基于Arduino的光伏電站霧霾監(jiān)測儀設(shè)計(jì)與制作

佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院光伏教研室 胡昌吉 楊永明 黃健宏 馮昊權(quán)

1 引言

太陽能是未來中國發(fā)展勢頭最為強(qiáng)勁的清潔能源，而目前光伏電站或成霧霾頻發(fā)的主要受害者，嚴(yán)重影響投資者的信心。霧霾主要通過兩種方式影響太陽能電站的發(fā)電量：一是削弱到達(dá)光伏組件的太陽輻射，由于低空中的懸浮物會對太陽光進(jìn)行吸收和反射，導(dǎo)致組件表面接收到的太陽輻射大幅度降低。此外，如果霧霾天氣長期持續(xù)，光伏組件表面的顆粒物不斷累積而變得難以清洗，造成光伏組件表面污染，導(dǎo)致發(fā)電量進(jìn)一步降低。如何對光伏組件進(jìn)行有效清洗，提升投資者信心，我們設(shè)計(jì)并制作了這款基于Ar duino控制器的霧霾監(jiān)測儀，為深入研究霧霾對光伏電站發(fā)電量的影響，進(jìn)一步優(yōu)化光伏電站設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)提供參考依據(jù)。

目前，霧霾對光伏電站發(fā)電量的研究還沒有深入開展。很多研究主要集中在灰塵對光伏組件發(fā)電量的影響，并未涉及霧霾的影響。例如，常州佳訊光電系統(tǒng)工程有限公司陳東兵等人研究了光伏組件表面積塵對蚌埠2MWp光伏電站發(fā)電功率的影響，結(jié)果表明20天的表面積塵使光伏組件串發(fā)電功率減少24%。陜西光伏產(chǎn)業(yè)有限公司王鋒等人分析了西安城區(qū)灰塵對光伏系統(tǒng)輸出功率的影響，“降塵”可使輸出功率降低達(dá)到15%。河海大學(xué)張風(fēng)等人則采用MATLAB/SIMULINK模擬灰塵沉積對光伏組件輸出性能的影響，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行研究。希臘的J.K.Kal del l is等人也采用理論模型結(jié)合試驗(yàn)的方式研究了不同空氣污染物造成的灰塵沉積對光伏系統(tǒng)性能的影響。

盡管華北電力大學(xué)的褚華宇等人提出了一種計(jì)及霧霾影響的光伏功率預(yù)測方法，但并沒有提及霧霾定量的數(shù)據(jù)。Haohui Liu等人從霧霾對太陽光譜影響的角度，分析了霧霾對光伏系統(tǒng)運(yùn)行效能和短路電流的影響,仍未提及霧霾中顆粒濃度等具體信息。

在霧霾監(jiān)測儀方面，南昌航空大學(xué)陳媛等人采用夏普的粉塵傳感器和Ar duino控制器制作了一臺空氣細(xì)微顆粒物檢測器。但該檢測器主要用于家居霧霾檢測，傳感器精度不高，也不合適用于戶外長期的霧霾數(shù)據(jù)的采集工作。

針對以上存在的一些問題，本文提出了一種光伏電站霧霾監(jiān)測儀，該設(shè)備置于光伏電站附近無遮擋處，采用光伏組件供電，也可以采用鋰離子電池作為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)夜晚霧霾監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集。該霧霾監(jiān)測儀具有防塵防水功能，合適戶外長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，在戶外可靠的定量研究霧霾對光伏電站的影響，這將給光伏電站的設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)提供參考依據(jù)。

2 光伏電站霧霾監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)制作

該監(jiān)測儀采用諾方SDS011型和攀藤G3型激光PM2.5傳感器采集霧霾顆粒濃度和粒徑分布等數(shù)據(jù)，采用Ar duino控制器對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，采用鋰離子電池和光伏組件，并配合TP4056鋰離子電池充放電控制芯片和CN3722太陽能充電控制芯片，為霧霾監(jiān)測儀提供可靠穩(wěn)定的工作電源。該監(jiān)測儀還采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和SD卡數(shù)據(jù)采集電路對霧霾數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存，并把Ar duino UNO板作為PC板的接口，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)經(jīng)過j mail發(fā)送到郵件，除了能夠利用互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)外，借助微軟的j mail發(fā)送郵件對傳感器采集的數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，還可以對光伏電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 霧霾監(jiān)測儀功能模塊示意圖

2.1 Arudino微控制器

Ar duino是全球最流行的開源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺。Ar duino簡單的開發(fā)方式使得開發(fā)者不需要太多單片機(jī)基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ)，可以幫助開發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)，更快的完成自己的項(xiàng)目開發(fā)，大大節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，縮短了開發(fā)的周期。

2.2 霧霾數(shù)據(jù)采集模塊

霧霾數(shù)據(jù)采集模塊采用型號為諾方SDS011和攀藤G3兩款粉塵激光傳感器做為對比。其工作是基于激光散射原理，即當(dāng)激光照射到通過檢測位置的顆粒物時(shí)會產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)及換算公式可以得到不同粒徑的實(shí)時(shí)顆粒物的數(shù)量濃度，按照標(biāo)定方法得到跟官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度。

圖2 SDS011型和G3型粉塵激光傳感器實(shí)物圖

2.3 霧霾監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲模塊

為了保證霧霾監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、實(shí)時(shí)性和安全性，霧霾監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲模塊采用三種不同的數(shù)據(jù)存儲方法：（1）將數(shù)據(jù)存儲在SD卡中；（2）將數(shù)據(jù)存儲在本地計(jì)算機(jī)文本文件中；（3）將數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)。

SD卡模塊可以方便地將霧霾監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，用于后期的數(shù)據(jù)處理和分析。SD卡是一種低電壓的f l ash閃存產(chǎn)品，有標(biāo)準(zhǔn)的MMC/SPI兩種操作模塊。對于MMC操作模式，讀寫速度快，控制信號線多，操作復(fù)雜，對于SPI操作模式，速度慢，線少，操作相對簡單。本文采用的是SPI操作模式，直接進(jìn)行目錄遍歷、目錄創(chuàng)建、目錄刪除、文件創(chuàng)建、文件刪除、文件修改、卡格式化等標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)操作。

圖3 SD卡存儲模塊實(shí)物圖

2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊采用的是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。該芯片內(nèi)部有一個(gè)31字節(jié)×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小與31天時(shí)可以自動調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá)2.5～5.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。圖4為DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖。

圖4 DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖

2.5 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模塊

光伏電站霧霾監(jiān)測儀采用j mai l控件實(shí)現(xiàn)霧霾數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送和實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。Ar duino與j mail的互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程。j mail是一種服務(wù)器端的郵件發(fā)送組件，和個(gè)人用的客戶端郵件軟件不一樣的。j mail是在服務(wù)器上給程序用來發(fā)郵件用的，除了軟件編程人員，其他人一般平常用不上。注冊時(shí)的激活郵件的發(fā)送用到的就是它。與此相同的還有CDONTS.NewMail，Per sit s.Mail Sender，IISmai l.Iismail等，它們唯一區(qū)別就是j mail只需要注冊一個(gè)dl l組件即可被調(diào)用，而其他則需要在iis上設(shè)置發(fā)布smt p服務(wù)器。此外，Jmail可以發(fā)送附件；具有詳細(xì)日志能力，便于你查看問題所在；設(shè)置郵件發(fā)送的優(yōu)先級；具有密件發(fā)送/(CC)抄送/緊急信件發(fā)送能力；并支持多種格式的郵件發(fā)送，比如說以HTML或者TXT的方式發(fā)送郵件。最重要的是它是個(gè)免費(fèi)的組件。

2.6 工作電源模塊

為了使光伏電站霧霾監(jiān)測儀能夠長期可靠地在戶外工作，在設(shè)計(jì)中采用了兩種供電電源，一是鋰離子電池，它通過TP4056芯片進(jìn)行充電管理；二是光伏組件，它通過CN3722太陽能充電芯片進(jìn)行充電管理。

TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電管理芯片。其底部帶有散熱片的SOP8封裝與較少的外部元件數(shù)目使得TP4056成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。TP4056可以適合USB電源和適配器電源工作。在太陽輻射強(qiáng)度較弱并持續(xù)時(shí)間較長的陰雨天，可作為補(bǔ)充電源給霧霾監(jiān)測儀供電。

圖5 TP4056鋰離子電池充電電路圖

CN3722是一款可使用光伏組件供電的PWM降壓模式充電管理集成電路，具有太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能。CN3722非常適合對單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此它非常合適光伏電站霧霾監(jiān)測儀在戶外長期使用時(shí)，采用光伏組件進(jìn)行供電。其典型地應(yīng)用電路如圖6所示。

圖6 CN3722光伏組件充電電路

3 光伏電站霧霾監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集

光伏電站霧霾監(jiān)測儀置于佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)樓B屋頂光伏電站進(jìn)行了實(shí)地PM2.5數(shù)據(jù)測量。為了驗(yàn)證光伏電站霧霾監(jiān)測儀的測量準(zhǔn)確度，我們將實(shí)測數(shù)據(jù)與三水監(jiān)測站的PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，見圖7。兩款激光PM2.5傳感器采集的數(shù)據(jù)變化趨勢一致，但是G3傳感器采集的數(shù)據(jù)偏大，而SDS011傳感器采集的數(shù)據(jù)則偏小。

三水監(jiān)測站的數(shù)據(jù)基本處于采集數(shù)據(jù)的中間。

圖7 光伏電站霧霾監(jiān)測儀實(shí)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論語

本文采用Ar duino微處理器、激光PM2.5傳感器等模塊或電路設(shè)計(jì)并制作了一款合適于戶外可靠使用的光伏電站霧霾監(jiān)測儀，為下一步深入研究霧霾對光伏電站發(fā)電量的影響提供了條件。

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