光反射型光伏板清洁度检测仪设计

周晓明，朱周洪，陈军松，毛拾文，黄永忠

(1.中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018;2.杭州中自华内光电科技有限公司，浙江 杭州 310018))



光反射型光伏板清洁度检测仪设计

周晓明1，2，朱周洪1，陈军松2，毛拾文2，黄永忠2

(1.中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018;2.杭州中自华内光电科技有限公司，浙江 杭州 310018))

【摘要】光伏板表面的污染物严重影响其发电效率，为此而设计了一种光反射信号的清洁度检测仪.以小角度蓝光LED为光源，采用S7183光电二极管实时检测光源在光伏板表面反射的光信号，通过C8051F530A-IM单片机接收处理数据，根据反射光强度与清洁度Sa呈正相关的关系，建立定标模型，计算出光伏板的清洁度Sa.系统采用RS485通信，将数据提交给光伏监测系统，方便光伏电站的管理.实际应用表明，该检测仪具有无破坏性测量及抗干扰能力强，易实现在线测量等特点.

【关键词】光反射；光伏板清洁度；单片机；RS485串口通信

太阳辐射能作为一种自然能源，以其储量丰富且无污染性显示了其独特的优势，已被国际公认为未来最具竞争性的能源之一.而光伏发电技术也已逐步发展成熟，可以产生新兴、无污染的可再生能源，并在国内外得到广泛的应用.预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上[1-2].

光伏电站主要完成光电转换功能，其中太阳能光伏板是太阳能转换的重要部位.由于太阳能光伏板在户外使用，光伏板表面容易被污染，尤其是固体颗粒的堆积，严重影响光伏板的发电效率.为了及时清理光伏板积灰，需要对其清洁度进行检测.本文设计了一种基于光反射的光伏板清洁度检测仪，采用C8051F530A-IM单片机作为核心处理器，LM3405AXMY为LED驱动模块，LTC2856IMS8为通信模块，ltc6240CS5为放大处理模块.以一定角度照射到光伏板表面的LED光源发生散射、吸收和反射，随着光伏板表面落尘增多，散射和吸收增强，反射光强度Ir减弱.检测在光伏板表面的反射光，根据反射光强度Ir与清洁度Sa的关系，通过定标，即可计算出光伏板的清洁度Sa[3].

1设计原理

光源以一定角度照射到光伏板表面上，一部分光被反射，一部分光被光伏板表面灰尘等散射和吸收.则有：

I0=Ir+Ia+Is，

(1)

其中:I0—入射光强，Ir—反射光强，Ia—吸收光强,Is为散射光强，可得

Ir=I0-(Ia+Is).

(2)

光伏板表面积灰增加，散射和吸收增强，Ia和Is增大，Ir减小，即清洁度Sa与Ir呈正相关.

检测原理如图1.图中101为驱动电路模块、102为LED、103为滤光片、104为光电探测器.

图1　光路原理图Figure 1　Schematic of optical path

光源以一定角度照射到光伏板表面，在光伏板表面发生散射、吸收和反射，滤光片滤除室外环境中的杂光，采用S7183光电二极管实时检测反射的光信号，对信号过滤放大处理，通过C8051F530A-IM单片机接收处理数据，根据反射光强度与清洁度Sa呈正相关的关系，计算出光伏板的清洁度Sa.

已知光源发射光的光强I0，测得反射光强Ir，令x=Ir/I0，即反射光与入射光比值.根据不同x对应的发电效率，来标定清洁度Sa.

本文通过试验，测量不同x对应的发电效率，对清洁度检测仪进行了标定，得到了清洁度计算公式：

Sa=1.546×10-9x5-4.005×10-7x4+3.363×

10-5x3-0.000 9x2+0.01x+0.119

(3)

2设计方法

基于光反射信号的光伏板清洁度检测仪主要包括硬件(驱动电路模块、控制模块、通信模块和光强检测处理模块)和软件.

2.1硬件的设计

硬件部分采用模块化设计，主要由驱动电路模块、控制模块、通信模块和光强检测处理模块组成，其组成框图如图2.

图2　硬件框图Figure 2　Diagram of hardware frame

2.1.1驱动电路模块

光源采用功率3 W，波长450 nm的蓝光LED，发光角度15°，聚光性高，稳定性好.本模块的驱动选用LM3405AXMY恒流驱动芯片，驱动电路如图3.

图3　驱动模块电路原理图Figure 3　Schematic diagram of the driving circuit module

LM3405A是一款恒流降压驱动，它具有3 V到22 V的较宽输入电压范围，输出电流可调，最大可达1A，可满足驱动点亮一颗3 W的蓝光LED.LM3405A通过DIM引脚可以接受宽范围的PWM调光.在图3典型应用电路中，FB引脚的电压为0.205 V，因此设置LED通过的最大电流是通过改变FB和接地之间的电阻R1的阻值，计算公式为IF=VFB/R1.

2.1.2控制模块

控制模块选用C8051F530A-IM单片机作为核心处理器，该单片机是Silicon Lab推出的具有完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容.具有高速、低功耗及超强抗干扰等特点，采用5 V电源供电，具有计数器阵列PCA可用于PWM，通用16位定时器，12位ADC，8k Flash存储空间，-45～+85 ℃工业级芯片，能够满足数据采集、智能管理、光谱调控、PWM信号输出等工作，为系统的功能实现提供了基础和保障.电路如图4.其中P0.1口接入放大信号，P1.7口控制PWM输出，TX、RX、P0.3口接通信模块，C2CK、C2D用于完成程序的下载[6-7].

图4　控制模块电路原理图Figure 4　Schematic diagram of control circuit

2.1.3通信模块

通信模块采用LTC2856IMS8芯片，该芯片采用+5 V电源工作，其额定电流为900 μA,它能将UART输出电平转换为RS485电平[8].电路如图5.该芯片有8个引脚，其内部含有1个接收器和1个驱动器.RO为接收器的输出端，接单片机的RX引脚；DI为驱动器的输入端，接单片机的TX引脚.RE是接收使能端，当RE=0时，LTC2856IMS8芯片处于接收状态；DE是发送使能端，当DE=1时，LTC2856IMS8芯片处于发送状态,RE和DE接单片机的RE引脚.

图5　通信模块电路原理图Figure 5　Schematic diagram of communication　　　circuit module

2.1.4光强检测处理模块

检测仪在室外使用时，太阳光等杂散光对探测器会产生干扰，为此在探测器之前安装450 nm干涉带通滤光片滤除杂散光，只保留450 nm的蓝光波段.探测器采用波长范围300～1 000 nm的S7183光电二极管作为检测元件，将接收到的光信号转化为电信号，通过滤波电路滤除检测到的日光中的蓝光波段的信号[9].太阳光在真空中传播关系：光速=频率×波长，即C=λ·f.蓝光波长为450 nm，频率约为6.7×105GHz.而LED通过PWM脉冲调制，考虑人眼视觉、人耳听觉的范围，设置为20 kHz.滤波电路使用小电容滤除频率更高的太阳光信号.光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，采用ltc6240CS5芯片的反向电荷放大器将信号放大后接入单片机P0.2端口进行A/D转换，从而实现反射光光强检测[10].

2.2软件设计

软件采用模块化程序设计思想，用C语言编写，程序流程图见图6.主要包括主程序模块、时基调控模块、PWM信号控制模块和通信模块.子模块各司其能，有主程序统筹协调各模块依存关系，以期达到操作界面友好，控制效果理想，系统高度稳定的目标.首先完成各模块的初始化，并进行参数设置，包括时间、光强、清洁度的初始化.接下来利用相关算法计算检测到的光电参数，得到光伏板实时的清洁度精确数据.

图6　程序流程图Figure 6　Software flow chart

2.3装置安装及使用方法

基于光反射信号的光伏板清洁度检测仪安装简便快速.装置具有配套的夹具，可以直接固定在光伏板边框上，不会遮挡光伏发光有效区域.使用

方法包括以下步骤.

1) 将光伏板清洁度检测仪固定在光伏板表面，连接电源，上电.

2) 定标：清洁灯光照射区域，上位机通过RS485向装置发送定标指令(该步骤只在初次使用时执行).

3) 测量：光束照射到光伏板表面，并在光伏板表面发生反射、吸收和散射；探测器接收反射光信号；探测器对接收到的光信号进行光电转换得到电信号；信号处理模块对电信号进行滤波、放大和A/D转换，微处理器计算得到光伏板的清洁度.

4) 上位机向装置发送请求指令，数据通过通信模块上传到上位机(采集器，气象仪，光伏电站监控)，即可查看清洁度的实时数据.

2.4测量数据分析

采用本文设计的基于光反射信号的光伏板清洁度检测仪对多晶硅太阳能电池板17.5V/10W清洁度进行检测.将清洁度检测仪固定于光伏板表面，连接电源和外围电路.实验设5次重复，记录一个月内的清洁度变化，结果如表1.

表1　清洁度测量结果

3结论

研发了一种基于光反射信号的光伏板清洁度检测仪，该检测仪用蓝光LED以一定角度照射到光伏板表面，并在光伏板表面发生散射、吸收和反射，随着光伏板表面落尘增多，散射和吸收增强，反射光强度Ir减弱.采用S7183光电二极管检测光源在光伏板表面反射的光信号，通过定标、计算测得光伏板的清洁度监视光伏板清洁度的实时数据.试验证明本检测仪具有准确测量，测量偏差小，也表明用该装置及其方法测量光伏板清洁度具有稳定性高、重复性好的特点.

【参考文献】

[1]马宁．太阳能光伏发电概述及发展前景[J]．智能建筑电气技术，2011,5(2):25-28．

MA Ning.Overview and development prospects on solar photovoltaic[J].Electrical Technology of Intelligent Buildings,2011,5(2):25-28．

[2]胡云岩，张瑞英，王军.中国太阳能光伏发电的发展现状及前景[J].河北科技大学学报，2014,35(1):69-72.

HU Yunyan, ZHANG Ruiying, WANG Jun.Development status and prospect of solar photovoltaic power generation in China[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2014,35(1):69-72.

[3]张秋佳，白烨.利用光散射理论在线检测表面粗糙度[J].工具技术，2007,41(9):80-81.

ZHANG Qiujia,BAI Hua.In-process measuring surface roughness by using light scattering theory[J].Tool Engineering,2007,41(9):80-81.

[4]唐家德.基于matlab的非线性曲线拟合[J].计算机与现代化,2008,154(6),15-18.

TANG Jiade.Non linear curve fitting based on matlab[J].Computer and Modernization, 2008,154(6),15-18.

[5]陈光,任志良,孙海柱.最小二乘曲线拟合及matlab实现[J].兵工自动化，2005,24(3):107-108.

CHEN Guang, REN Zhiliang, SUN Haizhu.Curve fitting in least-square method and its realization with matlab[J].Ordnance Industry Automation, 2005,24(3):107-108.

[6]张培仁，孙力．基于C语言系列微控制器原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2007:80-170.

[7]潘琢金，施国君．C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003:175-202.

[8]江贤志,刘华章,张教育，等.基于C8051F020单片机的RS485串行通信设计[J].电子测量技术,2014,37(3):121-124.

JIAN Xianzhi, LIU Huazhang, ZHANG Jiaoyu, et al. Design of RS485 serial communication based on MCU C8051F5020[J].Electronic Measurement Technology,2014,37(3):121-124.

[9]左全生.带通滤波电路的相频特性研究[J].常州工学院学报,2010,23(1):32-38.

ZUO Quansheng.A study of the phase as a function of frequency about band-pass filters[J].Journal of Changzhou Institute of Technology, 2010,23(1):32-38.

[10]于丽娜，秦丽.C8051F单片机信号采集系统[J].仪表技术与传感器，2011(7):53-55.YU Lina,QIN Li.Signal acquisition system based on C8051F[J].Instrument Technique and Sensor,2011(7):53-55.

Design of a photovoltaic panel cleanness detector based on reflection light

ZHOU Xiaoming1，2, ZHU Zhouhong1, CHEN Junsong2,MAO Shiwen2, HUANG Yongzhong2

(1. College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Hangzhou Chitic Vana Optoelectronic Technological Co. Ltd, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Dust accumulated on photovoltaic panels seriously decreases the efficiency of photovoltaic panels. An cleanness detector based on reflection light was designed. The light source was a blue light LED with small light angle. A S7183 photodiode was used to detect the light signal reflected from the surface of the photovoltaic panel. The received data were processed through the C8051F530A-IM microcontroller. According to the calibration model, the cleanliness of the photovoltaic panel could be calculated. In addition, the RS485 serial communication was used to transfer data to the photovoltaic monitoring system which facilitated the management of photovoltaic power plants. The practical application shows that the detector is non-destructive, anti-interference and easy for realize on-line measurement.

Key words:light reflection; photovoltaic panel cleanness; single chip microcomputer; RS485 serial communication

【文章编号】1004-1540(2016)01-0044-04

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.008

【收稿日期】2015-12-11《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

【作者简介】周晓明(1992- )，男，浙江省杭州人，硕士研究生，主要研究方向为光谱检测.E-mail:18767158091@163.com

【中图分类号】TN29

【文献标志码】A

通信联系人：黄永忠，男，高级工程师.E-mail:Huangyz@chitic.com