CN108007506A - 一种太阳能发电系统的数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能发电系统的数据采集装置，包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、RS485通信单元和电源单元。本发明结合单片机技术和传感器技术，能够对环境的温湿度、光强度、风速和光伏电池的发电量进行实时采集、显示和存储，对太阳能发电系统的正常高效运行提供了保障，为系统的改进和优化以及后续的科学研究提供了非常有用的原始测量数据，同时可通过RS485与上位机进行远程通信，达到了远程监测的目的。

Description

一种太阳能发电系统的数据采集装置

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，特别涉及一种太阳能发电系统的数据采集装置。

背景技术

太阳能发电分为光热发电和光伏发电，通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，这种技术的关键元件是光伏电池。光伏电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的光伏电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统。

光伏电池组件大都安装于户外环境中，而太阳能发电系统的能量输出会因周围环境的变化而表现出较大的差异。因此，为了确保太阳能发电系统能够正常的工作，需要对太阳能发电系统的各项环境参数进行测量，从而有效地控制其运行。并且太阳能发电系统的运行一般是在无人值守的情况下进行的，对地面上很分散的光伏系统进行监测维护是十分困难繁琐的，需要大量的时间和人力物力。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种太阳能发电系统的数据采集装置，能够对环境的温湿度、光强度、风速和光伏电池的发电量进行实时监测，对太阳能发电系统的正常高效运行提供了保障。

(二)技术方案

一种太阳能发电系统的数据采集装置，包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、RS485通信单元和电源单元；

所述温湿度采集单元选用数字温湿度传感器SHT11；所述温湿度采集单元采集光伏电池的环境温湿度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述光强采集单元包括光强度传感器和第一～第四电阻，其中所述光强度传感器选用光-数字转换器TSL2561；所述光强采集单元采集所述光伏电池的环境光照强度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述风速测量单元选用风速传感器FC-2A3；所述风速测量单元测量所述光伏电池的环境风速参数，输出模拟电平信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述光伏电池采样单元包括电流传感器、第一～第三运算放大器、第一～第四二极管、第五～第二十电阻、第一和第二电容，其中所述电流传感器选用霍尔电流传感器CHB_50A，所述第一～第三运算放大器选用四运算放大器LM324，所述第一和第四二极管为肖特基二极管；所述光伏电池采样单元采集所述光伏电池的发电量，输出模拟电压信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述数据处理单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池采样单元的采集数据进行处理，并与预设值比较分析，所述数据处理单元输出分别连接所述存储单元、所述显示单元和所述报警单元；

所述存储单元包括EEPROM存储器、第二十一和第二十二电阻，其中所述EEPROM存储器选用24C02；所述存储单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池采样单元的采集数据进行保存；

所述显示单元实时显示当前环境的温湿度、光强、风速和所述光伏电池的发电量数据；

所述报警单元包括蜂鸣器、发光二极管、三极管和第二十三电阻；当所述数据处理单元判定采集的数据不符合预设值范围时，驱动所述报警单元进行声光报警；

所述RS485通信单元包括RS485驱动器、第三电容和第二十四～第三十电阻，其中所述RS485驱动器选用MAX485；所述数据处理单元通过所述RS485通信单元与上位机进行通信连接，将采集的数据上传至所述上位机，同时通过所述上位机修改和设定测量参数；

所述电源单元包括稳压器和第四～第七电容，其中所述稳压器选用三端稳压器LM7805，所述第四和第六电容为电解电容；所述电源单元将所述光伏电池的输出电压转换为5V的装置工作电压，从而为装置其它各单元供电。

进一步的，所述数据处理单元选用单片机MSP430F148。

进一步的，所述显示单元选用LCD12864液晶模块。

进一步的，所述光伏电池规格选用工作电压12V，工作电流1A。

(三)有益效果

本发明提供了一种太阳能发电系统的数据采集装置，结合单片机技术和传感器技术，能够对环境的温湿度、光强度、风速和光伏电池的发电量进行实时采集、显示和存储，对太阳能发电系统的正常高效运行提供了保障，为系统的改进和优化以及后续的科学研究提供了非常有用的原始测量数据，同时可通过RS485与上位机进行远程通信，达到了远程监测的目的，其装置结构简单，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，易维护，可扩展性强，适用范围广，为光伏系统的远程监管提供了有利参考。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的功能框图。

图2为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的温湿度采集单元电路原理图。

图3为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的光强采集单元电路原理图。

图4为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的光伏电池采样单元电路原理图。

图5为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的存储单元电路原理图。

图6为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的报警单元电路原理图。

图7为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的RS485通信单元电路原理图。

图8为本发明所涉及的一种太阳能发电系统的数据采集装置的电源单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种太阳能发电系统的数据采集装置，包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、RS485通信单元和电源单元。

温湿度采集单元采集光伏电池的环境温湿度参数，输出数字信号送入数据处理单元。如图2所示，温湿度采集单元选用数字温湿度传感器SHT11，该传感器U1采用独特的CMOS技术，将温湿度传感器、信号放大处理、A/D转换、I2C总线全部集成在一块芯片上，可通过I2C总线直接与单片机接口连接。该芯片采用数字式输出，简化了外围电路和编程。

光强采集单元采集光伏电池的环境光照强度参数，输出数字信号送入数据处理单元。如图3所示，光强采集单元包括光强度传感器U2和电阻R1～R4，其中光强度传感器U2选用光-数字转换器TSL2561。TSL2561具有数字式输出端口和标准I2C总线接口，涵盖1～70000Lx的宽照度范围，非常适合户外环境下光照强度的测量，适用于太阳能发电系统。其也可通过I2C总线直接与单片机接口连接，简化了外围电路和编程。

风速测量单元测量光伏电池的环境风速参数，输出模拟电平信号送入数据处理单元的A/D口。当风速超过一定值时，若光伏电池处于非水平位置，可能会造成光伏电池因风力过大而受损，因此需要实时检测当前环境风速。风速测量单元选用风速传感器FC-2A3，输出0～5V电压，测量风速范围0～30m/s，输出的电压幅值与风速值相对应。

光伏电池采样单元采集光伏电池的发电量，输出模拟电压信号送入数据处理单元的A/D口。如图4所示，光伏电池采样单元包括电流传感器U3、运算放大器U4A～U4C、二极管D1～D4、电阻R5～R20、电容C1和C2，其中电流传感器U3选用霍尔电流传感器CHB_50A，运算放大器U4A～U4C选用四运算放大器LM324，二极管D1和D4为肖特基二极管。霍尔电流传感器CHB_50A的工作原理为霍尔磁补偿，额定电流为50A，匝数比为1：1000，工作电压为5V。电流传感器U3采集的光伏电池的工作电流信号首先经过一个功率电阻R14转换为相应的电压信号，再经电阻R16和电容C1组成的RC滤波后与一直流电压给定信号DCin相加后经LM324比例放大，与直流电压给定信号DCin叠加的目的是使输入的电流信号经过直流偏置后在0～5V之间变化，满足数据处理单元的A/D口对输入信号的要求，RC滤波及比例放大是为了减小干扰。

数据处理单元对温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元和光伏电池采样单元的采集数据进行处理，并与预设值比较分析，据处理单元输出分别连接存储单元、显示单元和报警单元。数据处理单元选用单片机MSP430F148，其工作电压为5V，是一款带10位A/D转换的单片机芯片，具有超强抗干扰的特性，并且具有超低的功耗，正常工作时电流仅为4～7mA，空闲时电流＜1mA。它的工作周期仅为一个时钟周期，可以大大降低使用的外部晶振的频率，从而降低电磁干扰。MSP430F148具有引脚少、体积小、价格低、使用方便等特点，可降低开发成本，缩短开发周期。

存储单元对温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元和光伏电池采样单元的采集数据进行保存。由于采集数据量较大，需要外接存储器。如图5所示，存储单元包括EEPROM存储器U5、电阻R21和R22，其中EEPROM存储器U5选用24C02。

显示单元选用LCD12864液晶模块，对当前环境的温湿度、光强、风速和光伏电池的发电量数据进行实时显示，方便维护检测人员及时了解太阳能发电系统的运行情况。

当数据处理单元判定采集的数据不符合预设值范围时，驱动报警单元进行声光报警。如图6所示，报警单元包括蜂鸣器B1、发光二极管LED1、三极管Q1和电阻R23。选用蜂鸣器B1作为报警发生装置，NPN三极管Q1作为驱动，考虑到I/O口的驱动能力，MSP430F148将以灌电流形式控制蜂鸣器B1发声。控制I/O口由MSP430F148的P1.5脚提供，当I/O口为低电平时，蜂鸣器B1发声，发光二极管LED1点亮；为高电平时，蜂鸣器B1停止发声，发光二极管LED1熄灭。

数据处理单元通过RS485通信单元与上位机进行通信连接，将采集的数据上传至上位机，同时通过上位机修改和设定测量参数，如环境参数的限值范围、采样参考电平、串口波特率等。如图7所示，RS485通信单元包括RS485驱动器U6、电容C3和电阻R24～R30，其中RS485驱动器U6选用MAX485。RS485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，与上位机之间的连线只需简单的用一对双绞线将“A”、“B”端连接起来即可实现通信，非常方便，完全满足离线测量系统远距离传输的要求。

由于装置安装在太阳能发电系统现场，可以很方便的直接采用光伏电池供电。光伏电池规格选用工作电压12V，工作电流1A。而装置的工作电压为5V，因此需要电源单元进行电压转换。如图8所示，电源单元包括稳压器U7和电容C4～C7，其中稳压器U7选用三端稳压器LM7805，电容C4和C6为电解电容。光伏电池产生的12V电压通过稳压器LM7805后，得到稳定的5V电压输出，为装置其它各单元供电。

本发明提供了一种太阳能发电系统的数据采集装置，结合单片机技术和传感器技术，能够对环境的温湿度、光强度、风速和光伏电池的发电量进行实时采集、显示和存储，对太阳能发电系统的正常高效运行提供了保障，为系统的改进和优化以及后续的科学研究提供了非常有用的原始测量数据，同时可通过RS485与上位机进行远程通信，达到了远程监测的目的，其装置结构简单，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，易维护，可扩展性强，适用范围广，为光伏系统的远程监管提供了有利参考。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种太阳能发电系统的数据采集装置，其特征在于：包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、RS485通信单元和电源单元；

所述温湿度采集单元选用数字温湿度传感器SHT11；所述温湿度采集单元采集光伏电池的环境温湿度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述光强采集单元包括光强度传感器和第一～第四电阻，其中所述光强度传感器选用光-数字转换器TSL2561；所述光强采集单元采集所述光伏电池的环境光照强度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述风速测量单元选用风速传感器FC-2A3；所述风速测量单元测量所述光伏电池的环境风速参数，输出模拟电平信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述光伏电池采样单元包括电流传感器、第一～第三运算放大器、第一～第四二极管、第五～第二十电阻、第一和第二电容，其中所述电流传感器选用霍尔电流传感器CHB_50A，所述第一～第三运算放大器选用四运算放大器LM324，所述第一和第四二极管为肖特基二极管；所述光伏电池采样单元采集所述光伏电池的发电量，输出模拟电压信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述数据处理单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池采样单元的采集数据进行处理，并与预设值比较分析，所述数据处理单元输出分别连接所述存储单元、所述显示单元和所述报警单元；

所述存储单元包括EEPROM存储器、第二十一和第二十二电阻，其中所述EEPROM存储器选用24C02；所述存储单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池采样单元的采集数据进行保存；

所述显示单元实时显示当前环境的温湿度、光强、风速和所述光伏电池的发电量数据；

所述报警单元包括蜂鸣器、发光二极管、三极管和第二十三电阻；当所述数据处理单元判定采集的数据不符合预设值范围时，驱动所述报警单元进行声光报警；

所述RS485通信单元包括RS485驱动器、第三电容和第二十四～第三十电阻，其中所述RS485驱动器选用MAX485；所述数据处理单元通过所述RS485通信单元与上位机进行通信连接，将采集的数据上传至所述上位机，同时通过所述上位机修改和设定测量参数；

所述电源单元包括稳压器和第四～第七电容，其中所述稳压器选用三端稳压器LM7805，所述第四和第六电容为电解电容；所述电源单元将所述光伏电池的输出电压转换为5V的装置工作电压，从而为装置其它各单元供电。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能发电系统的数据采集装置，其特征在于：所述数据处理单元选用单片机MSP430F148。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能发电系统的数据采集装置，其特征在于：所述显示单元选用LCD12864液晶模块。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能发电系统的数据采集装置，其特征在于：所述光伏电池规格选用工作电压12V，工作电流1A。