Applied Energy 86（2009）2651-2660
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应用能源
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基于无线数据采集系统监测的气象数据测量
M. Benghanem *
邮政信箱，泰国大学理学院物理系。344 Madinah，沙特阿拉伯
文章信息
文章历史：
2009年1月15日收到
2009年3月14日收到修订后的表格2009年3 月29日接受
2009年5月17日在线提供
关键词： 无线数据采集系统远程气象站 LabVIEW监控微控制器可再生能源
摘要
估计一个地区的太阳能潜力需要详细的太阳辐射气候学，并且有必要收集覆盖该地区所有气候带的高 精度的大量辐射数据。在这方面，考虑到偏远地区的能源需求，无线数据采集系统（WDAS）将有助于 估算太阳能潜力。本文介绍了用于评估太阳能的WDAS的设计和实施。拟议的系统包括一套用于测量气象参数的传感器。收集的数据首先使用精密电子电路进行调节，然后通过无线单元使用RS232连接与PC连接。LabVIEW程序用于进一步处理，显示和存储PC磁盘中收集的数据。所提出的架构允许快速系统开发并具有灵活性的优点，并且可以容易地扩展以控制诸如光伏系统的可再生能源系统。具有执行 信息系统和报告工具的WDAS有助于挖掘大量数据资源并提供信息。
copy;2009 Elsevier Ltd.保留所有权利。
1.简介
在过去的二十年中，可再生能源的快速发展导致在全世界安装了许多可再生能源电力系统。但是安装成本仍然很高，因此他们的设计优化是可取的。然而，这种努力需要详细了解系统安装地点的气象数据，因为相应的能量产生受气候条件的影响很大。在许多情况下，需要来自许多不同位置的气象数据，以评估描述可再生能源空间变异性的模型。因此，自动化数据库管理系统的开发是必不可少的。这种系统通常由基于微控制器的单元组成，用于记录感兴趣的信号，而收集的数据通常被传送到PC进行存储和进一步处理。
另一个应用是收集天气数据和模块 远程部署的可再生能源系统中的形成数据，特别是光伏（PV）安装。收集的天气数据包括风速、风向降雨量、环境温度、大气压力、相对湿度和太阳辐照度。因此，PV系统的性能监测需要记录适当的天气参数。
*地址：国际理论物理中心：ICTP，意大利的里雅斯特。联系电话：
966 50 73 46 783.
电子邮件地址：benghanem_mohamed@yahoo.fr, mbenghan@ictp.it
为了评估目的，数据采集系统广泛用于可再生能源应用，以收集有关已安装系统性能的数据[1]。真实的风能和太阳能潜力测量用于确定孤立的可再生能源的规格[2]。
已经开发了许多数据采集系统，以便收集和处理这些数据，以
及监测正在运行的可再生能源系统的性能，以评估其性能[3-5]。据采集系统已被设计并用于监测光伏电池充电和水泵系统的性能[6,7]。连接到基于微控制器的单元的A/D转换器记录一组传感器信号，而收集的数据存储在本地EPROM中。微控制器收集的数据通过RS-232串行连接传输到PC，存储在那里进行进一步处理。已实施了相同的架构用于太阳辐射和环境温度测量[8-10]。已经开发并提出了一种不同的方法[11]。商业数据记录单元已用于测量混合光伏-柴油系统的一组气象和操作参数。收集的数据通过RS-232串行接口传输到PC，使用LabVIEW数据采集软件进行处理。然而，与数据采集卡方法相比，数据记录单元缺乏灵活性，而且，它不能用于可再生能源系统控制。上述设计方法的共同特征是基于微控制器的数据记录单元用于测量感兴趣的信号并通过RS-232
串行接口将收集的数据接口到PC。
0306-2619 / $ - 见前面的内容copy;2009 Elsevier Ltd.保留所有权利。 doi:10.1016/j.apenergy.2009.03.026
但是，如果需要高级控制功能，串行数据传输会限制系统性能。
已经开发出用于可再生能源系统监测的综合数据采集系统[12]。一组传感器用于测量大气和土壤条件，以及关于混合光伏/风力发电机电力系统产生的能量的量，例如光伏阵列电压和电流，风力发电机速度。收集的数据将进一步处理，显示在监视器上并存储在磁盘中。由于用户的需要，所有这些数据采集系统都具有非常广泛的应用。为此，我们设计的无线测量系统也将受到普通用户的欢迎。
气象数据的另一个应用是生成典型的气象年（TMY）数据。实际上，已经使用三种方法来生成TMY数据集，使用热带环境中四个站点的气象 数据的10年期（1995-2004）[13]。因此，为了验证这些方法，作者比 较了从TMY方法和10年小时数据获得的月平均全球辐射。此外，作者还比较了从TMY方法和10年小时数据获得的月平均温度，相对湿度和风速的变化。由于空气温度和风速是3小时周期数据，因此在数学上对这些数据进行插值以获得每小时数据。10分钟的平均太阳辐射再次平均为每小时一次太阳辐照度的平均值。然而，在我们避免数学插值的情况下，我们设计了一个无线数据采集系统（WDAS）来为我们提供实验小时数据。这提高了测量数据的精度，然后测量数据与模型模拟的数据之间的比较将更加显着。
在测量系统的设计中，我们必须选择合适的精密电子电路以及构 成天气感应的不同部分，以减少测量误差。事实上，现场的风速可以 通过在气象（met）塔顶安装风速计来测量[14]。作者认为顶部安装 的风速计应位于其塔台的迎风侧，凸起5个直径
高于顶部。这样可以将加速误差降低到1％以下。在遇见塔顶部周围的其他误差源，加速气流或加速可能导致风速计测量不正确。在这种情况下，首先，我们选择无线系统来最小化由于传统采集系统的连接电缆引起的测量误差，其中传感器位于距离采集系统200米以上。其次，我们选择了合适的电子精密电路作为接口传感器和测量站之间。 这项工作的主要目的是设计一个从远程站接收的数据传输系统，以便大大方便地接收数据并最大限度地降低这些站的维护成本。在本文中我们开发了一种低成本，自主的远程天气数据采集系统（WDAS），使用简单易用的设备收集本地数据并将其传输到任何配备互联网连接的PC。WDAS用于使用无线接口收集数据并将数据传输到远程服务器以进行存储和处理。数据从远程站移动到存储和分析此数据的服务器。一组传感器用于测量气象数据（太阳辐射，气温，相对 湿度，压力，风速和方向）。传感器信号首先使用精密电子电路进行滤波和放大，然后通过PCI总线使用无线单元连接到PC。收集的数据将进一步处理，显示在监视器上并使用LabVIEW软件存储在磁盘中。该方法具有快速数据采集系统开发的优点，并提供易于使用的图形环境，允许系统操作员容易地处理所收集的数据。所提出的无线数据采集系统没有限制，其用于大功率容量可再生能源系统，这是这种监测和控制系统的主要目的。
本文的结构如下：第2节介绍了WDAS，传感器分析和所开发的电子电路。远程和基站，气象监测应用程序在第3节中描述，并给出了实验结果。在第4节。
图1.远程站中的传感器和接口电子电路。
2. 无线数据采集系统的描述
气象站是一个现场数据采集系统，用于收集和传输天气数据，包括降雨、风速和风向、室外温度、湿度和气压。该系统的要求是：
bull; 测量与天气有关的数据。
bull; 能够无线传输数据。
bull; 耐候性。
bull; 太阳能。
实现的系统是便携式数据采集系统，其允许在任何位置收集，存储和传输数据。
无线气象站由远程站和基站组成。远程站由太阳能供电，每分钟唤醒一次，以收集和传输数据。基站
接收并缓冲输入数据，然后通过RS232连接将其传输到PC进行处理。 每个站内都有一个专用电路卡以及一个单独的RF电路卡。
2.1. 远程站设计
远程站由四个功能部分组成：传感器，微控制器PIC（并行接口控制器）16F877，RF电路和电源。原理图如图1所示，显示了使用的不同传感器和微控制器PIC16F877的框图。
传感器的电子电路和接口电路如图2所示。
2.1.1. 太阳辐射传感
太阳辐射的测量是专门用于用日射强度计Kipp和Zonen预校准的太 阳能电池。光电流
图2.传感器和微控制器区域。
由硅PN结产生的电极用作太阳辐射换能器。我们使用单晶硅太阳能电池来测量太阳辐射。所使用的太阳能电池具有比通常的日射强度计更重要的大光谱响应。太阳能电池作为太阳辐射计的使用降低了所有系统的成本。太阳能电池设备调节由两个运算放大器决定。
测量方法包括获取与入射太阳辐射成比例的短路电流Isc 。太阳能电池的校准允许根据入射的太阳辐射获得短路电流：
ISC =K bull; Hi （1）
其中K是校准因子，Hi 是入射太阳辐射。我们使用的太阳能电池的校 准系数为80mA/kW/m2。
120
100
80
相对湿度hu（%）（％）
60
40
20
0
6000 6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400
通过测量分流电阻器R嘘两端的电压来实现短路电流Isc的测量。为了适应，我们使用第一个运算放大器（OPA1）作为跟随器，为了进行大规模测量，我们通过电阻器R1，R2和第二个运算放大器（OPA2）放大信号。我们使用的LM324系列包括四个独立的高增益，内部频率补偿运算放大器，专门设计用于在宽电压范围内通过单个电源供电。
2.1.2. 湿度传感
对于湿度感应，我们选择了Humirel HS1101电容式传感器。该器件与作为非稳态多谐振荡器的CMOS 555定时器结合使用时，会产生具有湿度相关频率的信号。为了最大限度地降低温度影响， 在此设计中使用Texas Instruments TLC555器件非常重要。另请注意，必须注意HS1101和555定时器的节点。杂散电容值将导致错误且不可预测的测量。555定时器的输出频率与相对湿度之间的关系如图3所示。
将相对湿度hu 与频率f相关联的一阶方程是：
hu =565.1- 0.0767*f （2）
二阶方程可用于提高精度，因此：
Hu=-6.4790*10-6*f 2 1.0047x10-2*f 2.7567*102 （3）
2.1.3. 温度传感
LM335的温度检测非常简单。该设备的输出等于以开尔文为单位的绝对温度除以100，因此：
V出=温度（oK）/100
o
频率f（Hz）
图3.相对湿度与频率的关系。
为了确定
C中的温度，我们使用以下等式：
图4.远程站的电源。
oC =100 * Vout - 273 （4）
要以华氏度确定温度，我们使用以下等式：
（5）oF =1.8 *o C 32.2=1:8 * (100 * V 出--273) 32.2
然后：
oF=180*Vout – 459.2 (5)
在室温下，该器件输出约3V.
2.1.4. 压力传感
压力传感由Motorola MPX5100A提供，其工作范围为0至16PSI。 但是，我们只对该范围的一小部分感兴趣。气压读数介于28至32英寸汞柱之间。这相当于13.75-15.72PSI。为了增加输出的动态范围，我们增加了一个放大器电路（U4），它从传感器输出中减去大约3.7V，然后将差值乘以4.由于MPX5100可能需要多达10mA，因此增加了 Q1提供微控制器控制的切换。
2.1.5. 风速和风向传感
风速和风向分别用Vector Instruments A100R型风速计和W200P型风向标测量。使用基于光耦合器和计数器的电路测量风速。正弦电压
表格1 用于RF部分的组件值。
参考
发射机价值
接收者价值
C1, C4
100 pF
100 pF
C2
10升
10升
C3
Hps JP2 JP3 JP4 J1 J2
L1 L2 L3
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
U1
不曾用过
用过的 不曾用过 不曾用过 不曾用过 布茨 6针接头
56 nH
22
资料编号：[5997]
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