基于北斗衛星的太陽能資源監測系統設計

馮國亮+李春來

摘 要： 在野外設置的太陽能資源監測站，由于無公網信號，往往面臨著數據無法遠程傳輸的問題。針對此問題設計基于北斗衛星的太陽能資源監測系統。系統結構由單片機控制器、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。太陽能資源監測系統采集到的數據，按照根據北斗短報文的通信速率及容量特點設定的數據協議進行編碼，然后利用北斗模塊的短報文功能進行數據的傳輸。設計的太陽能資源監測系統完成了現場太陽能資源的監測及數據的傳輸功能。該系統實現了偏遠地區太陽能資源監測站的自動化、數字化管理需求。

關鍵詞： 太陽能資源； 北斗短報文； 光伏組件； MPPT； 報文編碼； 電源管理電路

中圖分類號： TN245?34； TN927 文獻標識碼： 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

現有太陽能評價方法通常通過該地區的長期氣候信息，從宏觀上評價當地太陽能資源[1]。然而具體到太陽能電站選址地點的太陽能資源，需要詳細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、風力的大小等電站建設評價信息。目前太陽能資源監測裝置常使用光照輻射計記錄太陽能功率數據，然而直接用光伏組件作為傳感器來測量太陽輻射強度，使用光伏太陽能電池板功率響應作為太陽能資源的評價條件，對于光伏發電來說更加有實際意義[2]。

我國太陽能資源最豐富的地區包括青海大部分、西藏中西部、甘肅西部、內蒙古西部、新疆東部等地區，這些地區太陽能的年總輻射量超過1 750 kWh/m2，等級[3?4]為A。然而這些區域有大面積的無人地區，無公網信號也沒有相應的通信線路。現有太陽能觀測站的信息通過有線網或者移動無線網絡方式傳輸，然而在無人居住的偏遠地區或者山區無移動網絡信號，也不具備鋪設通信線路的必要性。采用我國北斗衛星進行通信具有不受地域限制、信息安全、全天候通信等特點[5?6]。因此，使用北斗衛星短報文技術作為太陽能資源監測站的通信手段。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際應用條件。

1 系統方案設計

基于北斗衛星系統設計的太陽能資源監測系統結構如圖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電系統中常用的光伏組件，如單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件作為實際太陽能發電的傳感器。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際情況下太陽能轉換電量的能力。并且長期運行時，可以獲得光伏組件的發電情況、衰減率等參數的變化，為光伏電站的建設提供參考。光伏組件接上負載后，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，并將這些參數匯集到采集儀控制器中。為了獲得觀測地點的環境情況，使用溫濕度傳感器測量環境的溫度、濕度的變化。采集獲得環境參數、太陽能輻射參數及電池板參數后通過北斗短報文通信功能，發送到系統服務器上，做進一步的分析處理。北斗短報文容量較小，監測裝置采樣頻率可以設置，每間隔一定時間，將采集到的參數平均值發送出去。系統接口設計根據傳感器接口種類進行設計。系統接口主要包括：電源管理電路、傳感器設備與數據采集儀之間的接口、北斗衛星終端與數據采集儀之間的接口。endprint

2 太陽能資源監測電路設計

本監測電路采用ATmega 128芯片作為系統控制器，該芯片具有128 kB FLASH，4 kB的E2PROM，4 kB的內部SRAM，內存容量大，并且接口豐富。光伏組件功率輸出分析采用功率分析儀進行測量、分析，功率分析儀與ATmega 128通過RS 232接口通信。監控系統的工作電源采用CN3767及LM2596進行設計，其通信模塊采用北斗衛星短報文模塊實現。

2.1 電源管理電路設計

可靠的電源是系統正常工作的首要條件，尤其在野外的設備，對供電電源的可靠性、穩定性的要求更為嚴格。本系統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定，不能直接給系統供電。設計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跟蹤（MPPT）功能的CN3767芯片設計，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。該電路主要特點是具有最大功率點跟蹤功能，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]，當環境溫度一定時，在不同的日照強度下，輸出最大功率點所對應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度不同時，太陽能板輸出最大功率。

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

經過MPPT調制，太陽能電池板輸入被限制在設定的電壓，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，作為監控系統的工作電源。由于監控系統的工作電源為5 V，故需要進一步將電壓轉換。

轉換電路如圖3所示。

采用LM2596進行DC?DC開關電源電路設計，該電路轉換效率可達90%以上，輸出驅動電流3 A。由于北斗模塊工作時，發射電流較大，設計了兩路LM2596電源電路，一路用于系統工作，另一路專門為北斗模塊供電。

2.2 北斗短報文接口電路設計

使用的北斗模塊集成了北斗RDSS射頻收發芯片、基帶電路、功放芯片等。可實現北斗短報文收發、定位、授時[8]。北斗短報文通信電路如圖4所示。

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

3 系統程序設計

北斗短報文[9]每次最多傳輸120個漢字，即240 B。系統發送數據內容如下：

1） 采集的太陽能資源參數。光伏組件傳感器有4塊，兩塊單晶硅、兩塊多晶硅組件，每塊組件標稱功率均為50 W，輸出電壓為12 V。光伏組件測量參數包括電壓、電流、功率。電壓參數占用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塊組件的參數共占用12 B，太陽能輻射參數占用2 B，共14 B。

2） 環境參數。太陽能資源監測站附近的環境參數包括溫度、濕度、風力。每個參數占用1 B，共3 B。

3） 數據信息編號。由于北斗短報文存在丟包問題[10]，需要設計數據發送成功的確認消息。數據編號占用1 B，北斗短報文數據發送后，接收端需要將該條數據編號反饋給發送端。

4） CRC校驗碼，2 B。CRC校驗碼用于檢測接收數據是否正確。

太陽能監測系統單次采集數據需要14+3=17 B。系統采集的參數，每5 min的平均值作為一次采集結果。短報文發送數據分日間與夜間兩種情況。日間累計采集結果4次后，系統啟動北斗短報文發送一次數據，數據長度為17×4+1+2=71 B。夜間只采集環境參數，每30 min采集一次，等到日出時刻將存儲的夜間環境數據一次發送出去。根據日出日落時間的不同，發送的數據長度不等，以夜間12 h計，則發送數據長度為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，對光伏組件的監控只在日間進行。計算日出、日落時間需要的三要素為：地點（經緯度）、時間、時區。

首先，通過北斗衛星模塊可以獲得經緯度、時間信息，進而計算出當地的日出、日落時間。在日出時刻，將夜間采集的環境參數通過短報文發送出去。

然后，系統采集光伏組件、環境、太陽能輻射等參數，間隔20 min 1次，通過北斗短報文發送。如果發送端在3 min內未接收到返回的數據編號，則重新發送數據，如果連續3次未發送成功，則放棄數據發送。此時表明系統可能故障，重新啟動系統。接收端也可以通過數據信息的編號，來判斷是否有信息未接收成功。

4 結 論

本文充分利用北斗衛星的定位、授時、短報文通信技術，設計了適用于無通信網絡信號的偏遠地區太陽能資源監控系統。完成了太陽能資源監控系統的設計，使用北斗短報文通信的方式，不受地理位置的限制。系統運行可靠、穩定。采集的太陽能輻射資源數據，后續將進一步根據光伏組件發電功率、環境參數等數據，分析監測地區的光伏發電能力。可以為后續光伏電站的選址、建設提供基礎數據與依據。

參考文獻

[1] 李柯，何凡能.中國陸地太陽能資源開發潛力區域分析[J].地理科學進展，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，呂文華.我國太陽能資源觀測站的設計[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，吳文祥，胡瑩，等.西北地區太陽能資源空間分布特征及資源潛力評估[J].自然資源學報，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] 中國氣象局風能太陽能資源中心.2015年中國風能太陽能資源年景公報[R].[出版地不詳]：中國氣象局風能太陽能資源中心，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.基于北斗衛星的海洋調查測量監控系統的設計與實現[J].現代電子技術，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.基于北斗衛星的輸電桿塔在線監測系統[J].現代電子技術，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.改進型單神經元在光伏發電系統中的仿真研究[J].東北電力大學學報，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.基于北斗衛星的自動氣象站數據傳輸管理系統[J].電子技術應用，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.北斗衛星導航系統服務性能指標分析[J].現代電子技術，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.基于北斗短報文的定位數據壓縮和可靠傳輸[J].電子技術應用，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