基于云平台的低功耗智能家用太阳能供电系统

基于云平台的低功耗智能家用太阳能供电系统

张力塬何金钟周横庄杰摘要：为了提高家庭供电系统太阳能利用率，尽可能地降低家庭用电功耗，设计了一套新型绿色环保太阳能供电系统。该系统通过太阳能光板采集能量、蓄电池储存能量，集成最大功率电追踪、逆变升压、电量检测等技术，利用云平台管理技术，针对不同的电量情况进行控制从而保障用户负载的不间断供电。用户可以在手机客户端以及PC端查看系统的工作情况，并对系统做相应的设置与控制。文章介绍了这种低成本、高可靠性、高效率、智能化的家用太阳能供电系统。Key：环保；太阳能；云平台；低功耗可信赖的能量供应对任何一个国家的社会经济的发展都是非常重要的。由于成本的增加和化石燃料对环境的负面影响，可再生能源正逐渐进入人们的视野并且正在推动着能源市场的变革。相对一些其他的可再生能源，太阳能以其取之不尽、用之不竭以及无污染性正在成为人们的首选。所以本文提出了基于云平台的低功耗智能家用太阳能供电系统。该系统是一种集成各种信息设备技术创新复合应用的智慧供电系统，具备能量采集、智慧控制等多种功能。产品采用模块化结构设计，客户可根据不同需求和不同应用场合，选择不同的功能模块，为业主提供更好的服务和基础设施。1系统总体设计基于云平台的低功耗智能家用太阳能供电系统使用STM32F103作为主控，利用全网通（n）模块获取网络，从而接入物联网平台，构建与手机终端以及前端的通信；本系统由电量检测模块、光伏发电模块、检测控制模块、物联网云平台（阿里云平台）等主要模块组成，如图1所示。太阳能光板采用单晶硅太阳能电池板收集光能，单块尺寸为1640mm×990mm×40mm，工作电压31.8V，工作电流8.17A；本系统应用了最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）电路以及室内光能微电源，MPPT电路根据实际情况对工作点实时调整，最大限度地从能量源输出能量并储存到电池里面，通过隔离、稳压电路，实现为传感器节点进行供电，最大限度地利用光能[1]；逆变电路采用推挽升压和全桥逆变两极变换，前后级之间完全隔离，将直流电转化为220V，50Hz的交流电[2]；获取电池电荷状态是电量检测中最基本、最重要的，但蓄电池的端电压与蓄电池的剩余电量之间并没有直接关系，所以我们选用检测蓄电池充放电回路中的负载的实时压降来检测其剩余电量，以便完成备用电源以及太阳能的切换。2硬件设计硬件结构由微控制器、电量检测模块、稳压模块、检测控制模块、WiFi模块、MPPT电路、逆变电路和功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）电路[3]组成。其中微控制器采用STM32F103。2.1电量检测模块如图2所示，电量检测模块由运算放大器和充放电回路组成[4]。因为直接测量蓄电池组两端的端电压并不能直接确定蓄电池的剩余电量，所以通过检测蓄电池组的充放电电流来确定其电量。在蓄电池组充放电回路中串联一个小负载以得到压降。当放电时，该压降为正，当充电时，压降为负。我们把这一电压值作为运放MCP6002中一组运放的其中一路输入，将经过运算处理得到A/D采样的输入值，运算放大器的输出值就是蓄电池的剩余电量。2.2检测控制模块检测控制模块主要由STM32F103、电量检测模块、固态继电器组成，电路示意如图3所示。工作原理是：电量检测模块将剩余电量通过1路A/D通道采集至STM32F103；然后将该电压与预先设定好的电压阀值作比较。如果达到标准，则接通固态继电器，由蓄电池向用户进行供电。反之，如果达不到标准，则由备用电源向用户进行供电。本模块中的固态继电器采用直流型，当且仅当有足够的电流通过时，电路才会形成通路[5]。固体继电器则控制备用电源以及用户之间的开关，当蓄电池的电量不足，不能保证用户供电时，备用电源将作为后备电源为负载进行供电。2.3MPPT电路MPPT电路指的是最大限度地从能量源输出能量[6]。在本系统中，我们采用开路电压比例系数法。在不断变化的光照强度和温度环境下，光伏电池的开路电压和最大功率点时的电压都存在着近似的线性关系。k是与光伏电池特性相关的比例常数，其电路的工作原理是首先对光伏电池的开路电压进行采样，然后控制电路使光伏电池的输出电压不断地接近VMPP，以此重复该过程，从而实现MPPT跟踪[7-9]。此方法设计思路简单，不需要单片机进行控制，而且耗能比较少。2.4逆变电路因为蓄电池输出低电压直流，所以需要逆变电路将太阳能电池输出的直流电压转换为220V，50Hz交流电。设计思路是采用推挽升压和全桥逆变两级变换，前后级完全隔离。控制电路上，前级推挽升压电路采用TL494芯片，用采样变压器绕组电压做闭环反馈；逆变系统采用单片机数字化控制的方式，采样直流母线电压做电压的前馈控制，采样电流做反馈控制；在保护措施上，具有输入过压、欠压保护（见图4），输出过载、短路保护和过热保护等多重保护功能，增强了该电源的可靠性。2.5PFC电路目前所通用的二极管全桥整流对电网造成了谐波污染，大量的高次谐波掺杂其中，对电网造成了危害以及降低了用电设备的功率因数[10]。本系统中，我们采用美国TI公司的UCC28019的有源功率因数校正芯片，UCC28019采用了平均电流模式对电源的功率因数进行校正，适用于宽范围的交流输入，电路的输出为100～2000W的功率因数变换器。同时，UCC28019具有应用简单、调试简单、驱动能力强，保护功能强大等优点，是一种非常好用的功率因数校正芯片。3软件设计蓄电池给用户负载供电前，需要对其输出电压进行检测。电压检测电路实时检测蓄电池输出的直流电压，直流电压值是电量检测模块检测的电压，如果该电压不在电压有效值范围内，蓄電池则无法为用户负载进行供电，备用电源将为用户负载供电，并且为用户发出报警推送。公网的频率为50Hz，所以设置抽样间隔为5ms，备用电网10ms中会出现峰值，5ms保证了采样点的有效性以及真实性。4手机终端通过云平台，实现数据的读取和推送，具体如图5所示。设备通过NB—IOT模块将采集到的蓄电池的用电情况以及剩余电量等传送到云平台，云平台将收到的数据进行收集、存储和分类；云平台通过对单个家庭用电情况与大量家庭用电情况进行比较分析，并对单个家庭提出用电建议，云平台将收到的数据经整理后发送给家庭用电交互终端。5结语基于硬件电路、软件编程、云平台应用3个方面介绍了基于云平台的低功耗智能家用太阳能供电系统的实现方法，解决了室内传感器网络供电、蓄电池电量检测、系统供电不连续等问题，不仅仅降低了系统功耗，而且减轻了公共电网的负担，适合在农村或者别墅区的单体建筑中进行推广，具有很高的应用价值。[Reference][1]光昌国，吴萌，陈敏，等.智能家用太阳能供电系统[J].电子世界，2016（8）：71-72.[2]朱学莉，开思聪，刘奇特，等.太阳能发电与电网供电系统管理装置应用研究[J].苏州科技学院学报（自然科学版），2016（3）：44-47.[3]王慧.太阳能辅助空调供电系统的仿真设计[J].内蒙古科技与经济，2016（21）：102，115.[4]刘鹏宇.基于室内光能和振动能的复合式能量采集微电源系统研究[D].重庆：重庆大学，2013.[5]光昌国，吴萌，陈敏，等.智能家用太阳能供电系统[J].电子世界，2016（8）：71-72.[6]周潇，徐文尚，成一博.蓄电池电量检测及显示系统[J].工业控制计算机，2013（5）：136，139.[7]漆晶，张润，袁浩，等.基于互联网+的智能家居安防管理系统[J].无线电通信技术，2017（6）：67-70