光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器設(shè)計(jì)

云彩霞+李麗芬+蔡小慶+劉晨

摘 要： 傳感器儲(chǔ)能性能較弱，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器網(wǎng)絡(luò)延遲較長、節(jié)能效果不理想。因而，設(shè)計(jì)一種新型光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器，其對供電電路、無線通信芯片和太陽光傳感器芯片進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。nRF905無線通信芯片對控制器中各設(shè)備、電路、元件之間的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行監(jiān)控，保障節(jié)能效果、縮短網(wǎng)絡(luò)延遲。供電電路為控制器的節(jié)能工作供應(yīng)電能、優(yōu)化太陽光光強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)化。優(yōu)化后的太陽光能量，將通過太陽光傳感器中的TSL2678芯片太陽光進(jìn)行參數(shù)提取和分析，輸出太陽能最佳采集方位和該方位的太陽光光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最優(yōu)節(jié)能?？刂破鬈浖O(shè)計(jì)部分給出了控制器的節(jié)能控制流程。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的控制器具有網(wǎng)絡(luò)延遲短、節(jié)能效果好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電； 傳感器節(jié)能控制器； 數(shù)據(jù)通信； TSL2678

中圖分類號： TN61?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(fā)展，光伏發(fā)電已成為一種非常重要的發(fā)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(jié)約地球的不可再生資源、阻止環(huán)境繼續(xù)惡化[1?3]。傳感器是一種以實(shí)現(xiàn)人類同自然界有效互動(dòng)的設(shè)備，對優(yōu)化人類生產(chǎn)、生活方式具有重要作用。因而，設(shè)計(jì)出一種光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)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(chǔ)能性能較弱，以前設(shè)計(jì)出的光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器網(wǎng)絡(luò)延遲較長、節(jié)能效果不理想。如文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)光伏發(fā)電中的雙層儲(chǔ)能傳感器節(jié)能控制器，其通過分析光伏發(fā)電中傳感器儲(chǔ)能弱點(diǎn)，對傳感器節(jié)點(diǎn)的能量存儲(chǔ)器進(jìn)行雙層設(shè)計(jì)，有效減少了太陽能流失情況，節(jié)能效果良好，但控制器的網(wǎng)絡(luò)延遲很長。文獻(xiàn)[8]對光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了合理控制，獲取了較短的網(wǎng)絡(luò)延遲。設(shè)計(jì)者還將太陽能收集板和鋰電池直接連接，期望節(jié)約設(shè)計(jì)成本，但卻導(dǎo)致鋰電池的過度損傷。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)基于電容和單片機(jī)的光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器，其將電容設(shè)置成控制器的電源進(jìn)行供電，再利用單片機(jī)對電容的充放電流程進(jìn)行控制。該控制器擁有較好的綜合性能，但節(jié)能效果仍需提高。文獻(xiàn)[10]從光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器自身考慮，對其中耗能較大的設(shè)備進(jìn)行刪減，并對傳感器節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。該控制器的節(jié)能效果良好，但網(wǎng)絡(luò)延遲較長。

通過對上述光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器優(yōu)缺點(diǎn)的分析，深入探討光伏發(fā)電節(jié)能實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)一種網(wǎng)絡(luò)延遲短、節(jié)能效果好的光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器。

1 光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器以調(diào)整光伏發(fā)電中太陽能采集位置為節(jié)能方案，增強(qiáng)光伏發(fā)電中太陽能與電能間的能量轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。其給出一種具有高水平能量轉(zhuǎn)化優(yōu)點(diǎn)的供電電路，提高傳感器的儲(chǔ)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(fā)電的最優(yōu)節(jié)能得以實(shí)現(xiàn)。

1.1 控制器無線通信芯片設(shè)計(jì)

在所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器中，無線通信芯片是連接各設(shè)備、電路、元件之間數(shù)據(jù)通信的中間紐帶。由于無線通信芯片能夠?qū)刂破髦兴型ㄐ艛?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)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(jié)能效果，并可有效縮短網(wǎng)絡(luò)延遲，故要求所選無線通信芯片應(yīng)具有良好的可靠性和通信效率。

選用挪威NORDIC公司設(shè)計(jì)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(qiáng)，并擁有豐富的片上資源，可進(jìn)行片內(nèi)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(fā)送通信數(shù)據(jù)時(shí)，光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)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(jīng)由通信總線將數(shù)據(jù)保存并統(tǒng)計(jì)，再生成通信文件。文件管理對通信文件進(jìn)行核準(zhǔn)后，nRF905無線通信芯片再將通信數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

在接收數(shù)據(jù)過程中，數(shù)字控制將對符合nRF905無線通信芯片接收標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，此時(shí)接口5自動(dòng)進(jìn)入高引腳。

選用nRF905無線通信芯片的一項(xiàng)重要原因是：nRF905無線通信芯片能夠在實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)部有效通信的基礎(chǔ)上為通信工作提供節(jié)能模式，這對實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)初衷意義非凡。節(jié)能模式可在維持控制器正常通信的前提下，縮減自身電流和數(shù)據(jù)收發(fā)的持續(xù)時(shí)間。通常，開啟節(jié)能模式的nRF905無線通信芯片便能夠滿足光伏發(fā)電的通信工作需求，故可默認(rèn)長期開啟，于特殊情況下進(jìn)行關(guān)閉即可。

1.2 控制器供電電路設(shè)計(jì)

因?yàn)閭鞲衅鞯膬?chǔ)能性能較弱，所以供電電路的合理設(shè)計(jì)對光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器具有重要意義。所設(shè)計(jì)的供電電路不但能夠?yàn)榭刂破鞴?yīng)工作電能，也能優(yōu)化太陽光光強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)化。

在光伏發(fā)電中，太陽能的強(qiáng)弱會(huì)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(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器設(shè)計(jì)了兩種供電電路。當(dāng)環(huán)境太陽能較強(qiáng)時(shí)，太陽能收集板的輸出電流是不存在較大浮動(dòng)的，此時(shí)供電電路應(yīng)為控制器提供正向偏壓，如圖2所示。當(dāng)環(huán)境太陽能較弱時(shí)，則需要增強(qiáng)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(fù)載，由于該負(fù)載值并不確定，故用虛線描述；D是PN結(jié)型光電二極管，這種二極管的響應(yīng)時(shí)間非常短，可實(shí)現(xiàn)太陽光能量的吸收以及傳感器射頻傳輸?shù)冗^程。并具有非常強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)化性能，可對太陽光的能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行合理優(yōu)化；U是供電電路的輸出端；R0和R1的作用是增強(qiáng)供電電路對太陽能收集板輸出電流的敏感性，這兩個(gè)負(fù)載的阻值為一大一小，將二者串聯(lián)并使其中之一與PN結(jié)型光電二極管進(jìn)行并聯(lián)，對供電電路輸出值的影響非常小，可忽略不計(jì)。

1.3 太陽光傳感器芯片設(shè)計(jì)

太陽光傳感器是一種不受地域經(jīng)緯度限制、可對太陽運(yùn)行軌跡和輻射光強(qiáng)進(jìn)行精確感應(yīng)的特效傳感器。光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)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?qū)?0 Hz以下的太陽光波動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)修正，比較適合應(yīng)用于光伏發(fā)電中。圖4描述的是TSL2678芯片結(jié)構(gòu)圖。

由圖4可知，波動(dòng)幅值小于60 Hz的太陽光光強(qiáng)可作為鎖定事件輸入到太陽光傳感器的TSL2678芯片中進(jìn)行參數(shù)提取。高于60 Hz 波動(dòng)幅值的太陽光光強(qiáng)，將先經(jīng)由供電電路進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，優(yōu)化成鎖定事件后再輸入TSL2678芯片。積分模/數(shù)轉(zhuǎn)換器先將太陽光參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號形式，再實(shí)現(xiàn)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(qiáng)的精準(zhǔn)輸出。

2 光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器軟件設(shè)計(jì)

所提光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器的節(jié)能控制流程，如圖5所示。

由圖5可知，為了增強(qiáng)光伏發(fā)電中太陽能與電能間的能量轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器的節(jié)能控制，本文使用nRF905無線通信芯片對整個(gè)節(jié)能控制流程進(jìn)行監(jiān)控。供電電路初始化后，nRF905無線通信芯片幫助搜索通信數(shù)據(jù)中需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的太陽光光強(qiáng)，經(jīng)由供電電路實(shí)現(xiàn)能量優(yōu)化。此后，nRF905無線通信芯片對太陽光傳感器進(jìn)行喚醒，利用其中的TSL2678芯片計(jì)算出太陽光最佳采集位置和該位置的太陽光光強(qiáng)。管理人員將參考該輸出結(jié)果，對光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器進(jìn)行調(diào)整與維護(hù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

現(xiàn)對某省級光伏發(fā)電站進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析本文所設(shè)計(jì)的控制器是否擁有較短的網(wǎng)絡(luò)延遲和較好的節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)中與本文控制器進(jìn)行對比的控制器有：雙層儲(chǔ)能傳感器節(jié)能控制器和基于電容和單片機(jī)的傳感器節(jié)能控制器。實(shí)驗(yàn)對2016年4—6月的實(shí)驗(yàn)光伏發(fā)電站各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)光伏發(fā)電站2014年和2015年的同期實(shí)際發(fā)電量如表1所示。

3.2 控制器網(wǎng)絡(luò)延遲分析

在實(shí)驗(yàn)光伏電網(wǎng)中，不同月份的網(wǎng)絡(luò)延遲限制標(biāo)準(zhǔn)也不同，本文控制器、雙層儲(chǔ)能傳感器節(jié)能控制器和基于電容和單片機(jī)的傳感器節(jié)能控制器的網(wǎng)絡(luò)延遲實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知，光伏電網(wǎng)給出的4—6月網(wǎng)絡(luò)延遲限制標(biāo)準(zhǔn)均為直線，直線的下方區(qū)域表示網(wǎng)絡(luò)延遲標(biāo)準(zhǔn)范圍。雙層儲(chǔ)能傳感器節(jié)能控制器和基于電容和單片機(jī)的傳感器節(jié)能控制器的網(wǎng)絡(luò)延遲曲線均有超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的現(xiàn)象出現(xiàn)，而本文控制器的網(wǎng)絡(luò)延遲曲線始終處于網(wǎng)絡(luò)延遲限制標(biāo)準(zhǔn)直線的下方，證明本文控制器的網(wǎng)絡(luò)延遲較短。

3.3 控制器節(jié)能效果分析

表2描述的是在三個(gè)控制器的節(jié)能控制下，實(shí)驗(yàn)光伏發(fā)電站在4—6月的發(fā)電量。

對比表1、表2可知，本文控制器產(chǎn)生的發(fā)電量最高，每月可平均節(jié)約實(shí)驗(yàn)光伏發(fā)電站約740.50 kW·h的煤炭發(fā)電量，可有效減少燃燒煤炭產(chǎn)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(jié)能效果較好。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)一種新型光伏發(fā)電中的傳感器節(jié)能控制器，其以調(diào)整光伏發(fā)電中太陽能采集位置為節(jié)能方案，增強(qiáng)光伏發(fā)電中太陽能與電能間的能量轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。所設(shè)計(jì)的控制器擁有高水平的能量轉(zhuǎn)化供電電路，可提高傳感器的儲(chǔ)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(shè)計(jì)初衷得以實(shí)現(xiàn)。本文在某省級光伏發(fā)電站進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文控制器擁有較短的網(wǎng)絡(luò)延遲和較好的節(jié)能效果。

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