含補(bǔ)償供電系統(tǒng)的自動(dòng)氣象站研究

陳 寧，李 力

（湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢430074）

自動(dòng)氣象站是一種使用自動(dòng)化儀器設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行地面氣象觀測的地面氣象觀測站，它是一種能自動(dòng)進(jìn)行地面氣象觀測、采集、保存和傳輸觀測數(shù)據(jù)，并能將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成氣象電報(bào)和編制成氣象報(bào)文的地面氣象觀測設(shè)備，在氣象預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮著不可替代的作用，自動(dòng)氣象站的工作場合較為廣泛，如：田間、公路、山區(qū)、沙漠等。當(dāng)前，大多數(shù)自動(dòng)氣象站采用太陽能供電，太陽能發(fā)電技術(shù)受氣候、環(huán)境條件等要素限制和影響[1-3]，尤其是在面對持續(xù)陰雨天氣時(shí)，太陽能電池板經(jīng)常無法為蓄電池提供足夠的電力，從而影響氣象站的觀測任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

普通的自動(dòng)氣象站由主機(jī)、觀測傳感器、電源等幾個(gè)重要的模塊構(gòu)成，如圖1所示。氣象站主機(jī)通常是一個(gè)防水機(jī)箱，里面包含有數(shù)據(jù)采集處理器、通訊模塊、存儲模塊、顯控模塊等幾個(gè)重要部分，通信模塊與處理器直接連接。電源模塊包括風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流濾波電路、風(fēng)力機(jī)交換電路、太陽能電池組串（即太陽能發(fā)電板）、太陽能電池電路、卸載電路和蓄電池等[4-6]；太陽能發(fā)電板的輸出端與太陽能電池電路的輸入連接，太陽能電池電路的輸出端與卸載電路的輸入端連接，卸載電路與蓄電池連接[7-11]。

圖1 自動(dòng)氣象站原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of automatic weather station

氣象觀測傳感器通常包含有：風(fēng)向風(fēng)速、溫濕度、氣壓、雨量等，可以根據(jù)觀測需求的不同，添加不同的觀測傳感器。本文中的風(fēng)向風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器分別通過數(shù)據(jù)線與氣象站主機(jī)中的處理器相連接，氣壓傳感器通過RS232 串口接口與處理器相連接，雨量傳感器通過脈沖計(jì)數(shù)接口與處理器相連接。處理器是基于ARM9 內(nèi)核的ATMEL9263處理器；風(fēng)向風(fēng)速傳感器型號為EL15-C；溫濕度傳感器型號為HMP155A；氣壓傳感器型號為TP100；雨量傳感器型號為SL3-1。

自動(dòng)氣象站中還可加入可視化監(jiān)控模塊作為擴(kuò)展，可視化監(jiān)控模塊與處理器連接?？梢暬O(jiān)控模塊由攝像頭、人體感應(yīng)裝置和定時(shí)模塊組成。

2 電源模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文提出了一種自動(dòng)氣象站的風(fēng)能-太陽能互補(bǔ)供電（以下簡稱：風(fēng)光互補(bǔ)供電）的設(shè)計(jì)，包括主機(jī)、傳感器、電源，氣象站主機(jī)包含有：數(shù)據(jù)處理器、通訊模塊、存儲模塊和顯控模塊等。通信模塊通過串口RS232 接口與處理器連接，存儲模塊使用TF卡存儲數(shù)據(jù)或通過USB 接口與處理器連接；顯控模塊包括顯示屏、觸摸板、背光控制電路，顯示屏通過LVDS接口與處理器連接，觸摸板通過A/D 采樣接口與處理器連接，背光控制電路通過I/O 接口與處理器連接。電源模塊包括風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊，如圖2所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端與整流濾波電路的輸入端連接，整流濾波電路的輸出端與風(fēng)力機(jī)交換電路的輸入端連接，風(fēng)力機(jī)交換電路的輸出連接到卸載電路、蓄電池和處理器，太陽能電池板的輸出連接到太陽能電池變換電路的輸入，太陽能電池變換電路的輸出連接到卸載電路的輸入端，卸載電路與蓄電池連接。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of wind solar complementary power generation module

處理器為基于ARM9 內(nèi)核的ATMEL9263 處理器，ATMEL9263 處理器具有處理性能強(qiáng)大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等特性，通過嵌入式Linux 系統(tǒng)可同時(shí)穩(wěn)定地運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示等多個(gè)進(jìn)程。

2.2 風(fēng)力發(fā)電模塊設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。本研究中選擇24 V 風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電后經(jīng)過L7805CV 芯片穩(wěn)壓后穩(wěn)定在12 V，再給蓄電池充電。

理論上，風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)能P 通用公式為

式中：P 為風(fēng)能（W）；A 為受力面積（m2）；V 為風(fēng)速（m/s）；ρ 為空氣密度。通過公式可看出，風(fēng)能P 與風(fēng)速、受力面積，空氣密度等因素有關(guān)。

2.3 儲能與逆變

蓄電池可用于存儲系統(tǒng)中太陽能電池板中由太陽能轉(zhuǎn)化的電能和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的直流電。當(dāng)電源電量充足時(shí)，發(fā)電模塊同時(shí)供電給用電負(fù)載和電池。當(dāng)電源電量不足時(shí)，蓄電池則釋放先前存儲的電能，僅供電給用電負(fù)載。同時(shí)，蓄電池還起到穩(wěn)定發(fā)電模塊中電壓的作用，以增強(qiáng)智能化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別的是蓄電池組對太陽能電池工作時(shí)的電壓具有鉗位作用，這一重要特性確保了負(fù)載工作在理想的工作點(diǎn)附近[12-16]。

比功率是蓄電池的一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)，單位質(zhì)量或單位體積電池提供的功率稱為比功率。比功率的數(shù)值越大，可通過的放電電流就越大。對于小型風(fēng)能-太陽能互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)，閥控密封鉛酸電池（VRLA）具有安全、可靠、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，VRLA 電池具有更大的儲能空間和更長的使用壽命（浮空狀態(tài)下的VRLA 電池正常使用壽命通常為10年），安裝面積較小，價(jià)格較高。蓄電池受外界天氣因素影響較大，時(shí)常導(dǎo)致輸出功率不穩(wěn)定。當(dāng)充電電流很大時(shí)，電池極板的活性物質(zhì)將會脫落。當(dāng)充電電流較小時(shí)，電池會加快老化過程?？紤]到電池使用壽命的長短，本文使用一種智能控制器檢測電池終端電壓或電荷狀態(tài)額定功率點(diǎn)來確定充電和放電是否在其范圍內(nèi)，并根據(jù)結(jié)果來打開或關(guān)閉充電和放電的命令。其主要功能包括欠壓報(bào)警、高壓斷開、溫度補(bǔ)償、連接恢復(fù)等，以確保得到直流穩(wěn)壓電源供電給逆變器和直流負(fù)載。系統(tǒng)的電源模塊可以采用逆變器將存儲在蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。逆變器的選擇應(yīng)基于逆變器本身的技術(shù)性能和發(fā)電系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，從而保證交流負(fù)載的正常運(yùn)行。

卸載電路的功能是在蓄電池充滿電后，電量過剩時(shí)，為保護(hù)發(fā)電組件，自動(dòng)打開卸載電路把過剩的電量釋放掉。利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊，利用太陽能發(fā)電板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)將發(fā)出的電能存儲到蓄電池中，為系統(tǒng)中的其他模塊供電，彌補(bǔ)風(fēng)電和光電獨(dú)立供電的缺陷，實(shí)現(xiàn)了晝夜互補(bǔ)，白天晴天時(shí)太陽能供電，晚上風(fēng)能發(fā)電，季節(jié)互補(bǔ)，夏天日照猛烈，冬天風(fēng)力強(qiáng)勁，晚上或陰雨無陽光時(shí)風(fēng)能供電，大大提高了供電的穩(wěn)定性。

3 可視化監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

對自動(dòng)氣象站進(jìn)行擴(kuò)展還包含可視化監(jiān)控模塊，本文中的可視化監(jiān)控模塊與處理器連接?？梢暬O(jiān)控模塊包含了攝像頭、人體感應(yīng)裝置和定時(shí)模塊，這些設(shè)備都分別與處理器連接。攝像頭用于及時(shí)采集自動(dòng)氣象站四周的環(huán)境信息，定時(shí)模塊用于計(jì)時(shí)，人體感應(yīng)裝置用于感應(yīng)人體紅外信號。當(dāng)達(dá)到設(shè)置的時(shí)間或監(jiān)測到有人接近自動(dòng)氣象站時(shí)，處理器開啟攝像頭進(jìn)行拍照錄像記錄，并將拍攝的影像資料傳輸?shù)教幚砥?，再由處理器通過通訊模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收服務(wù)器。

如圖3所示，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)人體發(fā)出的紅外線，檢測是否有人靠近自動(dòng)氣象站，熱釋電紅外傳感器將采集的紅外傳感信號經(jīng)過BISS0001進(jìn)行處理，輸出高電平信號輸入到處理器進(jìn)行處理，處理器控制攝像頭拍照并上傳圖像信息。

圖3 人體感應(yīng)模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of human body induction module

本自動(dòng)氣象站還能憑借可視化監(jiān)控模塊監(jiān)控自動(dòng)氣象站的運(yùn)行情況，監(jiān)測是否有人接近或者操作破壞自動(dòng)站，便于維護(hù)人員及時(shí)掌握自動(dòng)氣象站的實(shí)時(shí)情況。

4 結(jié)語

本自動(dòng)氣象站，選用風(fēng)能-太陽能互補(bǔ)發(fā)電方式為蓄電池充電，晚上或陰雨天氣且無陽光時(shí)由風(fēng)能發(fā)電，白天且晴好天氣時(shí)由太陽能發(fā)電，為自動(dòng)氣象站的不間斷供電提供了保證，同時(shí)還提高了供電的可靠性，保證了自動(dòng)氣象站的不間斷的正常運(yùn)行，實(shí)用性強(qiáng)，易于普及推廣。

本自動(dòng)氣象站還能憑借可視化監(jiān)控模塊監(jiān)控自動(dòng)氣象站的運(yùn)行情況，監(jiān)測是否有人接近或者操作破壞自動(dòng)站，便于維護(hù)人員及時(shí)掌握自動(dòng)氣象站的實(shí)時(shí)情況。