的清洁能源，随着科学技术的发展，越来越得到广泛的运用，太阳能资源不但可以取代部分常规能源，可以预见的是太阳能资源将在世界能源消费结构中获得越来越重要的位置，并在将来成为世界能源的主要供应方。

2、光伏发电原理叙述

太阳能资源是一种清洁能源，光伏发电技术不受地域限制，能够大规模使用，可以独立发电或联合发电。光伏发电技术的主要原理是光生伏特效原理，运用这一原理，以太阳能电池为载体，将太阳光直接转化为电能。太阳光照耀半导体材料达到一定的时间长度后，光能输入到电池，再经由电池转化为电能。它的产生主要有两个进程，分别是光波转换为电子、光能量转换为电能量的进程和形成电压的进程，电压的形成是电路回流形成的前提。

3、对于太阳能光伏发电系统有效控制的措施

3.1 对太阳能电池组件合理配置

目前多采用太阳能电池组件一般为单晶和多晶硅太阳能电池。其基本上由钢化玻璃、TPT等材料热压密封制成，具有坚固、抗寒、耐高温、安装简便等优点。在太阳能电池组件内部封装了多个电池单元，电池单元经过串联/并联后能有效提供电池组件的输出电流和电压，便于实际使用，目前普遍采用60或72片封装。

3.2 正确选择太阳能光伏控制器

在太阳能光伏发电的控制器选择中，要根据系统电压的等级来进行选择，同时还需要详细计算发电系统的容量以及组件串的并联数量，来确定控制器的控制方式。例如，直流路灯的光源是30V，那么控制器应该选择30V。对于控制器是否具有蓄电池放电控制功能，这是根据负载特点来决定。对于用户的其他需求而设置的一些功能，则需要根据相关的控制器产品型号经过比较来选择。

3.3 最大功率点的监测

众所周知，光伏发电系统受到太阳的光照强度以及周围温度的影响，导致电力输出的变化很大，所以需要根据太阳能电池所能产生的电能输出功率，找到最大功率的转化效率，即最大功率点后，就可以在实践中对太阳能发电更好地进行利用。目前对于最大功率点的监测方法就是利用恒压跟踪法以及自适应算法等多种方法，有效监测出太阳能光伏电池的输出功率变化与阳光强度以及温度的关系，找到功率输出最大时的电压。

3.4 对蓄电池电压的有效控制

在整个太阳能光伏发电系统中，要想进行有效的控制主要就是对充电器和逆变器的控制。控制器要负责对整个发电系统的最大功率点进行监测，使得整个系统发挥到最大的功效，并且还要对蓄电池的充放电进行有效调节，防止蓄电池过度充电以及快速放电而受到损害，影响使用寿命。目前对于蓄电池的电压检测一般对于整个充电系统的外环电压进行监测，采用在线式电压检测方法，当监测的电压结果达到最大值的时候就证明电池已经充满。由于蓄电池端电压在充电停止后电压会出现变化，不能发挥最大功效，所以需要采用一种离线式的检测方法。同时，对于蓄电池的自放电问题，可以采取设置放电自锁功能进行有效应对。在具体的运用中就是利用集成运算电路的电压反馈特性。当达到下限电压，出现信号反馈到下限自锁功能的时候就会出现自动关闭，停止放电。当蓄电池充满后，就可以重新将蓄电池打开，继续供电，这样就可以确保蓄电池的高效运行。

3.5 对逆变器的合理选择

在整个太阳能光伏发电系统中，逆变器作为一个不可或缺的部件，也会需要消耗一定的电能来维持自身的运行。因此，它的输入功率要比输出功率大，所以对于整个逆变器的效率而言，就是输入功率与输出功率之间的比较。在整个发电系统中，逆变器就是需要将太阳能的直流电转化为交流电，对于太阳能电池的效率发挥具有关键的作用，所以要想对于太阳能发电系统进行高效运行，就必须要选择高效率的逆变器，确保整个太阳能光伏发电系统发挥到最佳状态。一般情况下，逆变器还具有自动调压和手动调压等功能，可以在具体的运行过程中进行有效的调节，确保光伏发电的供电效率。

3.6 进行有效的并网发电控制

光伏逆变器能够将电池组件发出的直流电逆变为与电网频率相同，满足电网电能质量要求的交流电，从而让光伏发电系统能与公共电网连接。但是由于太阳能光伏发电系统具有一定的独立性，当国家电网需要维护和检修的过程时，就会处于断电状态，而这时如果太阳能发电系统依然处于运行状态，就会形成孤岛效应。这就容易对维修保养的工作人员先造成危害，而且也会因自身的负载过大，导致电力和电压的不稳定，损害整个太阳能发电系统。对于这个问题，为了对光伏发电系统进行有效控制，就需要在逆变器具备有自动侦测功能，即防孤岛保护。一般这种侦测分为主动和被动两类，主动侦测就是逆变器主动释放一个信号，观察电网是否正常运行；被动检测就是当电网的功率和电压出现异常情况，而导致光伏发电系统的电压、相位等情况发生改变，而做出的判断。同时还有一种特殊的情况，就是国家电网突然跳闸断电，也会对太阳能发电系统产生较大的影响，一般这种情况比较少见，但是也需要注意监测。

结论

综上所述，与发达国家相比，我国太阳能光伏发电还有很多需要完善的地方，需要政府及相关部门予以政策和资金上的支持，以保证新能源和可再生能源得以良好地发展。相关能源工作人员做好本职工作，在实践中不断进步，推动我国光伏发电产业朝着健康、有序、蓬勃的方向发展。未来将逐渐扩大其应用领域，提高我国太阳能装机容量的复合增长率，借助太阳能光伏发电产业的发展推动我国经济发展，从而提高我国的国际竞争力和综合国力。

【参考文献】：

[1] 冯孝.浅析太阳能光伏发电技术及其应用[J].建筑工程技术与设计，2015，19（30）.