基于北斗衛(wèi)星的太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮國亮+李春來

摘 要： 在野外設(shè)置的太陽能資源監(jiān)測站，由于無公網(wǎng)信號，往往面臨著數(shù)據(jù)無法遠(yuǎn)程傳輸?shù)膯栴}。針對此問題設(shè)計(jì)基于北斗衛(wèi)星的太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由單片機(jī)控制器、北斗通信模塊、傳感器檢測模塊、太陽能電池管理電路組成。系統(tǒng)電源采用具有MPPT功能的CN3767芯片管理太陽能電池板充電電路。太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，按照根據(jù)北斗短報(bào)文的通信速率及容量特點(diǎn)設(shè)定的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行編碼，然后利用北斗模塊的短報(bào)文功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)計(jì)的太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)完成了現(xiàn)場太陽能資源的監(jiān)測及數(shù)據(jù)的傳輸功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了偏遠(yuǎn)地區(qū)太陽能資源監(jiān)測站的自動化、數(shù)字化管理需求。

關(guān)鍵詞： 太陽能資源； 北斗短報(bào)文； 光伏組件； MPPT； 報(bào)文編碼； 電源管理電路

中圖分類號： TN245?34； TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0071?04

Abstract： The solar energy resource monitoring station set in the open has no public network signal and usually faces the problem of data remote transmission. Therefore， a solar energy resource monitoring system based on Beidou satellite is designed. The system consists of microcontroller， Beidou communication module， sensor detection module and solar energy battery management circuit. For system power supply， the CN3767 chip with MPPT function is adopted to manage the charging circuit of solar panel. The data collected by the solar energy resource monitoring system is encoded according to the data protocol set by the communication rate and capacity characteristic of Beidou short message. The short message function of the Beidou module is utilized for data transmission. The designed solar energy resource monitoring system realizes the spot detection of solar energy resource and data transmission， and meets the requirements of automation and digital management of solar energy resource monitoring station in the remote area.

Keywords： solar energy resource； Beidou short message； photovoltaic module； MPPT； message encoding； power management circuit

0 引 言

現(xiàn)有太陽能評價(jià)方法通常通過該地區(qū)的長期氣候信息，從宏觀上評價(jià)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源[1]。然而具體到太陽能電站選址地點(diǎn)的太陽能資源，需要詳細(xì)的太陽能電池板的輸出功率、一天中太陽能的變化、溫濕度的長期變化情況、風(fēng)力的大小等電站建設(shè)評價(jià)信息。目前太陽能資源監(jiān)測裝置常使用光照輻射計(jì)記錄太陽能功率數(shù)據(jù)，然而直接用光伏組件作為傳感器來測量太陽輻射強(qiáng)度，使用光伏太陽能電池板功率響應(yīng)作為太陽能資源的評價(jià)條件，對于光伏發(fā)電來說更加有實(shí)際意義[2]。

我國太陽能資源最豐富的地區(qū)包括青海大部分、西藏中西部、甘肅西部、內(nèi)蒙古西部、新疆東部等地區(qū)，這些地區(qū)太陽能的年總輻射量超過1 750 kWh/m2，等級[3?4]為A。然而這些區(qū)域有大面積的無人地區(qū)，無公網(wǎng)信號也沒有相應(yīng)的通信線路?，F(xiàn)有太陽能觀測站的信息通過有線網(wǎng)或者移動無線網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，然而在無人居住的偏遠(yuǎn)地區(qū)或者山區(qū)無移動網(wǎng)絡(luò)信號，也不具備鋪設(shè)通信線路的必要性。采用我國北斗衛(wèi)星進(jìn)行通信具有不受地域限制、信息安全、全天候通信等特點(diǎn)[5?6]。因此，使用北斗衛(wèi)星短報(bào)文技術(shù)作為太陽能資源監(jiān)測站的通信手段。采用單晶硅光伏組件電池、多晶硅光伏組件作為傳感器測量太陽輻射能量，這種測量方法更接近實(shí)際應(yīng)用條件。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的太陽能資源監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。太陽能資源的測量使用太陽能輻射儀以及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的光伏組件，如單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件作為實(shí)際太陽能發(fā)電的傳感器。太陽能輻射儀記錄太陽能的輻射大小，多塊光伏組件用于測量實(shí)際情況下太陽能轉(zhuǎn)換電量的能力。并且長期運(yùn)行時(shí)，可以獲得光伏組件的發(fā)電情況、衰減率等參數(shù)的變化，為光伏電站的建設(shè)提供參考。光伏組件接上負(fù)載后，利用功率分析模塊測量每個光伏組件的輸出功率、電壓、電流參數(shù)，并將這些參數(shù)匯集到采集儀控制器中。為了獲得觀測地點(diǎn)的環(huán)境情況，使用溫濕度傳感器測量環(huán)境的溫度、濕度的變化。采集獲得環(huán)境參數(shù)、太陽能輻射參數(shù)及電池板參數(shù)后通過北斗短報(bào)文通信功能，發(fā)送到系統(tǒng)服務(wù)器上，做進(jìn)一步的分析處理。北斗短報(bào)文容量較小，監(jiān)測裝置采樣頻率可以設(shè)置，每間隔一定時(shí)間，將采集到的參數(shù)平均值發(fā)送出去。系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)根據(jù)傳感器接口種類進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)接口主要包括：電源管理電路、傳感器設(shè)備與數(shù)據(jù)采集儀之間的接口、北斗衛(wèi)星終端與數(shù)據(jù)采集儀之間的接口。endprint

2 太陽能資源監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

本監(jiān)測電路采用ATmega 128芯片作為系統(tǒng)控制器，該芯片具有128 kB FLASH，4 kB的E2PROM，4 kB的內(nèi)部SRAM，內(nèi)存容量大，并且接口豐富。光伏組件功率輸出分析采用功率分析儀進(jìn)行測量、分析，功率分析儀與ATmega 128通過RS 232接口通信。監(jiān)控系統(tǒng)的工作電源采用CN3767及LM2596進(jìn)行設(shè)計(jì)，其通信模塊采用北斗衛(wèi)星短報(bào)文模塊實(shí)現(xiàn)。

2.1 電源管理電路設(shè)計(jì)

可靠的電源是系統(tǒng)正常工作的首要條件，尤其在野外的設(shè)備，對供電電源的可靠性、穩(wěn)定性的要求更為嚴(yán)格。本系統(tǒng)的電源由太陽能電池板與蓄電池提供，太陽能電池板輸出電壓不穩(wěn)定，不能直接給系統(tǒng)供電。設(shè)計(jì)了專門的電源管理電路，用于給蓄電池充電及電路的正常工作，系統(tǒng)電路為5 V電壓。電源管理模塊采用具有太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能的CN3767芯片設(shè)計(jì)，充電電路如圖2所示。CN3767 可以作為多種電池的充電管理集成電路，具有涓流、恒流、過充電和浮充電模式。該電路主要特點(diǎn)是具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，可以最大限度地利用太陽能板的輸出功率。

在太陽能電池板的伏安特性曲線中[7]，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，在不同的日照強(qiáng)度下，輸出最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的輸出電壓基本相同，亦即只要保持太陽能板的輸出端電壓為恒定電壓，就可以保證在該溫度下光照強(qiáng)度不同時(shí)，太陽能板輸出最大功率。

CN3767的MPPT管腳的電壓被調(diào)制在1.205 V，太陽能板最大功率點(diǎn)電壓如下：

經(jīng)過MPPT調(diào)制，太陽能電池板輸入被限制在設(shè)定的電壓，以維持最大功率輸出。Q1為P型MOS管與電感L1組成充放電電路，電感L1的選擇滿足下式：

圖中R1為電流檢測電阻，充電電流ICH=。蓄電池電壓為12 V。

太陽能電池板輸出電能被存儲到蓄電池中，作為監(jiān)控系統(tǒng)的工作電源。由于監(jiān)控系統(tǒng)的工作電源為5 V，故需要進(jìn)一步將電壓轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

采用LM2596進(jìn)行DC?DC開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)，該電路轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上，輸出驅(qū)動電流3 A。由于北斗模塊工作時(shí)，發(fā)射電流較大，設(shè)計(jì)了兩路LM2596電源電路，一路用于系統(tǒng)工作，另一路專門為北斗模塊供電。

2.2 北斗短報(bào)文接口電路設(shè)計(jì)

使用的北斗模塊集成了北斗RDSS射頻收發(fā)芯片、基帶電路、功放芯片等。可實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文收發(fā)、定位、授時(shí)[8]。北斗短報(bào)文通信電路如圖4所示。

由圖4可知，該模塊通過串口與主控器ATmega 128進(jìn)行通信。該模塊每次最多傳輸120個漢字，發(fā)射頻率為每分鐘1個。通信天線使用無源天線即可，由于發(fā)送電流較大，需單獨(dú)提供一路供電電源。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

北斗短報(bào)文[9]每次最多傳輸120個漢字，即240 B。系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

1） 采集的太陽能資源參數(shù)。光伏組件傳感器有4塊，兩塊單晶硅、兩塊多晶硅組件，每塊組件標(biāo)稱功率均為50 W，輸出電壓為12 V。光伏組件測量參數(shù)包括電壓、電流、功率。電壓參數(shù)占用1 B，分辨率為0.1 V，電壓測量范圍為0～25.5 V；電流參數(shù)占用1 B，分辨率為0.1 A，電流測量范圍為0～25.5 A；功率參數(shù)占用1 B，分辨率為1 W，功率測量范圍為0～255 W；4塊組件的參數(shù)共占用12 B，太陽能輻射參數(shù)占用2 B，共14 B。

2） 環(huán)境參數(shù)。太陽能資源監(jiān)測站附近的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、風(fēng)力。每個參數(shù)占用1 B，共3 B。

3） 數(shù)據(jù)信息編號。由于北斗短報(bào)文存在丟包問題[10]，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送成功的確認(rèn)消息。數(shù)據(jù)編號占用1 B，北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送后，接收端需要將該條數(shù)據(jù)編號反饋給發(fā)送端。

4） CRC校驗(yàn)碼，2 B。CRC校驗(yàn)碼用于檢測接收數(shù)據(jù)是否正確。

太陽能監(jiān)測系統(tǒng)單次采集數(shù)據(jù)需要14+3=17 B。系統(tǒng)采集的參數(shù)，每5 min的平均值作為一次采集結(jié)果。短報(bào)文發(fā)送數(shù)據(jù)分日間與夜間兩種情況。日間累計(jì)采集結(jié)果4次后，系統(tǒng)啟動北斗短報(bào)文發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為17×4+1+2=71 B。夜間只采集環(huán)境參數(shù)，每30 min采集一次，等到日出時(shí)刻將存儲的夜間環(huán)境數(shù)據(jù)一次發(fā)送出去。根據(jù)日出日落時(shí)間的不同，發(fā)送的數(shù)據(jù)長度不等，以夜間12 h計(jì)，則發(fā)送數(shù)據(jù)長度為3×24+1+2=75 B。

程序流程圖如圖5所示。

只有在日間，光伏組件才有功率輸出，對光伏組件的監(jiān)控只在日間進(jìn)行。計(jì)算日出、日落時(shí)間需要的三要素為：地點(diǎn)（經(jīng)緯度）、時(shí)間、時(shí)區(qū)。

首先，通過北斗衛(wèi)星模塊可以獲得經(jīng)緯度、時(shí)間信息，進(jìn)而計(jì)算出當(dāng)?shù)氐娜粘觥⑷章鋾r(shí)間。在日出時(shí)刻，將夜間采集的環(huán)境參數(shù)通過短報(bào)文發(fā)送出去。

然后，系統(tǒng)采集光伏組件、環(huán)境、太陽能輻射等參數(shù)，間隔20 min 1次，通過北斗短報(bào)文發(fā)送。如果發(fā)送端在3 min內(nèi)未接收到返回的數(shù)據(jù)編號，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，如果連續(xù)3次未發(fā)送成功，則放棄數(shù)據(jù)發(fā)送。此時(shí)表明系統(tǒng)可能故障，重新啟動系統(tǒng)。接收端也可以通過數(shù)據(jù)信息的編號，來判斷是否有信息未接收成功。

4 結(jié) 論

本文充分利用北斗衛(wèi)星的定位、授時(shí)、短報(bào)文通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了適用于無通信網(wǎng)絡(luò)信號的偏遠(yuǎn)地區(qū)太陽能資源監(jiān)控系統(tǒng)。完成了太陽能資源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用北斗短報(bào)文通信的方式，不受地理位置的限制。系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。采集的太陽能輻射資源數(shù)據(jù)，后續(xù)將進(jìn)一步根據(jù)光伏組件發(fā)電功率、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測地區(qū)的光伏發(fā)電能力?？梢詾楹罄m(xù)光伏電站的選址、建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與依據(jù)。

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