太陽能控制器范文

導語：如何才能寫好一篇太陽能控制器，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：太陽能；跟蹤；光敏電阻；單片機；步進電機

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 08-0000-01

一、太陽能自動跟蹤系統總體設計

（一）光源檢測方案的確定

1.視日運動軌跡跟蹤

不論是采用極軸坐標系統還是地平坐標系統，太陽運行的位置變化都是可以預測的，通過數學上對太陽軌跡的預測可完成對日跟蹤。

在設定跟蹤地點和基準零點后，控制系統會按照太陽的地平坐標公式自動運算太陽的高度角和方位角。然后控制系統根據太陽軌跡每分鐘的角度變化發送驅動信號，實現跟蹤裝置兩維轉動的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準零點。

優點：精度高，不受環境因素影響，但是不同地區需要設置不同的初始值，。

缺點：系統復雜，但是不同地區需要設置不同的初始值，太過于復雜。

2.光電跟蹤

光線在同種均勻介質中沿直線傳播，不能穿過不透明物體而形成的較暗區域，形成的投影就是常說的影子，地球每天不停的自轉，同時它要圍繞太陽作公轉，因此，地球和太陽的相對位置是在不停的變化，太陽光照射在地球上的影子也隨之變化。因此，如果在地球上的某個位置放置一個不同透光的物體，那么，這個物體在太陽光的照射下就會產生影子，而這個影子的長度也會隨太陽和地球空間位置的相對變化而產生變化。

我們將影子的變化轉換為電壓的變化，并且通過調節機械部分來調節影子的變化從而達到調節電壓的變化達到我們的目的，這樣也可以構成一個閉環系統。這樣一來我們就考慮用光敏行性器件來檢測太陽的變化從而實現光電跟蹤。

優點：成本低，思路簡單，容易實現。

缺點：容易受陰天雨天的影響。

3.采集傳感器的選擇

方案一：采用光敏電阻作為軌跡的采集器件。光敏電阻的值能隨光強的變化而變化，光敏電阻的測量靈敏度較高。

方案二：采用高靈敏度的光敏二極管作為軌跡的的采集器件。光敏二極管產生的電流小，靈敏度較低，響應速度較慢。

方案三：光敏三極管靈敏度高，但是容易達到飽和區，影響檢測。綜合考慮，為了提高系統的靈敏度，我們選擇第一種方案。

二、控制器部分

（一）單片機的選擇

因為檢測電路得到的信號為模擬信號，為了電路的簡化，我們選用帶有模數轉換的單片機，在設計中我選擇了STC12C5410AD單片機，STC12C5410系列單片機是單時鐘/機器周期（1T）的兼容8051內核單片機，是高速/低功耗的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051。8路高速10位A/D轉換。工作電壓：5.5V～3.8V（5V單片機），工作頻率范圍：0～35MHz，用戶應用程序空間10K字節，E2PROM功能。

運用STC12C5410AD單片機的輸入/輸出接口P1.0定時采集差動運算放大電壓信號環用P1.1采集環境光強電壓信號和，分別將這些數據存儲于數據存儲器中，在程序中會用到。STC12C5410AD單片機片內的時鐘產生方式采用的是內部時鐘方式，即在XLAT1和XLAT2兩引腳間外接石英晶體和電容構成一個自激振蕩器，從而向內部時鐘電路提供振蕩時鐘。震蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.2～12MHz之間任選。通過改變電容C1、C2的值進行微調，通常取30pF左右。本設計中晶體的振蕩頻率取11.0592MHz，電容的值取30pF。

控制部分是最核心的部分，控制部分是要將采集信號部分和可控制電機部分相連接的部分。

（二）A/D轉換程序的設計

因為太陽能電池板和太樣垂直后，電機停止轉動，而太陽還在運動這樣就會使采集信號發生變化，如果立即進行更正，電機就需要轉動，這樣一來電機頻繁的轉動，一方面能量損耗較大另一方面會影響電機的壽命和機械部分的壽命。所以允許有一定的誤差，這樣能保證系統正常的工作，也能提高電機和機械部分的壽命。

太陽能電池板和太陽垂直時，差動運放電路的輸出的電壓是2.5V，經過實際實驗，當太陽能電池板和太陽光線夾角超過2度是，電壓變化是0.2V，這樣一來我們就可以設置一個范圍，當電壓值大于2.7V是電機正傳，當電壓小于2.3V時，電機反轉，當電壓小于2.7大于2.3是電機不轉，延時后在進行判斷。帶有模數轉換的單片機將0V到5V電壓進行轉換為0―255，這樣一來我們只需將轉換的數字量與不同電壓范圍對應的數字量進行比較就可以實現自動跟蹤。

其中延時程序一是因為在黑夜有外部光源影響，系統判斷失誤使太陽能電池板轉動，但是當影響光源消失后系統又自動復位，這樣會減少系統壽命和浪費能量，所以當光強達設定的閥值上限后，延時2分鐘，判斷光強是否還在閥值上限，如果在那么可以認定天亮了，在這以后再讓系統工作就可以更合理。

設定延時程序二是因為當太陽能電池板調整的和太陽管線垂直后，為了使電機不過于頻繁的工作而設定的，因為太陽相對于地面1小時轉動15度，也就是4分鐘轉一度，所以延時1分鐘，和上邊的2分鐘一起共3分中檢測一次，這樣可以保證盡量的去掉非太陽光的光源影響，太陽落山后，光強低于閥值，延時后系統給步進電機固定的脈沖，是系統緩慢的復位，這樣可以使系統更佳合理的運行。

（三）控制步進電機電路

以太陽能電池板為例，固定形式的太陽能電池板一天7小時的發電量為1200W左右，其他形式可轉動的發電裝置一天的發電量可以達到1600W，提高了30%，所以太陽能跟蹤控制器設計在太陽能利用方面有很大的前景。

四、結語

本文設計了基于單片機的太陽照射角度的自動跟蹤系統，該系統能夠實現對太陽的雙向跟蹤（東西向、南北向）。

參考文獻：

[1]李申生.太陽能[M].北京：人民教育出版社，1988：12-14.

[2]王炳忠.太陽能―未來能源之星[M].北京：高教出版社，1990：20-21.

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【關鍵詞】太陽能;控制器;顯示;檢測;水位

引言

太陽能屬于潔凈可再生能源，應用太陽能實現水的加熱應用于工農業生產以及日常生活中都具有重要的應用。實現加熱以及水位的自動控制是太陽能應用領域需要解決的關鍵技術問題。

由P89LPC936優異的控制能力，結合水溫水位的檢測以及基于HT1621B的良好顯示設計的新型太陽能控制器各項性能指標良好，符合應用的要求。

1.控制系統硬件電路設計

太陽能控制器由水溫水位檢測裝置、P89LPC936控制單元、LCD顯示單元以及報警裝置、控制輸入裝置等功能單元構成。系統設計遵循了模塊化的設計思路，各個功能電路都采用新型芯片實現，有效提升了功能電路的穩定性以及可靠性。

1.1 系統控制單元

系統控制單元采用的P89LPC936是一款單片封裝的微控制器，使用低成本的封裝形式。它采用了高性能的處理器結構，指令執行時間只需2到4個時鐘周期。6倍于標準80C51器件。P89LPC933/934/935/936集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目和電路板面積并降低系統的成本。應用P89LPC936進行設計對于有效提升太陽能控制器的智能化水平，同時也能夠有效地降低電路的硬件成本并提升系統的穩定性與可靠性。

1.2 溫度與水位采集電路

溫度的采集系統設計中采用了OMEGA? Nextel陶瓷絕緣熱電偶，本溫度檢測器件簡單易用的精密溫度測量元件，同時也是按照行業最高標準制造的。為了進一步提升溫度測量的精度，系統中同時采用了電橋電路，實現了控制器對于水溫的精確測量。對于水位的測量，系統采用了非接觸式的超聲波水位測量的方案，在設計中對于超聲波水位測量實現無節測量以及測量傳感器的線性度進行了測試，在設計中對于水位傳感器的懸掛彈簧進行了改裝測試，太陽能控制器的水位檢測傳感器的線性度的得到了有效的提升。水位檢測傳感裝置的檢測效果如圖1所示。

圖1 水位檢測傳感裝置的檢測效果圖

1.3 LCD顯示單元

與LED相比LCD具有顯示內容豐富、顯示穩定、功耗極低等方面的優勢，由于本項目中LCD需要顯示的內容較為復雜，單片機無法實現直接驅動，因此在LCD顯示電路中采用了HT1621B作為顯示控制單元，HT1621是128點內存映象和多功能的LCD驅動器，多樣化的的軟件配置特性使它適用于多種LCD應用場合，能夠實現對于模塊以及子系統的正確顯示?；贖T1621太陽能控制器的顯示電路如圖2所示。

圖2 基于HT1621太陽能控制器的顯示電路

1.4 報警電路以及其他

太陽能控制器綜合采用了聲光報警裝置，對于水位以及水溫的狀況實現實時檢測，并在達到閾值時進行報警。同時系統具有工作狀態以及工作模式設置輸入，可以設置系統的工作狀態以及相應的閾值等。

2.控制程序的編寫

太陽能控制器采用了C語言程序進行控制指令的編寫，由于在P89LPC936單片機性能優越，存儲空間以及運算性能都很突出，因此采用結構化以及可移植性較高的C言語進行程序的編寫有利于程序的調試以及功能的實現。系統程序分為水位檢測控制程序、水溫控制程序等多個程序功能模塊，程序編寫過程中對于例子程序的大量運用對于優化程序結構，提升程序的執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） //鍵盤中斷初始化

{P0M1 = 0x80; //P0.7作為輸入口，用來計數 溫度頻率

P0M2 = 0x00; //P0.0～P0.6作為雙向IO口 P0.7作為計數器用

KBPATN = 0x0F; //低4位接按鍵

KBCON = 0x00; //設置為不相等 按鍵按下為0，產生中斷

KBMASK = 0x0F; //低4位 開中斷

EKBI = 1; //鍵盤中斷使能 }

vid KeyIint（void） //置1，做為輸入口，以便準確讀取輸入口狀態...........

3.產品的綜合設計

在完成太陽能控制器硬件電路以及控制程序編寫的基礎上，應用仿真軟件對于電路的性能以及程序的工作效果進行了檢測。系統各個方面的性能都符合預先設定的指標。最后需要進行太陽能控制器線路板的設計。在線路板的設計過程中，要能夠充分考慮到以下幾個方面的內容，首先是線路板的正確性，要能夠保證線路板滿足器件安裝的基本需求，線路板焊盤之間的連接與電路圖的電氣連接關系一致;同時要考慮到電路板的性能要能夠兼顧電路板的工藝性，保證元器件合理的布局以及銅線的結構化布線，通過手工布線的方式，完成的太陽能控制器的PCB如圖3所示。

圖3 太陽能控制器PCB

4.結論

太陽能控制器通過P89LPC936作為主控單元，對于太陽能使用中的水位以及水溫等重要參數進行測量，通過LCD對于檢測的內容進行顯示，同時產品的功能以及工作模式可以根據實際需要進行調節，產品設計程序符合控制要求，電路功能滿足設計的需求。太陽能控制器在實際生產以及生活中具有重要的應用。

參考文獻

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[3]焦冰.基于ARM 的超聲波位計的研制[D].南京：南京信息工程大學，2008.

[4]宮風順，程振來，潘志剛，王玉龍，王品卿.液位計檢定裝置的研究[J].中國計量，2005（03）.

[5]李震，洪添勝，黃偉鋒等諧振式液位傳感器在噴霧機藥液箱液位檢測中的應用[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2007（35）.

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【關鍵詞】太陽能熱水器控制器;單片機;水溫水位一體化傳感器;繼電器;電磁閥

0 引言

太陽能作為綠色能源尤其在太陽能熱水器中的應用深得廣大用戶的好評。但與之配套的太陽能熱水器的控制器存在諸多的問題尤其在水溫水位一體化傳感器工藝的設計、防雷擊、漏電和過熱保護上影響了其推廣和使用。本文就以上太陽能熱水器控制器存在的問題進行了研究，并提出了切實有效的解決方案。設計制作的太陽能熱水器的控制板如圖1所示。

圖1 太陽能熱水器控制板

1 太陽能熱水器控制器的硬件組成

太陽能熱水器控制器硬件系統組成框圖如圖2所示，它以新型單片機STC12C5A60S2為控制核心，外接功能按鍵電路、水位水溫一體化傳感器、漏電過熱保護電路、電磁閥繼電器電流驅動電路、報警蜂鳴器、LED數碼管顯示電路和系統電源電路等組成。

系統通過水位水溫一體化傳感器將水箱的水位和水溫參數轉化為單片機能夠識別的電信號，經過軟件算法處理實時將水位和水溫顯示在LED數碼管上，系統首次上電后水箱內的水位不足20%時為了避免干曬和干燒，系統會啟動蜂鳴器報警同時啟

動上水電磁閥進行自動上水，但水位達到100%時自動停止上水，期間用戶也可以通過按鍵進行手動上水;陰雨天氣或者陽光不足時可以手動啟動電輔加熱，當水箱的水溫加熱到用戶的設定溫度時系統自動切斷電輔加熱也可手動隨時停止加熱;秋冬天氣太陽能的上水管極易凍裂系統可以手動啟動管道保溫功能，最大限度的提高太陽能熱水器的使用效率。

圖2 太陽能熱水器控制器硬件系統組成框圖

2系統各功能硬件電路設計

2.1水溫水位傳感器結構原理

水溫水位一體化傳感器結構原理如圖3所示

圖3 水溫水位一體化傳感器

此水位水溫傳感器包括1個10K熱敏電阻、4個色環電阻、橡膠外套和4段不銹鋼彈簧組成。傳感器內的熱敏電阻和控制器內的5K電阻組成一個串聯電路，根據串聯分壓原理，通過A/D轉換單片機即可將水箱內的溫度信息進行采樣并實時顯示和控制。其中熱敏電阻的兩端包裹有高溫導線，此高溫導線貫穿于傳感器的頂端和末端，最大限度的保證采集溫度的準確性。傳感器內的的4個色環電阻和4個不銹鋼彈簧管之間串聯焊接，然后用橡膠包裹固定。其中不銹鋼彈簧主要起到增加水位傳感器的長度的作用，4個色環電阻將水位分成4個檔位，由于包裹在每個檔位處的橡膠是導電的，而檔位以處的橡膠是絕緣的，不同的水位即可等效為不同的電阻，通過震蕩電路即可產生不同的頻率，從而實現了水位的檢測。

2.2水溫水位傳感器測試原理

圖3中的4個檔位不銹鋼彈簧對應的水位等效電阻1、2腳接口與圖4中的1、2接口相連，等效電阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B和C1構成非對稱式多諧震蕩器[1]，經過反向驅動器U1C和濾波電容C2整形后接到單片機的P1_0，單片機通過測量P1_0引腳的方波頻率即可得到水位的位置。

圖4 水溫水位傳感器信號調理電路

電路的震蕩周期由式（1）給出：

T=2.2RFC，= （1）

式中的RF為等效電阻，根據4檔水位對應的不同

等效電阻得到不同的信號頻率如表1所示：

表1 水位/頻率值變換表

圖3中的10K負溫度系數的熱敏電阻與圖4中5K電阻R4串聯分壓后經C3濾波后接到單片機的P1_1（ADC0通道）引腳，通過測量該引腳的水溫電壓對應的ADC值，再通過查表即可獲取水箱內水溫值。

單片機P1_1處的電壓（2）

式2中的R1為10K熱敏電阻的水溫阻值。通常將熱敏電阻的阻值和水溫做成一張表格如表2所示，表格中的每個元素由水溫對應的ADC值和水溫組成存放在單片機的ROM內，當檢測的水溫對應的電壓AD轉換后，通過查表得到對應的水溫。電阻R5、R6、R7為壓敏電阻【2】。避免水溫水位傳感器因遭受雷擊影響電路控制系統的整體壽命。

表2 水溫/電壓ADC變換表

2.3上水電磁閥、電輔加熱和管道保溫繼電器驅動電路設計

圖5 上水、電加熱和水管保溫驅動電路

電加熱、管道保溫繼電器和上水電磁閥的驅動電路如圖5所示，STC12C5A60S2單片機對于繼電器、電磁閥這種大的負載很難驅動，故采用ULN2001A驅動芯片控制電磁閥的線圈通斷電。ULN2001A內部集成3路達林頓電流放大電路，只需用單片機的P1_6和P1_7腳在ULN2001A的輸入管腳1、2、3輸入TTL高電平（5V左右），輸出腳8、7、6即可輸出最大500MA的控制電流足以驅動電加熱和管道保溫繼電器線圈的工作。單片機的P1_5腳輸出高電平通過三極管Q1的飽和導通，即可控制12V的上水電磁閥工作，反之即可關閉上水電磁閥。由于電磁閥線圈關斷瞬間產生反向電動勢，故采用IN4007二極管吸收反向電流從而保護三極管Q1的使用壽命。圖5中的B1、BZ1和BZ3為壓敏電阻，保護上水電磁閥、電加熱和管道保溫繼電器線圈遭受雷擊的損壞。

2.4系統漏電、過熱保護電路設計

圖6 漏電檢測、過熱保護電路

系統保護電路如圖6所示，將電感線圈套裝在220V的交流電源上，然后將線圈的2根引出線接在J4插座上，二極管D11、D12并接在線圈的兩端。電源一當漏電，流過漏電線圈的電流不平衡，線圈將產生感應電壓和電流，通過D11、D12構成續流回路，以免互感線圈二次側開路，產生較高的危險電壓[3]。單片機管腳P1_4檢測經C11、C12、R10濾波后的漏電電壓，一旦漏電發生即可關斷繼電器，切斷電源保護系統和人員的安全。當系統內的溫度超出75℃時，單片機P1_3腳檢測熱敏電阻3470分得的電壓變化，從而切斷系統電源，起到系統過熱保護的作用。

2.5系統電源電路設計

圖7 系統電源電路

系統電源電路如圖7所示，太陽能控制器系統需要的直流電源有+12V，+5V兩種電源，使用變壓器將交流220V轉化為交流12后，接到接口J1上，經過D1、D2、D3、D4全波整流后，得到12V直流電，經7805穩壓后得到5V直流電，電容C1、C2、C3、C4為濾波作用，濾除電源中的高頻和低頻分量保證系統電源的穩定可靠。

2.6按鍵、蜂鳴器及LED顯示接口電路設計

太陽能熱水器控制器系統采用模式選擇、加熱、保溫和上水4個獨立按鍵實現系統的外部輸入功能，按鍵去抖動包括軟件和硬件方法，本系統采用軟件算法實現按鍵去抖處理既可靠又降低了系統的硬件成本。LED顯示采用的8*8點陣原理（共陽）共64只發光二極管實現水位、水溫、時間和特殊功能的顯示，LED顯示尤其注意驅動電流保證每只發光二極管的工作電流在5～10ms，從而保證顯示的亮度。本系統蜂鳴器采用的是脈沖驅動的無源蜂鳴器，一當開機或用戶用水的過程中水位低于20%，便觸發蜂鳴器，實現聲光報警自動上水功能。以上3項子功能電路簡單，原理圖略。

3 系統軟件設計

太陽能熱水器控制器系統采用基于C程序[4]的模塊化結構編程，包括主程序、自動加熱子程序、自動上水子程序、LED數碼管動態掃描子程序和按鍵去抖動算法設計。

按鍵去抖動[5]采用定時器每2ms中斷一次，每次中斷讀取4個按鍵的狀態并存儲起來;連續掃描8次后，看看這連續8次的狀態是否一致，8次按鍵的時間大概是16ms，這16ms內如果按鍵的狀態保持一致，那就確定現在按下的按鍵處于穩定狀態，而非處于抖動階段，從而實現按鍵的去抖動。按鍵從按下到彈起的狀態檢測過程如圖8所示。系統主循環程序根據去抖動后的按鍵值，執行不同的操作，系統主程序流程圖如圖9所示。

圖8 按鍵連續掃描判斷

圖9 主程序流程圖

主程序在檢測顯示水溫水位環節，采用數字濾波處理即連續讀3次，取排序后的中間值為讀取到的水溫水位值，提高系統的抗干擾能力。

4 結束語

本次設計實現的太陽能熱水器控制器系統主要的創新點有：1）采用自制的水溫水位一體化傳感器，檢測效果穩定可靠，成本低廉;2）具有防雷、漏電和過熱保護功能，性價比高較易被用戶接受。該系統將以其安裝操作方便、顯示精度高、穩定可靠等優越性能目前已批量生產，為企業創造了可觀的經濟和社會效益。附PCB控制板如圖10：

圖10 太陽能熱水器控制板PCB

參考文獻：

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[2]牛小玲.太陽能水溫水位控制器設計.實驗技術與管理，2014，31（1）：75-76.

[3]馬敏.太陽能熱水器控制器的設計，河南科學2003，21（2）：225

[4]徐意.單片機技術與應用[M].浙江：浙江大學出版社，2012.

[5]宋雪松.手把手教你學51單片機[M].北京：清華大學出版社，2014.

基金項目：本項目來自浙江省教育廳一般科研項目：新型太陽能熱水器控制儀的應用研究，編號：Y201224827。

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關鍵詞：太陽能；空氣熱能；PLC；溫室加熱；控制系統

前言

設施農業由于環境相對可控，具有高效、優質、高產等特點，在農業發展中占據著越來越重要的地位。而現有的設施農業供暖多采用柴油、煤炭或天然氣等單一的能源燃燒放熱供暖，此方法易污染、不易于實現自動化控制；采用電加熱功耗大、設備成本高。太陽能和空氣能作為清潔、無污染的可再生能源，在日常生活中已廣泛應用，在設施農業供暖中鮮有應用，文章將太陽能與空氣能相結合，通過太陽能真空集熱管、空氣熱泵雙熱源進行熱量收集，以水作為蓄熱介質，依據溫室加熱策略，基于PLC設計開發太陽能-空氣能溫室加熱控制系統，此系統可根據天氣情況、太陽能真空集熱管出水口溫度、保溫水箱內水溫、溫室內空氣溫度自動選擇加熱方式，從而達到充分利用清潔能源，有效節約能源、降低能耗的目的。

1 系統的總體設計

太陽能-空氣能雙熱源溫室加熱系統的工作原理系統圖如圖1所示，系統通過太陽能加熱回路及空氣能加熱回路進行蓄熱介質水的加熱，加熱后的水儲存在陽能加熱回路和空氣能加熱回路共用的保溫水箱中，之后由溫室加熱回路進行溫室內加熱。

2 硬件設計

太陽能空氣能溫室加熱系統的控制系統硬件組成主要包括：PLC可編程控制器、設置在保溫水箱內的溫度傳感、太陽能加熱循環泵、設置在真空集熱管頂端的溫度傳感器、溫室加熱循環泵、設置在溫室內的溫度傳感、熱風管、設置在溫室外部的光照傳感器，PLC可編程控制器與上述各工作元件通過導線連接。分析系統所需I/O點數、可編程控制器的可存儲量、響應速度，及特殊功能擴展等要求，本系統選用三菱FX1N系列FX1N-24MR-001作為核心控制器。作為系統核心控制器。FX1N系列是三菱PLC中功能很強大的PLC，可擴展致128點，結構緊湊，功能模塊配制靈活，可靠性高，在溫室環境控制中應用非常廣泛。具體的I/O點分布如表1所示。

3 軟件設計

為實現不同天氣情況下均能保證溫室加熱系統可靠性工作，其溫室加熱控制策略為：蓄熱過程為白天晴天狀態下，當光照傳感器監測的光照強度大于20000lux，且太陽能真空集熱管上端溫室傳感器監測水的溫室高于45°時，PLC控制器開啟太陽能循環泵，對蓄熱介質水進行循環加熱，保存到保溫水箱中，否則關閉；白天陰天或夜晚狀態下，當保溫水箱溫度低于PLC控制器設置溫度時，PLC控制器控制空氣能熱泵進行蓄熱介質水加熱。溫室加熱過程為當溫室內空氣溫度低于PLC控制器設置的溫度時，PLC控制器控制溫室加熱循環泵工作，進行溫室加熱。

針對上述控制策略由采用三菱GX-DEVELOPER 編程軟件的梯形圖語言進行編寫，流程圖如圖2所示。

4 結束語

文章主要基于PLC開發設計了太陽能-空氣能雙熱源溫室加熱控制系統，并參考溫室加熱策略、天氣情況、太陽能集熱管水溫等多個參數設計開發PLC控制程序。該系統最大限度將太陽能和空氣能結合利用，節約能源、避免了污染并且實現溫室加熱自動化控制，可為溫室加熱系統的設計提供一種參考。

參考文獻

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關鍵詞:太陽能電池-蓄電池;混合動力;能量分配;SOC;仿真分析

中圖分類號:U463文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)10-0136-02

在人類為汽車尋求動力的歷程中,發現太陽能作為新型能源的優勢。太陽能汽車采用太陽能電池陣列收集太陽能并轉化為電能,提供汽車行使所需的能源。但單純用太陽能也有很多限制條件,比如陽光不足、夜間行使等。而采用太陽能電池―蓄電池組合作為汽車發展的主流方向,在太陽能汽車中配有蓄電池,以儲藏多余的能量,備陽光不足時使用。

一、太陽能電池-蓄電池混合動力電動汽車結構

太陽能電池-蓄電池雙能源混合動力電動車結構及驅動模式如圖1所示,它表示了電動機、蓄電池及太陽能電池之間的功率輸入輸出關系。

其中,P1表示太陽能電池輸出給電機的功率,它只能單向傳遞給驅動系統。P2表示太陽能電池輸出給蓄電池的功率,它只能單向傳遞給蓄電池。P3表示電動機的輸入/輸出功率,它是雙向的,當向汽車傳動系傳遞時為正值,當再生制動情況下驅動電動機當作發電機使用時向蓄電池充電,為負值。P4表示蓄電池的充放電功率,它也是雙向的,當向功率總線放電,并與太陽能電池組發出的功率一起對驅動電動機進行放電時為正值,充電時為負值。

二、雙能源電動汽車能量控制策略

太陽能電池-蓄電池雙能源電動汽車中能量管理策略的中心在于實時合理地分配太陽能電池和蓄電池的功率輸出,提高汽車動力系統的效率。即:P3=P1+P4,其中P3的值由汽車驅動功率決定,工況一定時為定值。P4和P1之間的分配是雙能源電動汽車能量系統控制策略研究的主要內容。目前關于二者值分配的控制策略主要有功率跟隨式和開關式兩種。采用功率跟隨控制模式對太陽能電池-蓄電池雙能源電動汽車進行能量控制策略研究。

(一)純蓄電池驅動模式

當蓄電池的SOC大于cs_hi_soc(即電池充電量的高狀態設定值)時,有蓄電池來單獨驅動汽車,直到電池的SOC小于cs_lo_soc(即電池充電量的低狀態設定值)為止,此時根據功率跟隨式的控制策略決定太陽能電池停止給電機傳遞功率,開始向蓄電池充電。此工作模式下功率流向如圖1(a)所示,且有:P1=0;P3=P5/η1?η2;P4=P3。

式中:P5――汽車行駛負載功率;η1――機械傳動系的傳動效率;η2――電動機及控制器效率。

(二)純太陽能電池驅動模式

當蓄電池組SOC低于期望值時,控制太陽能電池輸出功率不僅要求滿足路面功率,同時要對蓄電池充電,使蓄電池的電量回到期望值。對蓄電池進行補充充電功率的大小由當前SOC值與期望值大小決定,此工作模式下功率流向如圖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/放電功率系數;SOC*――表示電池期望荷電量狀態;cs_pwr_min,cs_pwr_max表示太陽能電池工作區間。

(三)混合驅動模式

當電池組SOC高于期望值時,為了使蓄電池的電量始終在理想值附近,蓄電池對外放電,不足功率由太陽能電池輸出,并且要落在太陽能電池有效工作范圍之內。此時功率流向如圖1(c)所示,即:P3=P5/η1?η2;P4=β(SOC-SOC*);P1=P3-P4;P2=0。

其中:cs_pwr_min

(四)再生制動模式

當汽車減速或下坡行駛時,太陽能電池停止對電動機傳遞功率,開始對蓄電池充電。同時電動機工作于再生制動狀態,功率流向如圖1(d)所示,即:

P1=0;P3=αP5/η1?η2;P4=-P3。

式中:P3――電動機工作于發電狀態時輸出的功率;α――車輛再生制動百分比。

三、功率跟隨模式能量控制策略在ADUISOR中的仿真分析

ADVISOR2002是由美國可再生能源實驗室開發的混合動力電動汽車仿真軟件,可以用它進行純電動汽車、混合動力電動汽車和傳統內燃機汽車動力性、經濟性等特性的仿真分析。

功率跟隨模式在ADVISOR中的實現是根據路面需求功率的輸入,確定太陽能電池是否應該工作;功率跟隨模式在ADVISOR中的實現包括控制太陽能電池開/關模塊、均衡功率模塊、確定太陽能電池工作點模塊等,仿真模塊的結構如圖2所示。電動汽車的相關參數見表1。按實驗要求,循環路程總長10.93km,用時1225s,汽車最高速度為120km/h。根據整車車速隨時間的變化曲線,該電動汽車從0～96.6km/h的加速時間14.5s,從64.4～96.6km/h加速時間7.1s,最高車速134.9km/h,以30km/h車速的爬坡度為41.3%。而原Focus電動汽車在ADVISOR中的仿真結果為:從0～96.6km/h的加速時間20.5s,從64.4～96.6km/h的加速時間11.5s,最高車速134.1km/h,以30km/h的車速爬坡度為28.6%。

蓄電池的荷電狀態、蓄電池的輸出功率、太陽能電池的輸出功率隨時間的變化曲線,可以看出,蓄電池的初始荷電狀態為0.7,在汽車啟動時刻,荷電狀態降低,以提供汽車啟動所需的功率。隨后按照功率跟隨模式的控制策略,太陽能電池的剩余功率給蓄電池充電以保持蓄電池荷電狀態在某一范圍之內,以延長蓄電池的使用壽命;當汽車以某一較高車速繼續加速時,則蓄電池開始放電(大約在950s開始)。電動機的功率輸出曲線中,負值表示電動機在進行再生制動給蓄電池充電。

通過仿真可知,該車的最高速為134.9km/h,比設計時的140km/h小了5.1km/h,誤差為3.6%,可以接受。而以30km/h的車速爬破度為41.3%,比設計時的30%要高出11.3%,說明蓄電池的數量選擇的較大,這是因為蓄電池的功率較高,對電動汽車的爬破性能有利。

四、結語

1.太陽能電池/蓄電池混合動力電動汽車動力源之間的能量控制策略是混合動力電動汽車研究中的關鍵問題,其核心問題是功率分配策略的要求。

2.通過仿真表明所建立的模型是正確的,完全滿足該動力系統功率分配的要求。

3.采用功率跟隨模式控制策略能使蓄電池SOC和太陽能電池始終處于一個最佳工作狀態,并可以延長其使用壽命。

參考文獻

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篇6

關鍵詞：“十二五”節能減排；槽形拋物面聚焦型集熱器；太陽能空調；伺服控制系統設計；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

中圖分類號：S214文獻標識碼：A文章編號：

1 前言

本設計通過大量的資料調研與方案論證設計出一套以槽形拋物面集熱器為例的太陽能空調集熱器的伺服控制系統，解決了以往太陽能空調集熱器成本高，集熱效率低，無法大量應用于實際生活等問題。太陽能空調集熱器的伺服控制系統根據太陽能輻射量在一天之中的強弱變化，并考慮到地球的公轉與自傳，每小時調整陽光到集熱器的最佳入射角，從而提高集熱器的集熱效率。本設計有很好的移植性，不僅適用于太陽能空調，同時也可以大面積應用于太陽能熱水器等針對于太陽能的集熱系統。本設計從原理到材料成本都充分地考慮到能否應用與民用和產業化問題，在制作模型時所采用的材料充分的體現了低廉的成本與節能環保的宗旨。與本設計配套的實物模型可以實現隨太陽輻射的變化控制集熱板對太陽的之間的夾角，從而實現高效的熱量集取。

2 研制背景及太陽能集熱器介紹

2.1太陽能作為新能源的必要性

太陽能是目前最環保的能源之一，太陽能的利用主要是指的太陽輻射熱的利用，太陽能輻射熱可以用來發電、制冷和供暖、太陽能灶等。太陽能作為熱源在建筑空調系統的應用有其必要性和可行性。我國目前對太陽能的利用由于技術手段和材料成本問題等因素，與發達國家相比還有很大差距，因此我們對太陽能的研究與利用是一項長久而艱巨的工程。

2.2太陽能集熱器

太陽能集熱器是一種將太陽的輻射能轉化為熱能并進行集中的裝置。槽形拋物面線聚光集熱器是利用反射的方式將投射到反射板上的太陽光集中到接收器上形成焦面，接收器將光能轉化成熱能，再由介質帶走。由于接收器上的能流密度可以很高，所以能夠達到比平板式集熱器高的溫度，在有限的時間內充分利用太陽能[2]。線聚焦集熱器需要進行一維跟蹤，能收集100-500℃的熱水。集熱器的接收器可以是圓柱型、半圓型或平板型。

如圖2-1所示，槽型聚焦型集熱器主要由拋物柱面反射板和真空集熱管組成。真空集熱管的軸線置于拋物柱面的焦線上，外管材料為玻璃，內管材料一般為銅或鋼，內管外表面涂有選擇性吸收涂層。集熱器由跟蹤系統驅動跟蹤太陽，利用拋物面的聚光性質把太陽直射光線反射聚焦到真空集熱管上，真空集熱管吸收太陽能并傳給工作流體，工作流體由泵驅動循環[3]。

圖2-1 槽形拋物面聚焦型太陽能集熱器結構示意圖

2.3 聚焦型集熱器的最佳安裝方位與傾角

要得到最理想的最大的太陽輻射量，就得通過逐時調節集熱器的安裝角度和安裝方位，使太陽輻射光線垂直入射到集熱器平面，這就是太陽光跟蹤。這是一個相當復雜的過程，與程序編制、自動控制、安裝場地、日常維護等多因素有關。因此，對于非聚光的平板式集熱器，一般不采用太陽光跟蹤，太陽跟蹤一般用于聚光型集熱器。對于槽型線聚焦型集熱器只需要一維跟蹤。

本設計的設計原理是對槽型線聚焦型集熱器采用一維跟蹤的方式，在一天中不同的時刻調整集熱器的安裝傾角，使得太陽入射角最小，從而在不同時刻均能夠獲得更多的太陽輻射，提高太陽能輻射的利用率，改善太陽能空調的效率。

固定傾角的太陽能集熱器安裝的一般原則如下：

（1）雙軸跟蹤：反射鏡同時繞兩軸轉動，使反射鏡的法線與太陽光線一致，則有

=1

（2）集熱器平面連續沿著南北水平軸調節，則有

（3）集熱器平面連續沿著平行于地球自轉軸方向的南北軸調節，公式為：

為保證吸收輻射量最高，太陽入射角最小，可以得到同一天中不同時刻的安裝傾角的值，從而在本設計伺服控制環節集熱器轉動過程中控制集熱器的轉動角度。

3 系統設計與模型制作

3.1硬件設計

3.1.1、本次設計所用器件

AT89C52RC單片機最小系統板，CDS5401舵機，U型架，模擬集熱板。

在本次設計中，共設置了三個按鍵S1，S2，S3來實現太陽能空調系統集熱器的伺服控制。S1：控制集熱器正向轉動，最大轉角為90度；S2：集熱器位置歸零；S3：控制集熱器負向轉動，最大轉角為90度。通過三個按鍵來控制集熱器隨著太陽光強的變化而變化。從而，集熱器能夠最好角度，最大面積的接受太陽能，充分利用太陽能。

3.1.2、系統工作原理

舵機即伺服馬達是一種位置(角度)伺服的驅動器，應用于需要角度不斷變化并可以保持力矩的控制系統[4]。舵機的最大轉角達到185度，由于采用8位單片機控制，所以控制精度最大為256份。目前經過實際測試和規劃，分了250份。將0—185度分為250份，每份0.74度?？刂扑璧腜WM寬度為0.5ms—2.5ms，寬度2ms。2ms÷250=8us；所以得出：PWM信號 = 1度/8us；

表3-1 控制所需的PWM所對應的角度和N值

為了達到太陽能集熱器對太陽能最強輻射角度的跟蹤控制，就需要給舵機不同占空比的PWM波。利用AT89C52RC單片機的定時器及中斷功能產生占空比可調的PWM，從而控制伺服電機。系統中三個按鍵的設置是為N而設置，通過定時器及外部中斷改變N的值，實現產生不同占空比的PWM波，從而更好的跟蹤太陽能，如表3-1。

本次系統中，硬件仿真原理圖如圖3-1：

圖 3-1 伺服控制系統仿真圖

其中，舵機的PWM控制信號如圖3-2：

圖 3-2 PWM控制信號

3.2軟件設計

在太陽能空調集熱器伺服控制系統中，本設計利用單片機產生PWM周期信號。太陽能空調集熱器伺服控制系統采用20ms的周期信號。單片機的電路控制PWM周期信號的輸出及占空比的調整。最終實現單片機對舵機轉角的控制[5]。

當舵機的角度轉向左極限時，設置它的正脈沖為2ms，故負脈沖為18ms，軟件編程過程中，程序執行開始時在控制口發送一個高電平，定時2ms后產生中斷，中斷發生后，控制口電壓跳變為低電平，并設置中斷的時間為18ms。中斷結束后，控制口電平變為高電平。定時初值為2ms。如此往復從而實現PWM周期控制信號輸出到舵機。利用定時器中斷及設定初值的方法巧妙形成脈沖信號，調整脈寬便可使伺服電機靈活運動。

4 經濟分析

太陽能作為一種清潔、無污染的能源，具有極其廣泛的發展前景。同時其經濟性也十分明顯。若年運行2000h(北京為例)，1kW功率的集熱器年回收熱量2000kW·h。而獲取同樣的熱量，需要天然氣200m[6]。(折合400元)或者耗電2000kW·h(折合880元)太陽能空調集熱系統運行費用只有初投資額的1％集熱器的初投資為2000元／kW左右，一般在5年之內可以收回。

圈4-1 槽式拋物面各月平均輻照量變化(晴天模型) 圖4-2 各月雙軸跟蹤和南北軸傾斜角度單軸跟

蹤的輻照量變化對比（睛天模型）

本設計設定以雙軸伺服控制接受的太陽輻照量為100%（伺服控制系統有方位軸和俯仰軸兩條轉軸,設定方位軸垂直于地面,俯仰軸與地面平行,反射鏡同時繞兩軸轉動使反射鏡平面的法線和太陽光線方向一致，由于太陽直射輻射總是垂直鏡面,接受的輻射量最多）據圖4-1描述：南北軸傾斜35°伺服控制時,發現10月至次年2月接受的輻照量比其它單軸伺服控制都多,達到雙軸伺服控制的98.18 %,全年日均總量為95 %。南北地軸傾角為12.5 °(緯度的一半)時，全年直射輻照量可達雙軸伺服控制的94.83 %[7]。

圖4-2為一年12個月所統計的雙軸伺服控制和南北軸傾斜角度β(β=φ-δ)單軸伺服控制接受的直射輻照量數據變化對比圖。對于單軸伺服控制（南北軸傾斜），只需每月調整一次β值，1-12月系統接受的太陽直射輻射量可達到雙軸伺服控制的99. 41%、99. 70%、99. 99%、99. 22%、98. 97%、98. 38%、98. 63%、99. 46%、99. 99%、99. 82%、99. 47%、99. 33%，全年可以達到雙軸伺服控制的99. 34%所以每月南北軸傾角按(β=φ-δ)調整一次,效率可達雙軸伺服控制的99. 34%。

雖然采用雙軸伺服控制接受的輻照量最多,但結構復雜,制造和維護成本較高,實際應用較少[8]。而單軸伺服控制（南北傾斜式）雖然接受的輻射總量略有一點點減少,但是結構簡單，制造和維護的成本遠遠低于雙軸。總花費遠遠減少，所以從這些角度考慮單軸伺服控制（南北傾斜式）是比較經濟的伺服控制模式。

5 總結

本設計著重分析了槽形拋物面線聚焦太陽能集熱器，并將其與伺服控制相互聯系起來，實現了集熱器能夠自動跟蹤到太陽光照最強的位置，比傳統的單一的集熱器具有更好的吸收太陽光照的能力，從而提高對太陽能的利用率。本文還著重比較了雙軸伺服控制與南北傾斜角度單軸伺服控制所接受的輻射量的差異，指出單軸跟蹤的經濟效益更理想。本設計實現了節能減排的要求，此方法具有獨創性。另外還具有一下特點：

a）將伺服控制應用與太陽能空調。

b）考慮到了太陽輻射量在一天中的變化，提高了集熱系統的集熱效率。

c）成本低廉，始于大面積應用于民用建筑。

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篇7

關鍵詞： 光伏發電； 傳感器節能控制器； 數據通信； TSL2678

中圖分類號： TN61?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 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

太陽能是一種可再生的清潔能源。近年來，隨著科技的不斷發展，光伏發電已成為一種非常重要的發電方式。其旨在將太陽輻射到地球的巨大能量為人們所用，以節約地球的不可再生資源、阻止環境繼續惡化[1?3]。傳感器是一種以實現人類同自然界有效互動的設備，對優化人類生產、生活方式具有重要作用。因而，設計出一種光伏發電中的傳感器節能控制器，滿足人類日益增長的生活用電需求[4?6]。

由于傳感器的儲能性能較弱，以前設計出的光伏發電中的傳感器節能控制器網絡延遲較長、節能效果不理想。如文獻[7]設計光伏發電中的雙層儲能傳感器節能控制器，其通過分析光伏發電中傳感器儲能弱點，對傳感器節點的能量存儲器進行雙層設計，有效減少了太陽能流失情況，節能效果良好，但控制器的網絡延遲很長。文獻[8]對光伏發電中的傳感器節能控制器的傳感器節點進行了合理控制，獲取了較短的網絡延遲。設計者還將太陽能收集板和鋰電池直接連接，期望節約設計成本，但卻導致鋰電池的過度損傷。文獻[9]設計基于電容和單片機的光伏發電中的傳感器節能控制器，其將電容設置成控制器的電源進行供電，再利用單片機對電容的充放電流程進行控制。該控制器擁有較好的綜合性能，但節能效果仍需提高。文獻[10]從光伏發電中的傳感器節能控制器自身考慮，對其中耗能較大的設備進行刪減，并對傳感器節點能耗進行了進一步優化。該控制器的節能效果良好，但網絡延遲較長。

通過對上述光伏發電中的傳感器節能控制器優缺點的分析，深入探討光伏發電節能實現方案，設計一種網絡延遲短、節能效果好的光伏發電中的傳感器節能控制器。

1 光伏發電中的傳感器節能控制器設計

所設計的光伏發電中的傳感器節能控制器以調整光伏發電中太陽能采集位置為節能方案，增強光伏發電中太陽能與電能間的能量轉化率，進而實現節能控制。其給出一種具有高水平能量轉化優點的供電電路，提高傳感器的儲能性能，并為控制器合理供電。此外，通過為控制器選擇合理的無線通信芯片和太陽光傳感器芯片，使光伏發電的最優節能得以實現。

1.1 控制器無線通信芯片設計

在所設計的光伏發電中的傳感器節能控制器中，無線通信芯片是連接各設備、電路、元件之間數據通信的中間紐帶。由于無線通信芯片能夠對控制器中所有通信數據進行監控，因此，無線通信芯片的高性能將給控制器帶來非常好的節能效果，并可有效縮短網絡延遲，故要求所選無線通信芯片應具有良好的可靠性和通信效率。

選用挪威NORDIC公司設計的nRF905無線通信芯片作為控制器的無線通信芯片。nRF905無線通信芯片的可靠性很強，并擁有豐富的片上資源，可進行片內解編碼工作，使用起來非常便利，通信效率很高，圖1是nRF905無線通信芯片電路圖。

由圖1可知，nRF905無線通信芯片在發送通信數據時，光伏發電中的傳感器節能控制器將輸入端1和2分別置于高引腳和低引腳中，再經由通信總線將數據保存并統計，再生成通信文件。文件管理對通信文件進行核準后，nRF905無線通信芯片再將通信數據發送出去。

在接收數據過程中，數字控制將對符合nRF905無線通信芯片接收標準的數據進行讀取，此時接口5自動進入高引腳。

選用nRF905無線通信芯片的一項重要原因是：nRF905無線通信芯片能夠在實現控制器內部有效通信的基礎上為通信工作提供節能模式，這對實現設計初衷意義非凡。節能模式可在維持控制器正常通信的前提下，s減自身電流和數據收發的持續時間。通常，開啟節能模式的nRF905無線通信芯片便能夠滿足光伏發電的通信工作需求，故可默認長期開啟，于特殊情況下進行關閉即可。

1.2 控制器供電電路設計

因為傳感器的儲能性能較弱，所以供電電路的合理設計對光伏發電中的傳感器節能控制器具有重要意義。所設計的供電電路不但能夠為控制器供應工作電能，也能優化太陽光光強的能量轉化。

在光伏發電中，太陽能的強弱會在一定程度上影響到供電電路的電能分配工作，因而，光伏發電中的傳感器節能控制器設計了兩種供電電路。當環境太陽能較強時，太陽能收集板的輸出電流是不存在較大浮動的，此時供電電路應為控制器提供正向偏壓，如圖2所示。當環境太陽能較弱時，則需要增強供電電路對太陽能收集板輸出電流的敏感性，如圖3所示。

由圖2、圖3可知，供電電路中的R代表外接功能電路的總負載，由于該負載值并不確定，故用虛線描述；D是PN結型光電二極管，這種二極管的響應時間非常短，可實現太陽光能量的吸收以及傳感器射頻傳輸等過程。并具有非常強的光電轉化性能，可對太陽光的能量轉化進行合理優化；U是供電電路的輸出端；R0和R1的作用是增強供電電路對太陽能收集板輸出電流的敏感性，這兩個負載的阻值為一大一小，將二者串聯并使其中之一與PN結型光電二極管進行并聯，對供電電路輸出值的影響非常小，可忽略不計。

1.3 太陽光傳感器芯片設計

太陽光傳感器是一種不受地域經緯度限制、可對太陽運行軌跡和輻射光強進行精確感應的特效傳感器。光伏發電中的傳感器節能控制器選擇的太陽光傳感器芯片是TSL2678，該芯片的能耗低、傳感效率高且量程寬，能夠對60 Hz以下的太陽光波動進行自動修正，比較適合應用于光伏發電中。圖4描述的是TSL2678芯片結構圖。

由圖4可知，波動幅值小于60 Hz的太陽光光強可作為鎖定事件輸入到太陽光傳感器的TSL2678芯片中進行參數提取。高于60 Hz 波動幅值的太陽光光強，將先經由供電電路進行能量轉化，優化成鎖定事件后再輸入TSL2678芯片。積分模/數轉換器先將太陽光參數轉換成數字信號形式，再實現太陽光傳感器對太陽光最佳采集位置和該位置太陽光光強的精準輸出。

2 光伏發電中的傳感器節能控制器軟件設計

所提光伏發電中的傳感器節能控制器的節能控制流程，如圖5所示。

由圖5可知，為了增強光伏發電中太陽能與電能間的能量轉化率，進而實現光伏發電中的傳感器節能控制器的節能控制，本文使用nRF905無線通信芯片對整個節能控制流程進行監控。供電電路初始化后，nRF905無線通信芯片幫助搜索通信數據中需要進行能量轉化的太陽光光強，經由供電電路實現能量優化。此后，nRF905無線通信芯片對太陽光傳感器進行喚醒，利用其中的TSL2678芯片計算出太陽光最佳采集位置和該位置的太陽光光強。管理人員將參考該輸出結果，對光伏發電中的傳感器節能控制器進行調整與維護。

3 實驗結果分析

3.1 實驗準備

現對某省級光伏發電站進行仿真實驗，分析本文所設計的控制器是否擁有較短的網絡延遲和較好的節能效果。實驗中與本文控制器進行對比的控制器有：雙層儲能傳感器節能控制器和基于電容和單片機的傳感器節能控制器。實驗對2016年4―6月的實驗光伏發電站各項參數進行仿真，實驗光伏發電站2014年和2015年的同期實際發電量如表1所示。

3.2 控制器網絡延遲分析

在實驗光伏電網中，不同月份的網絡延遲限制標準也不同，本文控制器、雙層儲能傳感器節能控制器和基于電容和單片機的傳感器節能控制器的網絡延遲實驗結果如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知，光伏電網給出的4―6月網絡延遲限制標準均為直線，直線的下方區域表示網絡延遲標準范圍。雙層儲能傳感器節能控制器和基于電容和單片機的傳感器節能控制器的網絡延遲曲線均有超出標準范圍的現象出現，而本文控制器的網絡延遲曲線始終處于網絡延遲限制標準直線的下方，證明本文控制器的網絡延遲較短。

3.3 控制器節能效果分析

表2描述的是在三個控制器的節能控制下，實驗光伏發電站在4―6月的發電量。

對比表1、表2可知，本文控制器產生的發電量最高，每月可平均節約實驗光伏發電站約740.50 kW?h的煤炭發電量，可有效減少燃燒煤炭產生的二氧化碳、二氧化硫等有害氣體的排放，證明本文控制器節能效果較好。

4 結 論

本文設計一種新型光伏發電中的傳感器節能控制器，其以調整光伏發電中太陽能采集位置為節能方案，增強光伏發電中太陽能與電能間的能量轉化率，實現節能控制。所設計的控制器擁有高水平的能量轉化供電電路，可提高傳感器的儲能性能、為控制器合理供電。并通過選擇合理的無線通信芯片和太陽光傳感器芯片，使設計初衷得以實現。本文在某省級光伏發電站進行仿真實驗，驗證了本文控制器擁有較短的網絡延遲和較好的能效果。

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篇8

關鍵詞：風光互補；工作原理；技術結構

中圖分類號：TM923.34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 14-0000-01

一、風光互補的概念及技術原理

風光互補是一套發電應用系統，該系統是利用太陽能單晶硅電池板、風力發電機將發出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變為交流電，通過輸電線路送到用戶負載處。是風力發電機和太陽電池方陣兩種發電設備共同發電。

二、風光互補的技術構成

（一）發電部分：由1臺風力發電機和太陽能電池板組成，完成風-電；光-電的轉換，作。

（二）蓄電部分：由多節蓄電池組成，完成系統的全部電能儲備任務。

（三）風光互補控制器：集光控亮燈，時控關燈，自動功率跟蹤，自動泄荷，過充過放保護功能于一體，對負載進行全方面的控制。

（4）負載部分：本項目由于未使用逆變器，所以直接使用直流LED照明燈作為負載。

三、風光互補控制器

（一）風光互補控制器的概述。風光互補控制器是專門為風能、太陽能發電系統設計的；集風能控制、太陽能于一體的智能型控制器。充分利用風能和光能資源發電，可減少采用單一能源可能造成的電力供應不足或不平衡的情況。設備不僅能夠高效率地轉化風力發電機和太陽能電池板所發出的電能對蓄電池進行充電，而且還提供了強大的控制功能。集光控亮燈，時控關燈，自動功率跟蹤，自動泄荷，過充過放保護功能于一身，性能穩定可靠。

（二）風光互補控制器的特點及功能

1.風光互補控制器的主要功能

（1）白天對太陽能電池板的電壓和電流進行檢測太陽能電池板最大輸出功率點，使太陽能電池板以最大輸出功率給蓄電池充電，并控制太陽能電池對蓄電池進行充電的方式；（2）控制光電互補自動轉換，晚上控制蓄電池放電，驅動LED負載照明；（3）對蓄電池實行過放電保護、過充電保護、短路保護、反接保護和極性保護；（4）控制LED燈的開關，通過對外環境監測，可以控制LED燈開燈、關燈時間。

（三）風光互補路燈控制器的結構圖

（四）風光互補控制器的工作原理。在風光互補LED照明系統中，控制器主要包括風電控制單元、光電控制單元和蓄電池充放電控制單元三部分。控制部分根據日照強度、風力大小及負載的變化、蓄電池的充電狀況來控制風力發電機組、太陽能電池陣列的運行方式和開斷情況，不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節，一方面把調整后的電能直接送往直流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，從而保證負載的正常供電以及系統各個部分的安全運行和整個系統工作的連續性和穩定性。

控制器是由一些電子元器件組成，如電阻、電容、半導體器件、繼電器等組成。簡單地說，控制器就是一個“開關”。對于風力發電部分，當風力發電機發出的交流電經整流后，如蓄電池電壓低于系統設定的電壓時，控制器使充電電路接通，風力發電機向蓄電池充電，當蓄電池電匪上升達到保護電壓時，充電控制開關電路截止，風力發電機停止向蓄電池充電，以免蓄電池過充電。但是，根據蓄電池的充電特性，這時，蓄電池電壓會慢慢下降，為防止蓄電池充電不足，當其電壓下降到一定值時，充電控制開關導通，對蓄電池進行自動補充充電，該狀態一直保持到下一次充電保護為止。

控制電路是指控制主電路的控制回路，通常包括檢測電路、驅動電路和保護電路等。本項目的設計是選擇PIC16F877A單片機作為控制芯片，由于其計算速度等性能比普通單片機高，且價格比高級信號處理器（DSP）低，所以得到廣泛應用。PIC16F877A具有以下功能和特點：

（1）屬于精簡指令集（RISC）的計算機結構，只有35個匯編語言指令，且每一條指令都固定為14位長；（2）采用哈佛總線結構，它的程序存儲器、數據存儲器以及堆?？梢造`活設計；（3）工作頻率范圍為DC～20MHz，具有上電復位和掉電鎖定復位兩種重置功能；（4）3個定時器（Timer），除了具有最基本的定時器功能外，還有捕捉、比較、產生PWM信號等功能；（5）12個外部中斷源，共享一個中斷向量（位于程序存儲器的004H處）；（6）RS232串行通信接口；（7）8個8位模擬數字轉換器（A/D）；（8）采用Flash程序存儲器芯片，產品可以多次編程，可以隨意擦寫芯片程序；（9）I/O端口驅動負載能力較強，輸出引腳可以驅動20～50mA的負載。

此外，PIC16F877A單片機還有外接電路簡潔、驅動能力強、尋址空間設計簡潔、代碼壓風光互補控制器需要對太陽能電池板輸出電壓、風力發電機整流輸出電壓、蓄電池端電壓、光伏充電電流和風力發電充電電流等進行實時檢測，才能實現控制功能。

風光互補路燈控制器利用太陽能電池的光生伏特效應原理，白天太陽電池吸收太陽能光子能量產生電能，通過控制器儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或光電板周圍光照較低時，蓄電池通過控制器向光源供電，通過設定一定的時間后切斷。

四、結束語

本論文著重講述了介紹了風光互補LED燈照明系統，該系統是利用太陽能單晶硅電池、風力發電機將發出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變為交流電，通過輸電線路送到用戶負載處。本設計為相應的系統設計提供了思路。

參考文獻：

[1]黃璜，羅傳仙.風光互補照明系統淺析[J].中國科技信息，2010，08.

[2]王宇.風光互補發電控制系統的研究與開發[D].天津大學，2004.

[3]王鵬鵬.風光互補LED路燈控制系統的設計[D].武漢科技大學，2012.

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關鍵詞：風力發電，太陽能，水泵，PWM

 

1引言

目前一些內蒙古以及西北部邊遠地區部分農牧區仍然處于無電狀態，人畜生活用水及農田灌溉大面積耕種灌溉用水成為亟待需要解決的難題。針對該問題設計出基于能量匹配的風光互補發電抽水智能控制器。

2風光互補發電抽水系統硬件結構

獨立運行風光互補發電系統由風力發電機、光伏陣列、卸荷器、控制器、蓄電池組、逆變器、及大小水泵等組成，如圖1所示。

其運行機理如下:風力發電機三相整流電經不可控三相整流器變成單相直流

圖1系統總體結構圖

Fig.1 The whole structure of control system

電，并經DC/DC變換器實現最大功率跟蹤；光電池的單相直流電通過DC/DC變換器實現功率跟蹤。

二者皆通過控制器控制而接入直流母然后給蓄電池供電；蓄電池連接在直流母線上，當風力發電機和光伏陣列輸出的電能除供給負載還有剩余時，蓄電池將這些電能儲存；當風力發電機和光伏電池輸出電能不足以滿足負載要求時，則由蓄電池向其供電。從而實現了最大化利用能量來抽水。科技論文，太陽能。該控制器已經過了試驗。取得了很好的效果。

2.1風力發電機控制部分

風力發電機在此選的是5KW的三相永磁同步發電機。具體風力發電機控制模塊部分電路如圖2所示。

風力發電機模塊電路是將風機輸出的三相電分別接入四部分。一部分是直接接入手動剎車空氣開關；另兩部分別是接入三相不可控整流橋；最后一部分是接入卸荷器。科技論文，太陽能。這兩路接三相整流橋的作用分別是： 一路三相橋是對風機電壓進行實時檢測，另一路則是將整流后的兩相電直接接入DC/DC變換器，然后通過單向導通二極管

和充電模式選擇器流入蓄電池。風機控制部分有三個PWM控制端：DC/DC端的PWM控制主要是通過檢測風機電壓的大小來改變脈寬，從而來實現風機的最大功率跟蹤。

2.2蓄電池控制部分

在這里該蓄電池選的是閥控式鉛酸蓄電池，電壓是12v，容量是200Ah，總共9塊。蓄電池充電模式選擇器，如圖4所示，這里主要采用的是PWM充電方式，具體分為三個階段來實現，第一階段即是PWM輸出占空比為100%，即晶閘管完全導通，此時蓄電池處于大電流灌充階段。第二階段是PWM輸出占空比為50%，即一半時間是導通，此時蓄電池處于小電流

充電階段。科技論文，太陽能。第三階段是PWM輸出占空比為20%，即只有四分之一的時間導通，此時蓄電池處于浮充狀態。

2.3卸荷器控制部分

卸荷器選用的是7.5KW卸荷器，這里采用的是交流無級卸荷，利用三角形接法。

2.4太陽能光電板控制部分

太陽能電池板功率這里選用的是720W?？萍颊撐?，太陽能。由9塊80W的太陽能板串聯而成。

太陽能板模塊的控制是將太陽能板輸出的正負端分別接入兩路。一路直接接入控制器對太陽能輸出電壓進行實時檢測。 另一路則接入DC/DC變換模塊，在經單向導通二極管，電流檢測端，充電模式選擇器進入蓄電池。

2.5水泵控制部分

在本次試驗中選定水泵分別是500W，揚程35m的深井潛水泵和1.1KW揚程45m的深井潛水泵。

在這里水泵的工作主要是根據不同的風速和太陽能光照強弱來切換工作，分為四種情況來切換工作。

（1）無風，有太陽；

太陽能功率足夠大，啟動小水泵；

（2）有風，有太陽；

<<時，啟動小水泵；

<<+時，啟動大水泵；

<時，同時啟動小水泵和大水泵。

（3）有風，無太陽；

<<時，啟動小水泵；

<<+時，啟動大水泵；

<時，同時啟動小水泵和大水泵。

（4）無風，無太陽；

根據實際需要用水量來選擇水泵，可通過手動模式來選擇所需水泵?？萍颊撐?，太陽能。

3結論

本文介紹的風光互補發電抽水控制系統已經在內蒙古四子王旗進行了試驗，取得了很好的效果。目前針對的是5kw風力發電機，和720w太陽能板?？萍颊撐?，太陽能。隨著日后家用電器大功率化，還可以選用更大功率的風力發電機、太陽能板、逆變器以及蓄電池。。從而來提高整套系統的功率。

[參考文獻]

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【關鍵詞】：太陽能；光伏發電；控制系統

1、導言

能源問題一直受到社會的普遍關注，因為這不僅關系到社會的發展，還對于自然環境產生重大的影響。而太陽能作為一種可再生的清潔能源，隨著科學技術的發展，越來越得到廣泛的運用，太陽能資源不但可以取代部分常規能源，可以預見的是太陽能資源將在世界能源消費結構中獲得越來越重要的位置，并在將來成為世界能源的主要供應方。

2、光伏發電原理敘述

太陽能資源是一種清潔能源，光伏發電技術不受地域限制，能夠大規模使用，可以獨立發電或聯合發電。光伏發電技術的主要原理是光生伏特效原理，運用這一原理，以太陽能電池為載體，將太陽光直接轉化為電能。太陽光照耀半導體材料達到一定的時間長度后，光能輸入到電池，再經由電池轉化為電能。它的產生主要有兩個進程，分別是光波轉換為電子、光能量轉換為電能量的進程和形成電壓的進程，電壓的形成是電路回流形成的前提。

3、對于太陽能光伏發電系統有效控制的措施

3.1 對太陽能電池組件合理配置

目前多采用太陽能電池組件一般為單晶和多晶硅太陽能電池。其基本上由鋼化玻璃、TPT等材料熱壓密封制成，具有堅固、抗寒、耐高溫、安裝簡便等優點。在太陽能電池組件內部封裝了多個電池單元，電池單元經過串聯/并聯后能有效提供電池組件的輸出電流和電壓，便于實際使用，目前普遍采用60或72片封裝。

3.2 正確選擇太陽能光伏控制器

在太陽能光伏發電的控制器選擇中，要根據系統電壓的等級來進行選擇，同時還需要詳細計算發電系統的容量以及組件串的并聯數量，來確定控制器的控制方式。例如，直流路燈的光源是30V，那么控制器應該選擇30V。對于控制器是否具有蓄電池放電控制功能，這是根據負載特點來決定。對于用戶的其他需求而設置的一些功能，則需要根據相關的控制器產品型號經過比較來選擇。

3.3 最大功率點的監測

眾所周知，光伏發電系統受到太陽的光照強度以及周圍溫度的影響，導致電力輸出的變化很大，所以需要根據太陽能電池所能產生的電能輸出功率，找到最大功率的轉化效率，即最大功率點后，就可以在實踐中對太陽能發電更好地進行利用。目前對于最大功率點的監測方法就是利用恒壓跟蹤法以及自適應算法等多種方法，有效監測出太陽能光伏電池的輸出功率變化與陽光強度以及溫度的關系，找到功率輸出最大時的電壓。

3.4 對蓄電池電壓的有效控制

在整個太陽能光伏發電系統中，要想進行有效的控制主要就是對充電器和逆變器的控制。控制器要負責對整個發電系統的最大功率點進行監測，使得整個系統發揮到最大的功效，并且還要對蓄電池的充放電進行有效調節，防止蓄電池過度充電以及快速放電而受到損害，影響使用壽命。目前對于蓄電池的電壓檢測一般對于整個充電系統的外環電壓進行監測，采用在線式電壓檢測方法，當監測的電壓結果達到最大值的時候就證明電池已經充滿。由于蓄電池端電壓在充電停止后電壓會出現變化，不能發揮最大功效，所以需要采用一種離線式的檢測方法。同時，對于蓄電池的自放電問題，可以采取設置放電自鎖功能進行有效應對。在具體的運用中就是利用集成運算電路的電壓反饋特性。當達到下限電壓，出現信號反饋到下限自鎖功能的時候就會出現自動關閉，停止放電。當蓄電池充滿后，就可以重新將蓄電池打開，繼續供電，這樣就可以確保蓄電池的高效運行。

3.5 對逆變器的合理選擇

在整個太陽能光伏發電系統中，逆變器作為一個不可或缺的部件，也會需要消耗一定的電能來維持自身的運行。因此，它的輸入功率要比輸出功率大，所以對于整個逆變器的效率而言，就是輸入功率與輸出功率之間的比較。在整個發電系統中，逆變器就是需要將太陽能的直流電轉化為交流電，對于太陽能電池的效率發揮具有關鍵的作用，所以要想對于太陽能發電系統進行高效運行，就必須要選擇高效率的逆變器，確保整個太陽能光伏發電系統發揮到最佳狀態。一般情況下，逆變器還具有自動調壓和手動調壓等功能，可以在具體的運行過程中進行有效的調節，確保光伏發電的供電效率。

3.6 進行有效的并網發電控制

光伏逆變器能夠將電池組件發出的直流電逆變為與電網頻率相同，滿足電網電能質量要求的交流電，從而讓光伏發電系統能與公共電網連接。但是由于太陽能光伏發電系統具有一定的獨立性，當國家電網需要維護和檢修的過程時，就會處于斷電狀態，而這時如果太陽能發電系統依然處于運行狀態，就會形成孤島效應。這就容易對維修保養的工作人員先造成危害，而且也會因自身的負載過大，導致電力和電壓的不穩定，損害整個太陽能發電系統。對于這個問題，為了對光伏發電系統進行有效控制，就需要在逆變器具備有自動偵測功能，即防孤島保護。一般這種偵測分為主動和被動兩類，主動偵測就是逆變器主動釋放一個信號，觀察電網是否正常運行；被動檢測就是當電網的功率和電壓出現異常情況，而導致光伏發電系統的電壓、相位等情況發生改變，而做出的判斷。同時還有一種特殊的情況，就是國家電網突然跳閘斷電，也會對太陽能發電系統產生較大的影響，一般這種情況比較少見，但是也需要注意監測。

結論

綜上所述，與發達國家相比，我國太陽能光伏發電還有很多需要完善的地方，需要政府及相關部門予以政策和資金上的支持，以保證新能源和可再生能源得以良好地發展。相關能源工作人員做好本職工作，在實踐中不斷進步，推動我國光伏發電產業朝著健康、有序、蓬勃的方向發展。未來將逐漸擴大其應用領域，提高我國太陽能裝機容量的復合增長率，借助太陽能光伏發電產業的發展推動我國經濟發展，從而提高我國的國際競爭力和綜合國力。

【參考文獻】：

[1] 馮孝.淺析太陽能光伏發電技術及其應用[J].建筑工程技術與設計，2015，19（30）.