基于北斗卫星的太阳能资源监测系统设计

冯国亮+李春来

摘 要： 在野外设置的太阳能资源监测站，由于无公网信号，往往面临着数据无法远程传输的问题。针对此问题设计基于北斗卫星的太阳能资源监测系统。系统结构由单片机控制器、北斗通信模块、传感器检测模块、太阳能电池管理电路组成。系统电源采用具有MPPT功能的CN3767芯片管理太阳能电池板充电电路。太阳能资源监测系统采集到的数据，按照根据北斗短报文的通信速率及容量特点设定的数据协议进行编码，然后利用北斗模块的短报文功能进行数据的传输。设计的太阳能资源监测系统完成了现场太阳能资源的监测及数据的传输功能。该系统实现了偏远地区太阳能资源监测站的自动化、数字化管理需求。

关键词： 太阳能资源； 北斗短报文； 光伏组件； MPPT； 报文编码； 电源管理电路

中图分类号： TN245?34； TN927 文献标识码： A 文章编号： 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

现有太阳能评价方法通常通过该地区的长期气候信息，从宏观上评价当地太阳能资源[1]。然而具体到太阳能电站选址地点的太阳能资源，需要详细的太阳能电池板的输出功率、一天中太阳能的变化、温湿度的长期变化情况、风力的大小等电站建设评价信息。目前太阳能资源监测装置常使用光照辐射计记录太阳能功率数据，然而直接用光伏组件作为传感器来测量太阳辐射强度，使用光伏太阳能电池板功率响应作为太阳能资源的评价条件，对于光伏发电来说更加有实际意义[2]。

我国太阳能资源最丰富的地区包括青海大部分、西藏中西部、甘肃西部、内蒙古西部、新疆东部等地区，这些地区太阳能的年总辐射量超过1 750 kWh/m2，等级[3?4]为A。然而這些区域有大面积的无人地区，无公网信号也没有相应的通信线路。现有太阳能观测站的信息通过有线网或者移动无线网络方式传输，然而在无人居住的偏远地区或者山区无移动网络信号，也不具备铺设通信线路的必要性。采用我国北斗卫星进行通信具有不受地域限制、信息安全、全天候通信等特点[5?6]。因此，使用北斗卫星短报文技术作为太阳能资源监测站的通信手段。采用单晶硅光伏组件电池、多晶硅光伏组件作为传感器测量太阳辐射能量，这种测量方法更接近实际应用条件。

1 系统方案设计

基于北斗卫星系统设计的太阳能资源监测系统结构如图1所示。太阳能资源的测量使用太阳能辐射仪以及太阳能光伏发电系统中常用的光伏组件，如单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件作为实际太阳能发电的传感器。太阳能辐射仪记录太阳能的辐射大小，多块光伏组件用于测量实际情况下太阳能转换电量的能力。并且长期运行时，可以获得光伏组件的发电情况、衰减率等参数的变化，为光伏电站的建设提供参考。光伏组件接上负载后，利用功率分析模块测量每个光伏组件的输出功率、电压、电流参数，并将这些参数汇集到采集仪控制器中。为了获得观测地点的环境情况，使用温湿度传感器测量环境的温度、湿度的变化。采集获得环境参数、太阳能辐射参数及电池板参数后通过北斗短报文通信功能，发送到系统服务器上，做进一步的分析处理。北斗短报文容量较小，监测装置采样频率可以设置，每间隔一定时间，将采集到的参数平均值发送出去。系统接口设计根据传感器接口种类进行设计。系统接口主要包括：电源管理电路、传感器设备与数据采集仪之间的接口、北斗卫星终端与数据采集仪之间的接口。endprint

2 太阳能资源监测电路设计

本监测电路采用ATmega 128芯片作为系统控制器，该芯片具有128 kB FLASH，4 kB的E2PROM，4 kB的内部SRAM，内存容量大，并且接口丰富。光伏组件功率输出分析采用功率分析仪进行测量、分析，功率分析仪与ATmega 128通过RS 232接口通信。监控系统的工作电源采用CN3767及LM2596进行设计，其通信模块采用北斗卫星短报文模块实现。

2.1 电源管理电路设计

可靠的电源是系统正常工作的首要条件，尤其在野外的设备，对供电电源的可靠性、稳定性的要求更为严格。本系统的电源由太阳能电池板与蓄电池提供，太阳能电池板输出电压不稳定，不能直接给系统供电。设计了专门的电源管理电路，用于给蓄电池充电及电路的正常工作，系统电路为5 V电压。电源管理模块采用具有太阳能电池最大功率点跟踪（MPPT）功能的CN3767芯片设计，充电电路如图2所示。CN3767 可以作为多种电池的充电管理集成电路，具有涓流、恒流、过充电和浮充电模式。该电路主要特点是具有最大功率点跟踪功能，可以最大限度地利用太阳能板的输出功率。

在太阳能电池板的伏安特性曲线中[7]，当环境温度一定时，在不同的日照强度下，输出最大功率点所对应的输出电压基本相同，亦即只要保持太阳能板的输出端电压为恒定电压，就可以保证在该温度下光照强度不同时，太阳能板输出最大功率。

CN3767的MPPT管脚的电压被调制在1.205 V，太阳能板最大功率点电压如下：

经过MPPT调制，太阳能电池板输入被限制在设定的电压，以维持最大功率输出。Q1为P型MOS管与电感L1组成充放电电路，电感L1的选择满足下式：

图中R1为电流检测电阻，充电电流ICH=。蓄电池电压为12 V。

太阳能电池板输出电能被存储到蓄电池中，作为监控系统的工作电源。由于监控系统的工作电源为5 V，故需要进一步将电压转换。

转换电路如图3所示。

采用LM2596进行DC?DC开关电源电路设计，该电路转换效率可达90%以上，输出驱动电流3 A。由于北斗模块工作时，发射电流较大，设计了两路LM2596电源电路，一路用于系统工作，另一路专门为北斗模块供电。

2.2 北斗短报文接口电路设计

使用的北斗模块集成了北斗RDSS射频收发芯片、基带电路、功放芯片等。可实现北斗短报文收发、定位、授时[8]。北斗短报文通信电路如图4所示。

由图4可知，该模块通过串口与主控器ATmega 128进行通信。该模块每次最多传输120个汉字，发射频率为每分钟1个。通信天线使用无源天线即可，由于发送电流较大，需单独提供一路供电电源。

3 系统程序设计

北斗短报文[9]每次最多传输120个汉字，即240 B。系统发送数据内容如下：

1） 采集的太阳能资源参数。光伏组件传感器有4块，两块单晶硅、两块多晶硅组件，每块组件标称功率均为50 W，输出电压为12 V。光伏组件测量参数包括电压、电流、功率。电压参数占用1 B，分辨率为0.1 V，电压测量范围为0～25.5 V；电流参数占用1 B，分辨率为0.1 A，电流测量范围为0～25.5 A；功率参数占用1 B，分辨率為1 W，功率测量范围为0～255 W；4块组件的参数共占用12 B，太阳能辐射参数占用2 B，共14 B。

2） 环境参数。太阳能资源监测站附近的环境参数包括温度、湿度、风力。每个参数占用1 B，共3 B。

3） 数据信息编号。由于北斗短报文存在丢包问题[10]，需要设计数据发送成功的确认消息。数据编号占用1 B，北斗短报文数据发送后，接收端需要将该条数据编号反馈给发送端。

4） CRC校验码，2 B。CRC校验码用于检测接收数据是否正确。

太阳能监测系统单次采集数据需要14+3=17 B。系统采集的参数，每5 min的平均值作为一次采集结果。短报文发送数据分日间与夜间两种情况。日间累计采集结果4次后，系统启动北斗短报文发送一次数据，数据长度为17×4+1+2=71 B。夜间只采集环境参数，每30 min采集一次，等到日出时刻将存储的夜间环境数据一次发送出去。根据日出日落时间的不同，发送的数据长度不等，以夜间12 h计，则发送数据长度为3×24+1+2=75 B。

程序流程图如图5所示。

只有在日间，光伏组件才有功率输出，对光伏组件的监控只在日间进行。计算日出、日落时间需要的三要素为：地点（经纬度）、时间、时区。

首先，通过北斗卫星模块可以获得经纬度、时间信息，进而计算出当地的日出、日落时间。在日出时刻，将夜间采集的环境参数通过短报文发送出去。

然后，系统采集光伏组件、环境、太阳能辐射等参数，间隔20 min 1次，通过北斗短报文发送。如果发送端在3 min内未接收到返回的数据编号，则重新发送数据，如果连续3次未发送成功，则放弃数据发送。此时表明系统可能故障，重新启动系统。接收端也可以通过数据信息的编号，来判断是否有信息未接收成功。

4 结 论

本文充分利用北斗卫星的定位、授时、短报文通信技术，设计了适用于无通信网络信号的偏远地区太阳能资源监控系统。完成了太阳能资源监控系统的设计，使用北斗短报文通信的方式，不受地理位置的限制。系统运行可靠、稳定。采集的太阳能辐射资源数据，后续将进一步根据光伏组件发电功率、环境参数等数据，分析监测地区的光伏发电能力。可以为后续光伏电站的选址、建设提供基础数据与依据。

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