馮國(guó)亮+李春來(lái)

摘 要： 在野外設(shè)置的太陽(yáng)能資源監(jiān)測(cè)站，由于無(wú)公網(wǎng)信號(hào)，往往面臨著數(shù)據(jù)無(wú)法遠(yuǎn)程傳輸?shù)膯?wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)基于北斗衛(wèi)星的太陽(yáng)能資源監(jiān)測(cè)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(cè)模塊、太陽(yáng)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(yáng)能電池板充電電路。太陽(yáng)能資源監(jiān)測(cè)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(yáng)能資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成了現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)能資源的監(jiān)測(cè)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(yáng)能資源監(jiān)測(cè)站的自動(dòng)化、數(shù)字化管理需求。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)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(lèi)號(hào)： TN245?34； TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yáng)能評(píng)價(jià)方法通常通過(guò)該地區(qū)的長(zhǎng)期氣候信息，從宏觀上評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源[1]。然而具體到太陽(yáng)能電站選址地點(diǎn)的太陽(yáng)能資源，需要詳細(xì)的太陽(yáng)能電池板的輸出功率、一天中太陽(yáng)能的變化、溫濕度的長(zhǎng)期變化情況、風(fēng)力的大小等電站建設(shè)評(píng)價(jià)信息。目前太陽(yáng)能資源監(jiān)測(cè)裝置常使用光照輻射計(jì)記錄太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)，然而直接用光伏組件作為傳感器來(lái)測(cè)量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，使用光伏太陽(yáng)能電池板功率響應(yīng)作為太陽(yáng)能資源的評(píng)價(jià)條件，對(duì)于光伏發(fā)電來(lái)說(shuō)更加有實(shí)際意義[2]。

我國(guó)太陽(yáng)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(yáng)能的年總輻射量超過(guò)1 750 kWh/m2，等級(jí)[3?4]為A。然而這些區(qū)域有大面積的無(wú)人地區(qū)，無(wú)公網(wǎng)信號(hào)也沒(méi)有相應(yīng)的通信線路?，F(xiàn)有太陽(yáng)能觀測(cè)站的信息通過(guò)有線網(wǎng)或者移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，然而在無(wú)人居住的偏遠(yuǎn)地區(qū)或者山區(qū)無(wú)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，也不具備鋪設(shè)通信線路的必要性。采用我國(guó)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(yáng)能資源監(jiān)測(cè)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(cè)量太陽(yáng)輻射能量，這種測(cè)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(yáng)能資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。太陽(yáng)能資源的測(cè)量使用太陽(yáng)能輻射儀以及太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電的傳感器。太陽(yáng)能輻射儀記錄太陽(yáng)能的輻射大小，多塊光伏組件用于測(cè)量實(shí)際情況下太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電量的能力。并且長(zhǎng)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(cè)量每個(gè)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(cè)地點(diǎn)的環(huán)境情況，使用溫濕度傳感器測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度的變化。采集獲得環(huán)境參數(shù)、太陽(yáng)能輻射參數(shù)及電池板參數(shù)后通過(guò)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(cè)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(lèi)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(yáng)能資源監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)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(cè)量、分析，功率分析儀與ATmega 128通過(guò)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(duì)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(yáng)能電池板與蓄電池提供，太陽(yáng)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(zhuān)門(mén)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(yáng)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(guò)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(yáng)能板的輸出功率。

在太陽(yáng)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(duì)應(yīng)的輸出電壓基本相同，亦即只要保持太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能板最大功率點(diǎn)電壓如下：

經(jīng)過(guò)MPPT調(diào)制，太陽(yáng)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(mǎn)足下式：

圖中R1為電流檢測(cè)電阻，充電電流ICH=。蓄電池電壓為12 V。

太陽(yáng)能電池板輸出電能被存儲(chǔ)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(kāi)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(dòng)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(zhuān)門(mén)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?？蓪?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(guò)串口與主控器ATmega 128進(jìn)行通信。該模塊每次最多傳輸120個(gè)漢字，發(fā)射頻率為每分鐘1個(gè)。通信天線使用無(wú)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(gè)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(yáng)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(chēng)功率均為50 W，輸出電壓為12 V。光伏組件測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量范圍為0～255 W；4塊組件的參數(shù)共占用12 B，太陽(yáng)能輻射參數(shù)占用2 B，共14 B。

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

3） 數(shù)據(jù)信息編號(hào)。由于北斗短報(bào)文存在丟包問(wèn)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(hào)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(hào)反饋給發(fā)送端。

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

太陽(yáng)能監(jiān)測(cè)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(dòng)北斗短報(bào)文發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(chǔ)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(zhǎng)度不等，以夜間12 h計(jì)，則發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(duì)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(guò)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?、日落時(shí)間。在日出時(shí)刻，將夜間采集的環(huán)境參數(shù)通過(guò)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(yáng)能輻射等參數(shù)，間隔20 min 1次，通過(guò)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(hào)，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(dòng)系統(tǒng)。接收端也可以通過(guò)數(shù)據(jù)信息的編號(hào)，來(lái)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(wú)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的偏遠(yuǎn)地區(qū)太陽(yáng)能資源監(jiān)控系統(tǒng)。完成了太陽(yáng)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(yáng)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(cè)地區(qū)的光伏發(fā)電能力。可以為后續(xù)光伏電站的選址、建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李柯，何凡能.中國(guó)陸地太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)潛力區(qū)域分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2010，29（9）：1049?1054.endprint

LI Ke， HE Fanneng. Analysis on mainland China′s solar energy distribution and potential to utilize solar energy as an alternative energy source [J]. Progress in geography， 2010， 29（9）： 1049?1054.

[2] 沙奕卓，邊澤強(qiáng)，呂文華.我國(guó)太陽(yáng)能資源觀測(cè)站的設(shè)計(jì)[J].氣象水文海洋儀器，2010，27（1）：6?9.

SHA Yizhuo， BIAN Zeqiang， L? Wenhua. Design of solar energy resources observation station in China [J]. Meteorological， hydrological and marine instruments， 2010， 27（1）： 6?9.

[3] 周揚(yáng)，吳文祥，胡瑩，等.西北地區(qū)太陽(yáng)能資源空間分布特征及資源潛力評(píng)估[J].自然資源學(xué)報(bào)，2010（10）：1738?1749.

ZHOU Yang， WU Wenxiang， HU Ying， et al. The temporal?spatial distribution and evaluation of potential solar energy resources in Northwest China [J]. Journal of natural resources， 2010（10）： 1738?1749.

[4] 中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心.2015年中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào)[R].[出版地不詳]：中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心，2016.

CMA Wind and Solar Energy Resources Center. China wind energy and solar energy resource bullet in 2015 [R]. [S.l.]： CMA Wind and Solar Energy Resources Center 2016.

[5] 鄧玉芬，張博，張明亮.基于北斗衛(wèi)星的海洋調(diào)查測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：104?106.

DENG Yufen， ZHANG Bo， ZHANG Mingliang. Design and realization of measurement and monitor system for oceanographic survey based on Beidou satellite [J]. Modern electronics technique， 2012， 35（19）： 104?106.

[6] 鄧召魁，呂玉祥，高存博，等.基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（10）：162?166.

DENG Zhaokui， L? Yuxiang， GAO Cunbo， et al. Beidou satellite based online monitoring system for power transmission tower [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（10）： 162?166.

[7] 黨克，楊維湘，于吉慶.改進(jìn)型單神經(jīng)元在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的仿真研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（1）：99?102.

DANG Ke， YANG Weixiang， YU Jiqing. Improved single neuron simulation research on photovoltaic power generation system [J]. Journal of Northeast Dianli University， 2013， 33（1）： 99?102.

[8] 張勇，陳蘇婷，張燕.基于北斗衛(wèi)星的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（5）：21?23.

ZHANG Yong， CHEN Suting， ZHANG Yan. The data transmission and management system of automatic meteorological station based on Beidou satellite [J]. Application of electronic technique， 2014， 40（5）： 21?23.

[9] 胡曉粉，董緒榮，劉亞濤，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能指標(biāo)分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（11）：16?18.

HU Xiaofen， DONG Xurong， LIU Yatao， et al. Analysis on service performance index of Beidou navigation system [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（11）： 16?18.

[10] 于龍洋，王鑫，李署堅(jiān).基于北斗短報(bào)文的定位數(shù)據(jù)壓縮和可靠傳輸[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（11）：108?111.

YU Longyang， WANG Xin， LI Shujian. Positioning data compression and reliable transmission based on Beidou short message [J]. Application of electronic technique， 2012，38（11）： 108?111.endprint