含補償供電系統的自動氣象站研究

陳 寧，李 力

（湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢430074）

自動氣象站是一種使用自動化儀器設備自動進行地面氣象觀測的地面氣象觀測站，它是一種能自動進行地面氣象觀測、采集、保存和傳輸觀測數據，并能將觀測數據轉換成氣象電報和編制成氣象報文的地面氣象觀測設備，在氣象預警、防災減災中發揮著不可替代的作用，自動氣象站的工作場合較為廣泛，如：田間、公路、山區、沙漠等。當前，大多數自動氣象站采用太陽能供電，太陽能發電技術受氣候、環境條件等要素限制和影響[1-3]，尤其是在面對持續陰雨天氣時，太陽能電池板經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。

1 系統總體設計

普通的自動氣象站由主機、觀測傳感器、電源等幾個重要的模塊構成，如圖1所示。氣象站主機通常是一個防水機箱，里面包含有數據采集處理器、通訊模塊、存儲模塊、顯控模塊等幾個重要部分，通信模塊與處理器直接連接。電源模塊包括風光互補發電模塊，風光互補發電模塊包含風力發電機、整流濾波電路、風力機交換電路、太陽能電池組串（即太陽能發電板）、太陽能電池電路、卸載電路和蓄電池等[4-6]；太陽能發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：風向風速、溫濕度、氣壓、雨量等，可以根據觀測需求的不同，添加不同的觀測傳感器。本文中的風向風速傳感器、溫濕度傳感器分別通過數據線與氣象站主機中的處理器相連接，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數接口與處理器相連接。處理器是基于ARM9 內核的ATMEL9263處理器；風向風速傳感器型號為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。

自動氣象站中還可加入可視化監控模塊作為擴展，可視化監控模塊與處理器連接。可視化監控模塊由攝像頭、人體感應裝置和定時模塊組成。

2 電源模塊設計

2.1 系統硬件設計

本文提出了一種自動氣象站的風能-太陽能互補供電（以下簡稱：風光互補供電）的設計，包括主機、傳感器、電源，氣象站主機包含有：數據處理器、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卡存儲數據或通過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。電源模塊包括風光互補發電模塊，如圖2所示，風力發電機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力機交換電路的輸入端連接，風力機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 風光互補發電模塊原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of wind solar complementary power generation module

處理器為基于ARM9 內核的ATMEL9263 處理器，ATMEL9263 處理器具有處理性能強大、系統工作穩定等特性，通過嵌入式Linux 系統可同時穩定地運行數據采集、數據處理、數據存儲、數據傳輸、數據顯示等多個進程。

2.2 風力發電模塊設計

風力發電機的作用是將風能轉化為電能。本研究中選擇24 V 風力發電機作為發電設備，風力發電機發電后經過L7805CV 芯片穩壓后穩定在12 V，再給蓄電池充電。

理論上，風力發電中風能P 通用公式為

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

2.3 儲能與逆變

蓄電池可用于存儲系統中太陽能電池板中由太陽能轉化的電能和風力渦輪機產生的直流電。當電源電量充足時，發電模塊同時供電給用電負載和電池。當電源電量不足時，蓄電池則釋放先前存儲的電能，僅供電給用電負載。同時，蓄電池還起到穩定發電模塊中電壓的作用，以增強智能化風光互補發電系統的穩定性。特別的是蓄電池組對太陽能電池工作時的電壓具有鉗位作用，這一重要特性確保了負載工作在理想的工作點附近[12-16]。

比功率是蓄電池的一個十分重要的性能指標，單位質量或單位體積電池提供的功率稱為比功率。比功率的數值越大，可通過的放電電流就越大。對于小型風能-太陽能互補的發電系統，閥控密封鉛酸電池（VRLA）具有安全、可靠、免維護的優點。與傳統鉛酸電池相比，VRLA 電池具有更大的儲能空間和更長的使用壽命（浮空狀態下的VRLA 電池正常使用壽命通常為10年），安裝面積較小，價格較高。蓄電池受外界天氣因素影響較大，時常導致輸出功率不穩定。當充電電流很大時，電池極板的活性物質將會脫落。當充電電流較小時，電池會加快老化過程。考慮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額定功率點來確定充電和放電是否在其范圍內，并根據結果來打開或關閉充電和放電的命令。其主要功能包括欠壓報警、高壓斷開、溫度補償、連接恢復等，以確保得到直流穩壓電源供電給逆變器和直流負載。系統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換為交流電。逆變器的選擇應基于逆變器本身的技術性能和發電系統的功能特點，從而保證交流負載的正常運行。

卸載電路的功能是在蓄電池充滿電后，電量過剩時，為保護發電組件，自動打開卸載電路把過剩的電量釋放掉。利用風光互補發電模塊，利用太陽能發電板、風力發電機將發出的電能存儲到蓄電池中，為系統中的其他模塊供電，彌補風電和光電獨立供電的缺陷，實現了晝夜互補，白天晴天時太陽能供電，晚上風能發電，季節互補，夏天日照猛烈，冬天風力強勁，晚上或陰雨無陽光時風能供電，大大提高了供電的穩定性。

3 可視化監控模塊設計

對自動氣象站進行擴展還包含可視化監控模塊，本文中的可視化監控模塊與處理器連接。可視化監控模塊包含了攝像頭、人體感應裝置和定時模塊，這些設備都分別與處理器連接。攝像頭用于及時采集自動氣象站四周的環境信息，定時模塊用于計時，人體感應裝置用于感應人體紅外信號。當達到設置的時間或監測到有人接近自動氣象站時，處理器開啟攝像頭進行拍照錄像記錄，并將拍攝的影像資料傳輸到處理器，再由處理器通過通訊模塊傳輸到數據接收服務器。

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

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

本自動氣象站還能憑借可視化監控模塊監控自動氣象站的運行情況，監測是否有人接近或者操作破壞自動站，便于維護人員及時掌握自動氣象站的實時情況。

4 結語

本自動氣象站，選用風能-太陽能互補發電方式為蓄電池充電，晚上或陰雨天氣且無陽光時由風能發電，白天且晴好天氣時由太陽能發電，為自動氣象站的不間斷供電提供了保證，同時還提高了供電的可靠性，保證了自動氣象站的不間斷的正常運行，實用性強，易于普及推廣。

本自動氣象站還能憑借可視化監控模塊監控自動氣象站的運行情況，監測是否有人接近或者操作破壞自動站，便于維護人員及時掌握自動氣象站的實時情況。