霍爾電流傳感器之太陽能電池的輸出電流測量的分析

可再生能源太陽能發(fā)電可分為太陽能光發(fā)電(又稱光伏)和太陽能熱發(fā)電兩大類，后者由于技術(shù)比較復(fù)雜，只能用于比較大的容量，應(yīng)用受到一定限制，所以目前實際應(yīng)用較少。太陽能光發(fā)電具有取之不盡，用之不竭，無污染等諸多優(yōu)點，已成為人類尋求新能源的熱點。但同時又存在應(yīng)用間歇性，發(fā)電量與氣候條件有關(guān)的缺點。因此，為提高太陽能電池的利用率，實時監(jiān)控發(fā)電量是很有必要的，可以及早發(fā)現(xiàn)太陽能電池工作中出現(xiàn)的異常情況。這里提出了一種太陽能電池發(fā)電量實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)利用AT89S52單片機控制，采用霍爾電流傳感器對太陽能電池的輸出電流測量，其突出優(yōu)點是可以在幾乎不消耗能量情況下，將電流轉(zhuǎn)換為電壓進行測量。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路如圖1所示，主要由太陽能電池組、霍爾電流傳感器組成的，I/U轉(zhuǎn)換電路、液晶1602組成的顯示裝置、AT89S52單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)，以及鉛酸蓄電池構(gòu)成的儲能系統(tǒng)5部分組成。其工作過程：太陽能電池接收光照時，產(chǎn)生電流，對蓄電池充電，單片機通過穩(wěn)壓裝置由蓄電池提供驅(qū)動電壓，對太陽能電池產(chǎn)生的電量進行實時信號采集。由于單片機只能接收電壓信號，所以在信號接收前由I/U、U/U轉(zhuǎn)換模塊將信號調(diào)至合適的電壓。經(jīng)內(nèi)部運算處理，結(jié)果送1602液晶顯示裝置顯示電池發(fā)電量。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

當(dāng)模擬信號輸入單片機后需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由于需要同時測量太陽能電池輸出電壓和電流，故采用ADC0832是8位串行雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換精度要依賴于有高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)參考電壓，參考電壓設(shè)定為5 V，由TL431產(chǎn)生。模擬信號經(jīng)過RC濾波送入AD輸入端，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后串行輸出。

1.2 I/U轉(zhuǎn)換模塊

因單片機I/O接口只能接收0～5 V的電壓信號，實時采集太陽能電池輸出電流需要將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于本系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的輔助設(shè)備，盡可能降低能量消耗是首要問題。由此霍爾電流傳感器成為首選，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理進行工作，可在幾乎不消耗能量的情況下將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。本系統(tǒng)采用TBCl0SY型霍爾電流傳感器，額定輸出電壓為(±4±0.5%)V，±15 V雙電源供電，測量電流范圍為O～15 A，基本滿足小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。

1.3 電源設(shè)計

單片機正常運行需要為片內(nèi)的晶體管或場效應(yīng)管供給電源，使其工作在相應(yīng)狀態(tài)。AT89S52需要一個5 V電源(實際工作電壓為3.6～6.0 V)?？捎谜?、穩(wěn)壓方式供電，獲得4.5 V左右的電壓，因本系統(tǒng)為獨立發(fā)電，且長期使用，考慮到電源壽命，該裝置由市電或干電池提供驅(qū)動電源不符合實際，所以最佳方案應(yīng)該由系統(tǒng)內(nèi)部太陽能電池的蓄電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓集成塊7805穩(wěn)壓為5 V，輸入單片機Vcc引腳，驅(qū)動單片機及液晶顯示裝置。TBCl0SY霍爾電流傳感器，需±15 V雙電源供電，同樣采用系統(tǒng)內(nèi)的蓄電池供電.經(jīng)穩(wěn)壓集成塊7805、7915穩(wěn)壓在±15 V，從而驅(qū)動其工作。

1.4 輸出顯示模塊

電量計算公式為Q=UIT，其中時間T可根據(jù)需要在軟件編程時自行確定，如每隔3 min采樣一次，經(jīng)內(nèi)部運算后送1602液晶顯示發(fā)電量。為了節(jié)約電能，通過設(shè)置繼電器，使液晶顯示器顯示10 s后自動熄滅。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由單片機完成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制顯示，整個軟件系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化思想，其測量和顯示程序流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)測試分析

以200 W的小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)為例，額定電壓24 V，最大電流6.18 A，蓄電池200 Ah。設(shè)計正常放電時間為2～3 d，0～6.18 A的電流按比例轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓，由2只電阻構(gòu)成的衰減器，輸出電壓放大比例由電阻R1和R2的比值決定，設(shè)定U/U轉(zhuǎn)換比例為5/24，則R7=10 kΩ，R6+Rp2=48 kΩ。根據(jù)電量計算公式Q=UIT，實驗時間為中午12時至下午2時，從顯示電量開始，每隔3 min記錄一次實際功率和監(jiān)控系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)，各次誤差均小于3%，表l給出初始的10次測量誤差情況，隨電量逐漸增大，誤差變化范圍逐漸縮小。

4 結(jié)論

由AT89S52單片機、霍爾電流傳感器以及1602液晶等構(gòu)成的太陽能電池發(fā)電量的實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、免維護、耗電量小并能有效地實時監(jiān)控太陽能電池的發(fā)電量，及早發(fā)現(xiàn)太陽能電池工作中出現(xiàn)的異常情況。該系統(tǒng)設(shè)計作為光伏系統(tǒng)的輔助部件適用于小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，同時該系統(tǒng)裝置器件壽命較長，耐用可靠，使其在離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。