側掃雷達測流系統的太陽能供電設計

王少華，王江燕，韓根朋，劉 偉

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.大唐石泉水力發電廠，陜西 石泉 725200）

0 引言

近年來，水利信息化行業在測流方向產生了大量的在線監測系統。其中，側掃雷達在線測流系統，由于其國產化、非接觸、超大斷面支持，一經問世，就吸引了業內專家的目光。基于國內某具有代表性品牌的側掃雷達測流系統的研制，本設計完成了該系統的太陽能供電系統的應用。

1 側掃雷達測流系統功耗

水文行業長期以來的自動測報系統的主要供電結構見圖1。

圖1 傳統自動測報系統結構舉例

如圖1 所示，在傳統測報系統中，太陽能及蓄電池作為發電和儲能設備，在日照合格的情況下，將電力儲存起來；遙測終端、通信模塊和傳感器作為能耗設備，它們的工作時間非常短暫。當系統不采集數據時，遙測終端處于低功耗休眠狀態，傳感器、通信模塊處于完全斷電狀態。甚至，有的傳感器本身就是無源設備，不會有電力損耗。而且，只有在滿足一定條件時，系統才會開始工作，所以傳統測報系統能耗極低。

側掃雷達測流系統的供電結構與傳統自動測報系統供電結構類似，但最大的區別在于傳感器的工作的方式及其功耗。側掃雷達系統的傳感器屬于智能傳感器，具體包括電磁波收發組件、中頻信號處理機、工業控制計算機等。傳感器在測量流速過程中，需要大量的時間來采集、處理、分析數據，并且傳感器主要部件斷電后啟動時間較長，因此不支持控電工作模式。以功耗相對較大的國產雷達水位計作為對比，兩種測報系統的重要區別見表1。

表1 側掃雷達測流系統與雷達水位自動測報系統對比

由表1 可以看出側掃雷達傳感器的工作電流約是雷達水位計的183 倍，并且在雷達水位系統的極端應用情況下，用電時間是后者的7.5 倍，二者差異巨大。

1.1 自動測報系統的日功耗計算

自動測報系統功耗主要包括遙測終端、通信模塊、傳感器3 種設備，并且，每個設備都有靜態功耗與工作功耗的區分，因此自動測報系統的日功耗計算公式如下：

式中：Q1為自動測報系統的日功耗，Wh；QR、QT、QS為遙測終端、通信模塊、傳感器的日功耗,Wh；ARw、ATw、ASw為遙測終端、通信模塊、傳感器的工作電流,A；TR、TT、TS為遙測終端、通信模塊、傳感器的日工作時間,h；ARs、ATs、ASs為遙測終端、通信模塊、傳感器的靜態電流，A；U 為系統的額定工作電壓，本研究中采用的設備電壓均為12 V。

1.2 側掃雷達測流系統與傳統自動測報系統的日功耗對比

將表1 中側掃雷達測流系統的數據帶入式（1）～式（4），計算系統日功耗過程如下：

遙 測 終 端 日 功 耗：QR= （0.006×5.2+0.003×18.8）×12=1.0512 W·h

通信模塊日功耗：QT=（0.11×2.4+0.02×2.4）×12=3.744 W·h

傳感器日功耗：QS=（2.2×12+0.9×12）×12=446.4 W·h

側掃雷達測流系統日功耗：Q1=1.0512+3.744+446.4≈451.2W·h

將表1 中雷達水位測報系統的數據帶入式（1）～式（4），計算系統日功耗過程如下：

遙 測 終 端 日 功 耗：QR= （0.006×12.8+0.003×11.2）×12=1.3248 W·h

通信模塊日功耗：QT=（0.11×4.8+0.02×4.8）×12=7.488 W·h

雷達水位日功耗：QS=0.012×3.2×12=0.4608 W·h

雷達水位系統單日功耗：Q1=1.3248+7.488+0.4608≈9.27 W·h

由此可見，即使雷達水位監測系統24 h 一直在工作，側掃雷達測流系統的功耗也接近普通雷達水位系統的50 倍。而實際應用當中，水位監測系統并不會出現每5 min 都會觸發發數的情況。針對側掃雷達測流系統的功耗，已經不能用傳統經驗模式推演太陽能供電系統的配置，必須經過嚴格的設計，才能設計出滿足該系統需要的太陽能供電系統。

2 側掃雷達測流系統的太陽能供電設計

由圖1 可知，太陽能供電系統主要由可以將太陽能轉換為電能的太陽能電池板，以及可以把電能儲存下來的蓄電池組成。

太陽能電池板的主要技術指標是功率W，判斷太陽能板是否能滿足系統續航需求，主要衡量太陽能板在平均發電情況下，所產生的電能否滿足系統當天的功耗。否則，供電系統就會一直處于饋電狀態，直至耗完電池儲能。

蓄電池的主要技術指標是容量Q，判斷電池是否能滿足系統續航要求，主要衡量蓄電池的容量大小是否能支撐項目現場的平均連續陰雨天數。當蓄電池容量大于陰雨天氣時系統的總耗能，系統就可以正常工作，不至于由于在陰雨天，因為電能耗光而宕機。

2.1 蓄電池容量的設計

計算系統蓄電池容量大小，主要涉及3 個技術指標。放電深度、可靠系數、平均連續陰雨天數。

放電深度（DOD）是指從蓄電池取出電量占額定容量的百分比，但DOD 并不是越高越好。資料顯示，蓄電池的特性是放電的能力和重復充電的次數是反比關系，即，表征放電能力的參數放電深度越高，蓄電池可以重復使用的次數就越短。圖2是某大廠鉛酸電池放電深度與循環次數的曲線圖。

圖2 蓄電池放電深度與循環次數關系曲線

因此，為了延長蓄電池的使用次數，應該盡量降低蓄電池的放電深度，同時，考慮到系統的建設成本，也不能無限制的壓低放電深度。《家用太陽能光伏電源系統技術條件和試驗方法》（GBT 19064-2003）指出，深循環型鉛酸蓄電池是應用光伏電源系統的首選產品，且深循環鉛酸蓄電池的設計放電深度（DOD）為80%[4]。

蓄電池可靠系數，是指為了系統可靠，需要為系統考慮額外的容量儲備時所采用的計算系數。因為鉛酸蓄的放電量，并不一定等于它的標稱容量，還跟電池的使用溫度、新舊程度等有關系。所以，為了保證系統的穩定性，在計算蓄電池容量時，引入蓄電池可靠系數這個概念。綜合考慮溫度、老化、富裕等因素，蓄電池的可靠系數取k=1.4[5]。

根據蓄電池DOD 和可靠系數，可得出滿足系統當天功耗的蓄電池容量。但蓄電池僅滿足一天的功耗，無法避免連續陰雨天時，系統蓄電池電能耗盡而宕機。為了避免這種情況，需要引入了平均連續陰雨天數這個概念。

針對獨立光伏發電系統中蓄電池容量設計涉及的平均連續陰雨天數是指，當日可照時間內垂直面直接輻射照度的平均值小于120 W/m2的連續天數[6]。判斷蓄電池容量是否足夠的標準，就看蓄電池的容量能否支撐當地的平均連續陰雨天數。研究表明，云南昆明地區的平均連續陰雨天數為2.8 d[6]。根據昆明市與本項目所在地，景洪市年平均日照時間的數據，估算得出本系統安裝地點的平均連續陰雨天數約為3 d。

綜上，蓄電池容量計算公式為：

式中：Q2為自動測報系統所需蓄電池容量；Q1為自動測系統日功耗；kB為蓄電池可靠系數；d 為當地平均連續陰雨天數；DOD為蓄電池的放電深度。

則本系統需要的電池容量：Q2=（451.2×1.4×3÷0.8）=2368.8 W·h

已知本系統采用的電壓是12 V，則實際需要的蓄電池安時容量為197.4 Ah，根據市場實際蓄電池規格向上取整數，則本系統的采用的蓄電池設計容量為200 Ah。

2.2 太陽能電池板功率的設計

太陽能發電系統受太陽輻射影響巨大，在陰雨天、傍晚光線較差的時候，發電效率非常低，而到了晚上，太陽能板完全不能發電。因此，計算太陽能發電系統發電量的大小，需將平均日照時數考慮在內。只要在平均日照時數內，產生的電量大于系統單日總體功耗，即可以滿足系統正常運行。

圖3 側掃雷達系統安裝現場

日照時數是指在某個地點，一天當中當太陽光達到120 W/m2輻射度時的時間數總和，平均日照時數是指某地一年或若干年的日照時數綜合的平均值，本研究查詢當地的日照時數為5.62 h。

另外，太陽能電池板的標稱功率是在標準狀態下的發電功率，即組件表面溫度25℃，光譜分布AM1.5，輻射照度1000 W/m2，該條件在野外自然環境中，很難一直保持。同時，在工程實施當中，太陽能板的發電功率還會受到其他各種條件限制。例如，太陽能板的利用效率、電池組充電效率、控制器的轉換效率、充電線路長短、設備老化等影響。因此在設計太陽能板功率時，需將太陽能板的發電效率考慮在內。太陽能電池板發電效率可能只有理論值的50%～60%[7]，為確保系統的穩定，本研究電池板的發電效率取50%。

綜上，太陽能板功率計算公式為：

式中：W 為自動測報系統所需太陽能板功率；Q1為自動測系統日功耗；T 為系統所在地平均日照時數；kS為當太陽能電池板的實際效率。

則本系統需要的太陽能板功率：W=451.2÷5.62÷0.5≈160.57 W

根據市場實際太陽能電池板規格向上取整數，則本系統的采用的太陽能板設計功率為200 W。

3 結語

側掃雷達測流系統的工作模式和器件能耗與傳統的自動測報系統大不相同，使得前者的系統功耗超出后者的數十倍。要保證系統的正常運行，就不能從經驗出發，需要詳細計算設備功耗、太陽能板功率以及蓄電池的儲能，才能確保側掃雷達測流系統穩定運行。