基于NB-IoT的水循環(huán)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計*

海 濤， 劉振語， 時 雨， 黃新迪

(1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004; 2.廣西計量檢測研究院,廣西 南寧 530004)

0 引 言

隨著5G技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)成為信息技術(shù)的重要組成部分，云平臺、云計算得到了充分的應(yīng)用[1,2]。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中起到重要的作用，萬物互聯(lián)已經(jīng)成為一種常態(tài)[3]。5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中尚未大規(guī)模普及且費用昂貴，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通常采用ZigBee、WiFi、藍牙、通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)等通信技術(shù)作為解決方案，但這些技術(shù)的弊端顯著，終端數(shù)量飽和、通信距離短和功耗大等限制著它們在實際中的應(yīng)用[4,5]。基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of things,NB-IoT)技術(shù)，具有海量連接、深覆蓋、低功耗等優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)將具有傳感器和NB-IoT通信技術(shù)的采集模塊加裝在太陽能電池板上，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到云平臺調(diào)控系統(tǒng)，實時調(diào)控太陽能電池板的工作環(huán)境，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

本文研究設(shè)計了一種基于NB-IoT云平臺的水循環(huán)光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)用傳感器技術(shù)和微控制器采集光伏電池板工作信息，通過NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)太陽能電池板最佳工作溫度，調(diào)節(jié)水循環(huán)系統(tǒng)，改變太陽能電池板的工作環(huán)境，保證光伏發(fā)電的高效率，為大型水循環(huán)光伏系統(tǒng)的智能化遠距離云端控制做出了探索。

1 水循環(huán)系統(tǒng)與NB-IoT系統(tǒng)總體構(gòu)架

1.1 水循環(huán)實驗系統(tǒng)

光伏電池水循環(huán)實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水循環(huán)光伏系統(tǒng)實驗簡易圖

水循環(huán)系統(tǒng)由蓄電池組供電，太陽能電池板背部鋪滿水冷管，水冷管的鋪設(shè)方式如圖2(a)，實現(xiàn)對太陽能電池板降溫。其中，太陽能背部所用的水冷管為扁式設(shè)計如圖2(b)所示，這種設(shè)計可以提高冷卻水與電池板的接觸面積，傳熱效果好，吸熱表面與電池板表面可以緊密貼合，增強冷卻效果。水冷管上方有隔熱板覆蓋，保證冷卻水運行效果，同時減少水冷管中的冷水與空氣進行熱交換。

圖2 水循環(huán)太陽能電池板

太陽能電池板上設(shè)有溫濕度傳感器T1，T2，T3和T4檢測電池板表面溫度，根據(jù)文獻[6]中溫度與單晶硅太陽能電池輸出功率的關(guān)系，設(shè)定降溫閾值為32 ℃，當(dāng)檢測溫度到達設(shè)定閾值時，水泵1開始工作，對太陽能電池板進行水循環(huán)降溫。實驗中采用控制器直接測量光伏電池的輸出電壓Vpv和輸出電流Ipv，則光伏電池的實時輸出功率為

Ppv=VpvIpv

(1)

光伏電池的光電輸出效率γpv為單位面積光伏電池的實際輸出功率Ppv與電池所在平面上太陽總輻射強度E的比值關(guān)系

(2)

式中Apv為光伏電池總面積。

當(dāng)溫度傳感器T8值達到32 ℃以上時，水循環(huán)系統(tǒng)的降溫效果下降，此時控制模塊對水泵1下達停止工作指令，對水泵2下達開始工作指令，冷水會從水泵2進入水循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)過循環(huán)后進入儲水箱，蓄水箱中水的溫度經(jīng)過長時間工作后會大幅上升，根據(jù)水溫度越高密度越小可知儲水箱上層水溫大于最底部水溫，熱水上升冷水下降，水箱中冷熱水進行對流。對流傳熱與它們的溫差呈正比，即

q=h×(tw-t∞)

(3)

Q=h×A×(tw-t∞)=q×A

(4)

式中q為熱流密度，W/m2；tw，t∞為固體表面和流體的溫度，K；A為壁面面積，m2；h為表面對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K),本文中h取(1 000～15 000)。根據(jù)公式可知，在開啟水泵2后，冷熱水對流激烈，為保證進入水箱B層水的水溫，在B，C區(qū)交匯處加裝帶孔隔熱板，減少對流。

熱水通過隔熱板進入水箱B層，并通過特定管道進入熱水A區(qū)。待C區(qū)水溫降到20 ℃左右時，關(guān)閉水泵2，重新開啟水泵1。儲水箱溫度的熱量為

Qw=cpρwGw(two-twi)

(5)

式中cp為水的比熱容，J/(kg·K)；ρw為水的密度，kg/m3；Gw為儲水箱的體積流量，m3/s；two為水泵出口水的溫度，℃；twi為循環(huán)后進入水箱時的溫度，℃。

熱水A區(qū)的水通過水閥排出供給用戶使用，用戶根據(jù)所需的水溫選擇是否使用加熱器在A區(qū)對水加熱。令水泵1為Y1水泵2為Y2，則水泵1和水泵2的邏輯控制關(guān)系為

當(dāng)水泵1開始工作，水泵2停止工作時

Y1=1，Y2=0，Y1·Y2=0

(6)

當(dāng)水泵1停止工作，水泵2開始工作時

Y1=0，Y2=1，Y1·Y2=0

(7)

1.2 NB-IoT系統(tǒng)總體構(gòu)架

NB-IoT主要特點是工作頻率低，功耗少，傳輸距離遠，能夠很好解決目前物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及應(yīng)用的問題[7,8]。

NB-IoT組網(wǎng)方式主要是由用戶終端、NB-IoT基站、核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺和相關(guān)設(shè)備組成，相關(guān)設(shè)備通過指定的運營商SIM卡接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，并與云平臺進行數(shù)據(jù)交互，云平臺在運算和處理結(jié)束后將運算和結(jié)果反饋給處理端，處理端根據(jù)指令進行相關(guān)控制操作[9]。

基于NB-IoT云平臺的水循環(huán)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中NB-IoT采集模塊主要由MSP430F149芯片、NB73模組、溫濕度傳感器以及光照強度傳感器等構(gòu)成。采集模塊獲得的數(shù)據(jù)通過L2TP隧道技術(shù)構(gòu)建的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)絅B-IoT基站，并通過VPDN隧道直接與云平臺服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換[10，11]，利用云平臺智能控制系統(tǒng)對太陽能電池板工作環(huán)境進行遠程調(diào)控。云平臺控制系統(tǒng)主要負責(zé)光伏電站運行數(shù)據(jù)的儲存、分析、決策以及遠程自動控制。

圖3 基于NB-IoT云平臺的水循環(huán)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 NB-IoT采集模塊硬件設(shè)計

采集模塊的硬件設(shè)計主要分為：NB-IoT主控板和通信模塊的電路設(shè)計，其中主控板的功能是對太陽能電池板工作環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，通信模塊負責(zé)與NB-IoT基站的通信[12]。采集模塊環(huán)境數(shù)據(jù)采集的傳感器選擇為DHT11溫濕度傳感器和GY—302 BH1750光照強度傳感器。

采集模塊通信實現(xiàn)流程如圖4所示，通信模塊采用NB73作為射頻模組與專用的NB-IoT卡進行通信，并通過射頻天線將采集到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到NB-IoT基站。

圖4 采集模塊通信實現(xiàn)流程

NB-IoT采集模塊的工作流程如下：采集終端在初始化動作結(jié)束后，MSP430F149芯片進入超低功耗模式(LPM3)等待定時器喚醒，在此模式中，只有ACLK時鐘工作。同時NB73模塊在初始化和調(diào)試結(jié)束后分別進入IDLE和PSM模式，當(dāng)定時器下達動作指令后，MSP430F149芯片退出低功耗，通過傳感器對光伏電池組周圍環(huán)境信息進行采集，并將采集到的信息發(fā)送給通信模塊。之后芯片再次進入超低功耗模式(LPM3)，通信模塊接收到數(shù)據(jù)后退出PSM模式，通過AT命令集將數(shù)據(jù)發(fā)送給NB-IoT基站。

NB-IoT控制模塊硬件采用“物聯(lián)網(wǎng)+單片機”控制方案，這種方案響應(yīng)及時，簡單易實現(xiàn)，其中單片機選擇型號與上文單片機型號相同MSP430F149。為了使控制模塊高效穩(wěn)定的工作，云平臺與控制端需要不間斷進行數(shù)據(jù)交互，在控制指令下達結(jié)束后，判斷系統(tǒng)是否運行結(jié)束，如果系統(tǒng)未結(jié)束返回系統(tǒng)調(diào)試重復(fù)數(shù)據(jù)交互，如果結(jié)束，則直接退出系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計

本文監(jiān)控平臺選用WH-NB73模塊自帶的透傳云監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)中在設(shè)備管理中添加NB73模塊，在數(shù)據(jù)管理模塊添加各傳感器數(shù)據(jù)模板，并在歷史記錄中下載水循環(huán)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻[7]可知，光伏組件最佳工作溫度為32 ℃，可以在觸發(fā)器管理中添加觸發(fā)器，當(dāng)溫度傳感器上傳的數(shù)據(jù)到達所設(shè)的報警臨界點，便會觸發(fā)報警，開始水循環(huán)降溫。在中性管理中選擇報警信息推送的方式，目前選用微信推送的方式接收報警信號。

透傳云管理系統(tǒng)的云組態(tài)監(jiān)控大屏如圖5所示，在監(jiān)控大屏中可以看到水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的運行基本信息和報警統(tǒng)計。組態(tài)畫面信息可以在組態(tài)管理中進行開發(fā)，可以使用組態(tài)模板也可以選擇獨立應(yīng)用。組態(tài)管理中提供畫板和工業(yè)中常見器件的模型，開發(fā)時可以直接應(yīng)用。

圖5 云組態(tài)監(jiān)控大屏

3 實驗與數(shù)據(jù)處理

實驗選用3塊規(guī)格參數(shù)一致的光伏電池在相同的環(huán)境下工作，其中對電池板1和電池板2進行水循環(huán)降溫，對電池板3不做處理，在每塊電池板的頂部和底部各用一個溫度傳感器進行溫度檢測。試驗地點選在桂南某城市，實驗時間從5月10日～6月5日，除去陰雨天氣實驗總共進行了16天。為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，每天試驗時間從中午10點開始到下午3點結(jié)束，并在太陽能電池板工作0.5 h后開始測量電池板溫度，所得溫度數(shù)據(jù)通過采集模塊獲取，再由通信模塊通過NB-IoT專用網(wǎng)絡(luò)傳送至云平臺。

實驗通過統(tǒng)計水泵2的開啟次數(shù)可以判斷出選用儲水箱的規(guī)格是否合適，并作出相應(yīng)的調(diào)整。水泵2的開啟次數(shù)控制在0～2次。從16天的統(tǒng)計結(jié)果(表1)可以看出，實驗所選用的儲水箱規(guī)格合適，降溫效果也十分明顯。

表1 水泵2開啟次數(shù)

在云平臺的設(shè)備管理中查詢歷史數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理。實驗數(shù)據(jù)的精度主要取決于各測量儀器和傳感器的精度，其誤差可以通過計算獨立變量的誤差得到

y=f(m1,m2,…,mn)

(8)

相對誤差計算如下

(9)

平均相對誤差如下

(10)

通過上述誤差公式，對云平臺下載的實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到未經(jīng)水循環(huán)降溫的光伏電池表面日平均溫度為50.3 ℃，采用水循環(huán)降溫的電池表面日平均溫度約30.9 ℃，溫度下降19.4 ℃，降溫效果明顯，水泵2開啟一次的水循環(huán)太陽能電池板日溫度變化曲線與無水循環(huán)太陽能電池板日溫度變化曲線對比如圖6所示。

圖6 太陽能電池板表面日溫度變化

根據(jù)圖6太陽能電池板表面的溫度變化曲線得出，經(jīng)水循環(huán)后光伏電池組的峰值溫度在32.7 ℃而未經(jīng)水循環(huán)降溫的電池板最高溫度達到60.7 ℃，降溫效果明顯。從溫度傳感器T1、T2、T3、T4的溫度數(shù)據(jù)對比可以看出，太陽能電池板2的整體溫度比電池板1高約0.5 ℃，為了保證水循環(huán)的降溫效果，需根據(jù)蓄水箱的容積和水溫，串聯(lián)一定數(shù)量的太陽能電池板，以達到最佳的降溫效果。

本次實驗中，有水循環(huán)的2塊電池板上的4只溫度傳感器取平均值、無水循環(huán)光伏電池板上的2只溫度傳感器取平均值、儲水箱溫度和外部環(huán)境溫度隨時間變化的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，儲水箱溫度和光伏電池板的溫度隨著水泵2的開啟，內(nèi)部溫度會發(fā)生大幅度下降，當(dāng)水泵2關(guān)閉后，水箱中水的溫度上升速度比剛開始大，但隨著環(huán)境溫度的下降，溫度上升速率也趨于平穩(wěn)。

圖7 不同模式發(fā)電系統(tǒng)溫度與時間的關(guān)系

兩種工作模式下太陽能光伏電池的光電輸出效率如圖8所示，從圖中可以看出，有水循環(huán)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電輸出效率整體比無水循環(huán)光電輸出效率高。兩種工作模式下，11︰40后光電輸出效率達到最高點21.5 %，之后無水循環(huán)光電輸出效率γpv在10.5%左右上下波動，有水循環(huán)光電輸出效率γpv在18.7 %左右上下波動，有水循環(huán)光電輸出效率比無水循環(huán)光電輸出效率高約8.2 %。

圖8 兩種模式下光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率對比

4 結(jié) 論

設(shè)計系統(tǒng)將采集光伏電站的環(huán)境信息通過專用運營商NB-IoT上傳至云平臺控制系統(tǒng)，并根據(jù)設(shè)置的溫度閾值進行水循環(huán)降溫。通過實驗與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)相對比，實驗結(jié)果表明有水循環(huán)系統(tǒng)的光伏電池表面溫度下降19.4 ℃，發(fā)電效率提升8.2 %左右，光熱利用率提升，太陽能整體利用率大幅提高。此系統(tǒng)基于NB-IoT云平臺，能有效地實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠距離監(jiān)測與控制，對大型水循環(huán)光伏發(fā)電站智能化建設(shè)做出了探索。