張力塬 何金鐘 周橫 莊杰

摘 要：為了提高家庭供電系統(tǒng)太陽能利用率，盡可能地降低家庭用電功耗，設(shè)計(jì)了一套新型綠色環(huán)保太陽能供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過太陽能光板采集能量、蓄電池儲(chǔ)存能量，集成最大功率電追蹤、逆變升壓、電量檢測等技術(shù)，利用云平臺(tái)管理技術(shù)，針對不同的電量情況進(jìn)行控制從而保障用戶負(fù)載的不間斷供電。用戶可以在手機(jī)客戶端以及PC端查看系統(tǒng)的工作情況，并對系統(tǒng)做相應(yīng)的設(shè)置與控制。文章介紹了這種低成本、高可靠性、高效率、智能化的家用太陽能供電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：環(huán)保；太陽能；云平臺(tái)；低功耗

可信賴的能量供應(yīng)對任何一個(gè)國家的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都是非常重要的。由于成本的增加和化石燃料對環(huán)境的負(fù)面影響，可再生能源正逐漸進(jìn)入人們的視野并且正在推動(dòng)著能源市場的變革。相對一些其他的可再生能源，太陽能以其取之不盡、用之不竭以及無污染性正在成為人們的首選。

所以本文提出了基于云平臺(tái)的低功耗智能家用太陽能供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種集成各種信息設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新復(fù)合應(yīng)用的智慧供電系統(tǒng)，具備能量采集、智慧控制等多種功能。產(chǎn)品采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，客戶可根據(jù)不同需求和不同應(yīng)用場合，選擇不同的功能模塊，為業(yè)主提供更好的服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于云平臺(tái)的低功耗智能家用太陽能供電系統(tǒng)使用STM32F103作為主控，利用全網(wǎng)通（n）模塊獲取網(wǎng)絡(luò)，從而接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，構(gòu)建與手機(jī)終端以及前端的通信；本系統(tǒng)由電量檢測模塊、光伏發(fā)電模塊、檢測控制模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（阿里云平臺(tái)）等主要模塊組成，如圖1所示。

太陽能光板采用單晶硅太陽能電池板收集光能，單塊尺寸為1640 mm×990 mm×40 mm，工作電壓31.8 V，工作電流8.17 A；本系統(tǒng)應(yīng)用了最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）電路以及室內(nèi)光能微電源，MPPT電路根據(jù)實(shí)際情況對工作點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整，最大限度地從能量源輸出能量并儲(chǔ)存到電池里面，通過隔離、穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)為傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，最大限度地利用光能[1]；逆變電路采用推挽升壓和全橋逆變兩極變換，前后級(jí)之間完全隔離，將直流電轉(zhuǎn)化為220 V，50 Hz的交流電[2]；獲取電池電荷狀態(tài)是電量檢測中最基本、最重要的，但蓄電池的端電壓與蓄電池的剩余電量之間并沒有直接關(guān)系，所以我們選用檢測蓄電池充放電回路中的負(fù)載的實(shí)時(shí)壓降來檢測其剩余電量，以便完成備用電源以及太陽能的切換。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)由微控制器、電量檢測模塊、穩(wěn)壓模塊、檢測控制模塊、WiFi模塊、MPPT電路、逆變電路和功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）電路[3]組成。其中微控制器采用STM32F103。

2.1 電量檢測模塊

如圖2所示，電量檢測模塊由運(yùn)算放大器和充放電回路組成[4]。

因?yàn)橹苯訙y量蓄電池組兩端的端電壓并不能直接確定蓄電池的剩余電量，所以通過檢測蓄電池組的充放電電流來確定其電量。在蓄電池組充放電回路中串聯(lián)一個(gè)小負(fù)載以得到壓降。當(dāng)放電時(shí)，該壓降為正，當(dāng)充電時(shí)，壓降為負(fù)。我們把這一電壓值作為運(yùn)放MCP6002 中一組運(yùn)放的其中一路輸入，將經(jīng)過運(yùn)算處理得到A/D采樣的輸入值，運(yùn)算放大器的輸出值就是蓄電池的剩余電量。

2.2 檢測控制模塊

檢測控制模塊主要由STM32F103、電量檢測模塊、固態(tài)繼電器組成，電路示意如圖3所示。

工作原理是：電量檢測模塊將剩余電量通過1路A/D通道采集至STM32F103；然后將該電壓與預(yù)先設(shè)定好的電壓閥值作比較。如果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則接通固態(tài)繼電器，由蓄電池向用戶進(jìn)行供電。反之，如果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則由備用電源向用戶進(jìn)行供電。本模塊中的固態(tài)繼電器采用直流型，當(dāng)且僅當(dāng)有足夠的電流通過時(shí)，電路才會(huì)形成通路[5]。固體繼電器則控制備用電源以及用戶之間的開關(guān)，當(dāng)蓄電池的電量不足，不能保證用戶供電時(shí)，備用電源將作為后備電源為負(fù)載進(jìn)行供電。

2.3 MPPT電路

MPPT電路指的是最大限度地從能量源輸出能量[6]。在本系統(tǒng)中，我們采用開路電壓比例系數(shù)法。在不斷變化的光照強(qiáng)度和溫度環(huán)境下，光伏電池的開路電壓和最大功率點(diǎn)時(shí)的電壓都存在著近似的線性關(guān)系。

k是與光伏電池特性相關(guān)的比例常數(shù)，其電路的工作原理是首先對光伏電池的開路電壓進(jìn)行采樣，然后控制電路使光伏電池的輸出電壓不斷地接近VMPP，以此重復(fù)該過程，從而實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤[7-9]。此方法設(shè)計(jì)思路簡單，不需要單片機(jī)進(jìn)行控制，而且耗能比較少。

2.4 逆變電路

因?yàn)樾铍姵剌敵龅碗妷褐绷?，所以需要逆變電路將太陽能電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為220 V，50 Hz交流電。設(shè)計(jì)思路是采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換，前后級(jí)完全隔離?？刂齐娐飞希凹?jí)推挽升壓電路采用TL494芯片，用采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反饋；逆變系統(tǒng)采用單片機(jī)數(shù)字化控制的方式，采樣直流母線電壓做電壓的前饋控制，采樣電流做反饋控制；在保護(hù)措施上，具有輸入過壓、欠壓保護(hù)（見圖4），輸出過載、短路保護(hù)和過熱保護(hù)等多重保護(hù)功能，增強(qiáng)了該電源的可靠性。

2.5 PFC電路

目前所通用的二極管全橋整流對電網(wǎng)造成了諧波污染，大量的高次諧波摻雜其中，對電網(wǎng)造成了危害以及降低了用電設(shè)備的功率因數(shù)[10]。

本系統(tǒng)中，我們采用美國TI公司的UCC28019的有源功率因數(shù)校正芯片，UCC28019采用了平均電流模式對電源的功率因數(shù)進(jìn)行校正，適用于寬范圍的交流輸入，電路的輸出為100～2 000 W的功率因數(shù)變換器。同時(shí)，UCC28019具有應(yīng)用簡單、調(diào)試簡單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，保護(hù)功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常好用的功率因數(shù)校正芯片。

3 軟件設(shè)計(jì)

蓄電池給用戶負(fù)載供電前，需要對其輸出電壓進(jìn)行檢測。電壓檢測電路實(shí)時(shí)檢測蓄電池輸出的直流電壓，直流電壓值是電量檢測模塊檢測的電壓，如果該電壓不在電壓有效值范圍內(nèi)，蓄電池則無法為用戶負(fù)載進(jìn)行供電，備用電源將為用戶負(fù)載供電，并且為用戶發(fā)出報(bào)警推送。

公網(wǎng)的頻率為50 Hz，所以設(shè)置抽樣間隔為5 ms，備用電網(wǎng)10 ms中會(huì)出現(xiàn)峰值，5 ms保證了采樣點(diǎn)的有效性以及真實(shí)性。

4 手機(jī)終端

通過云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和推送，具體如圖5所示。

設(shè)備通過NB—IOT模塊將采集到的蓄電池的用電情況以及剩余電量等傳送到云平臺(tái)，云平臺(tái)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)和分類；云平臺(tái)通過對單個(gè)家庭用電情況與大量家庭用電情況進(jìn)行比較分析，并對單個(gè)家庭提出用電建議，云平臺(tái)將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)整理后發(fā)送給家庭用電交互終端。

5 結(jié)語

基于硬件電路、軟件編程、云平臺(tái)應(yīng)用3個(gè)方面介紹了基于云平臺(tái)的低功耗智能家用太陽能供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，解決了室內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)供電、蓄電池電量檢測、系統(tǒng)供電不連續(xù)等問題，不僅僅降低了系統(tǒng)功耗，而且減輕了公共電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，適合在農(nóng)村或者別墅區(qū)的單體建筑中進(jìn)行推廣，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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