基于Arduino的光伏电站雾霾监测仪设计与制作

2015-03-27佛山职业技术学院光伏教研室胡昌吉杨永明黄健宏冯昊权

电子世界 2015年18期

佛山职业技术学院光伏教研室胡昌吉杨永明黄健宏冯昊权

1 引言

太阳能是未来中国发展势头最为强劲的清洁能源，而目前光伏电站或成雾霾频发的主要受害者，严重影响投资者的信心。雾霾主要通过两种方式影响太阳能电站的发电量：一是削弱到达光伏组件的太阳辐射，由于低空中的悬浮物会对太阳光进行吸收和反射，导致组件表面接收到的太阳辐射大幅度降低。此外，如果雾霾天气长期持续，光伏组件表面的颗粒物不断累积而变得难以清洗，造成光伏组件表面污染，导致发电量进一步降低。如何对光伏组件进行有效清洗，提升投资者信心，我们设计并制作了这款基于Ar duino控制器的雾霾监测仪，为深入研究雾霾对光伏电站发电量的影响，进一步优化光伏电站设计、施工、运行维护提供参考依据。

目前，雾霾对光伏电站发电量的研究还没有深入开展。很多研究主要集中在灰尘对光伏组件发电量的影响，并未涉及雾霾的影响。例如，常州佳讯光电系统工程有限公司陈东兵等人研究了光伏组件表面积尘对蚌埠2MWp光伏电站发电功率的影响，结果表明20天的表面积尘使光伏组件串发电功率减少24%。陕西光伏产业有限公司王锋等人分析了西安城区灰尘对光伏系统输出功率的影响，“降尘”可使输出功率降低达到15%。河海大学张风等人则采用MATLAB/SIMULINK模拟灰尘沉积对光伏组件输出性能的影响，并搭建实验平台进行研究。希腊的J.K.Kal del l is等人也采用理论模型结合试验的方式研究了不同空气污染物造成的灰尘沉积对光伏系统性能的影响。

尽管华北电力大学的褚华宇等人提出了一种计及雾霾影响的光伏功率预测方法，但并没有提及雾霾定量的数据。Haohui Liu等人从雾霾对太阳光谱影响的角度，分析了雾霾对光伏系统运行效能和短路电流的影响,仍未提及雾霾中颗粒浓度等具体信息。

在雾霾监测仪方面，南昌航空大学陈媛等人采用夏普的粉尘传感器和Ar duino控制器制作了一台空气细微颗粒物检测器。但该检测器主要用于家居雾霾检测，传感器精度不高，也不合适用于户外长期的雾霾数据的采集工作。

针对以上存在的一些问题，本文提出了一种光伏电站雾霾监测仪，该设备置于光伏电站附近无遮挡处，采用光伏组件供电，也可以采用锂离子电池作为补充，实现夜晚雾霾监测仪的数据采集。该雾霾监测仪具有防尘防水功能，合适户外长时间的数据采集，在户外可靠的定量研究雾霾对光伏电站的影响，这将给光伏电站的设计、运行维护提供参考依据。

2 光伏电站雾霾监测仪的设计制作

该监测仪采用诺方SDS011型和攀藤G3型激光PM2.5传感器采集雾霾颗粒浓度和粒径分布等数据，采用Ar duino控制器对传感器采集数据进行分析和处理，采用锂离子电池和光伏组件，并配合TP4056锂离子电池充放电控制芯片和CN3722太阳能充电控制芯片，为雾霾监测仪提供可靠稳定的工作电源。该监测仪还采用实时时钟电路和SD卡数据采集电路对雾霾数据进行记录和保存，并把Ar duino UNO板作为PC板的接口，将实时数据发送到上位机经过j mail发送到邮件，除了能够利用互联网共享数据外，借助微软的j mail发送邮件对传感器采集的数据处理的优势，还可以对光伏电站的数据进行时的远程监控。

图1 雾霾监测仪功能模块示意图

2.1 Arudino微控制器

Ar duino是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台。Ar duino简单的开发方式使得开发者不需要太多单片机基础和编程基础，可以帮助开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。

2.2 雾霾数据采集模块

雾霾数据采集模块采用型号为诺方SDS011和攀藤G3两款粉尘激光传感器做为对比。其工作是基于激光散射原理，即当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关，通过不同粒径的波形分类统计及换算公式可以得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度，按照标定方法得到跟官方单位统一的质量浓度。

图2 SDS011型和G3型粉尘激光传感器实物图

2.3 雾霾监测数据存储模块

为了保证雾霾监测数据的完整性、实时性和安全性，雾霾监测数据存储模块采用三种不同的数据存储方法：（1）将数据存储在SD卡中；（2）将数据存储在本地计算机文本文件中；（3）将数据上传到互联网。

SD卡模块可以方便地将雾霾监测数据存储在SD卡中，用于后期的数据处理和分析。SD卡是一种低电压的f l ash闪存产品，有标准的MMC/SPI两种操作模块。对于MMC操作模式，读写速度快，控制信号线多，操作复杂，对于SPI操作模式，速度慢，线少，操作相对简单。本文采用的是SPI操作模式，直接进行目录遍历、目录创建、目录删除、文件创建、文件删除、文件修改、卡格式化等标准文件系统操作。

图3 SD卡存储模块实物图

2.4 实时时钟电路

实时时钟模块采用的是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302。该芯片内部有一个31字节×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。图4为DS1302实时时钟电路图。

图4 DS1302实时时钟电路图

2.5 互联网数据共享模块

光伏电站雾霾监测仪采用j mai l控件实现雾霾数据的远程发送和实时监测功能。Ar duino与j mail的互联可以实现对数据的远程。j mail是一种服务器端的邮件发送组件，和个人用的客户端邮件软件不一样的。j mail是在服务器上给程序用来发邮件用的，除了软件编程人员，其他人一般平常用不上。注册时的激活邮件的发送用到的就是它。与此相同的还有CDONTS.NewMail，Per sit s.Mail Sender，IISmai l.Iismail等，它们唯一区别就是j mail只需要注册一个dl l组件即可被调用，而其他则需要在iis上设置发布smt p服务器。此外，Jmail可以发送附件；具有详细日志能力，便于你查看问题所在；设置邮件发送的优先级；具有密件发送/(CC)抄送/紧急信件发送能力；并支持多种格式的邮件发送，比如说以HTML或者TXT的方式发送邮件。最重要的是它是个免费的组件。

2.6 工作电源模块

为了使光伏电站雾霾监测仪能够长期可靠地在户外工作，在设计中采用了两种供电电源，一是锂离子电池，它通过TP4056芯片进行充电管理；二是光伏组件，它通过CN3722太阳能充电芯片进行充电管理。

TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电管理芯片。其底部带有散热片的SOP8封装与较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的理想选择。TP4056可以适合USB电源和适配器电源工作。在太阳辐射强度较弱并持续时间较长的阴雨天，可作为补充电源给雾霾监测仪供电。

图5 TP4056锂离子电池充电电路图

CN3722是一款可使用光伏组件供电的PWM降压模式充电管理集成电路，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能。CN3722非常适合对单节或多节锂电池或磷酸铁锂电池的充电管理，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点。因此它非常合适光伏电站雾霾监测仪在户外长期使用时，采用光伏组件进行供电。其典型地应用电路如图6所示。

图6 CN3722光伏组件充电电路

3 光伏电站雾霾监测仪的数据采集

光伏电站雾霾监测仪置于佛山职业技术学院实训楼B屋顶光伏电站进行了实地PM2.5数据测量。为了验证光伏电站雾霾监测仪的测量准确度，我们将实测数据与三水监测站的PM2.5数据进行了对比，见图7。两款激光PM2.5传感器采集的数据变化趋势一致，但是G3传感器采集的数据偏大，而SDS011传感器采集的数据则偏小。

三水监测站的数据基本处于采集数据的中间。