太陽能電源系統在大廣壩灌區的應用

郭華富

（海南省水利灌區管理局大廣壩灌區管理分局，海南 東方 572600）

0 引 言

大廣壩灌區位于海南島西南部，北起昌江縣南羅河，南到樂東縣佛羅鄉的佛羅河，東以東方市境內100 m高程為界，西至西部沿海。灌區南北長103 km，東西寬 38 km，灌區范圍涉及海南省東方、昌江和樂東等三市（縣）的15個鄉鎮和3個大型國營農、林、牧場，設計灌溉面積673.9 km2，其中東方市503.5 km2，昌江縣110 km2，樂東縣60.4 km2。受益總人口達130余萬人[1]。

隨著技術的進步和發展，融合現代計算機技術、網絡技術、自動化技術的水利信息化技術在習近平總書記“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路下得到貫徹落實，大廣壩灌區信息化管理的建設迫在眉睫。

由于灌區管轄面積大，轄區人文環境復雜，多數遙測站地處偏僻、農網供電欠穩定（臺風暴雨時常崩潰）、管理困難。太陽能電源系統以其安全、可靠、維護簡單、免除外界干擾（電力線和雷電等的干擾）的優勢成為水情監測站點的優選供電模式，轄區內良好的日照條件為太陽能電源系統提供了充足的能源條件[2]。

1 太陽能電源系統的構成

太陽能電源系統由太陽能電池組件、太陽能充放電控制器及可充電蓄電池組組成[3]。

1.1 太陽能電池組件

太陽能電池組件是由一定數量的單體太陽能電池通過串、并聯后輸出一定的額定輸出功率和輸出電壓的一組光伏組件。太陽能電池組件的輸出能力受太陽的輻射強度和日照時間影響，而太陽輻射強度因地點不同、季節變化、晴陰雨天有很大的差別。這需要根據使用地點的日照情況，結合測站設備的負載來考量太陽能組件和蓄電池組的具體參數，使其達到經濟、可靠、穩定的目的。

1.2 太陽能充放電控制器

太陽能充放電控制器是太陽能電源系統中控制太陽能電池組件對蓄電池組充電的自動控制設備。它可以根據測站設備對電源的需求來控制太陽能電池組件和蓄電池組對負載的電能輸出，同時起到保護蓄電池組免于過充電或過放電導致蓄電池組故障或過早失效的目的，是太陽能電源系統的核心部件之一。

1.3 蓄電池組

蓄電池組是太陽能電源系統的重要器件，在太陽能電源系統中起到儲能和穩定電壓的作用。

由于太陽輻射強度和日照時間隨時間和季節的變化而變化，太陽能電池組件輸出的電壓、電流會出現較大的波動，通過蓄電池組的儲能和穩定電壓的能力，使電壓波動保持在一定范圍內，向測站設備提供連續、可靠和穩定的電源支持。

2 水情測站的電源要求

大廣壩灌區規劃建設的水雨情測站主要是水位、流量測站，每一個測站的設備包括雷達水位計、雷達流速儀、遙測終端機（RTU），相應設備的工作電流如下。

雷達水位計：工作電流100 mA@12 V（工作模式）。雷達流速儀：工作電流120 mA@12 V（工作模式）。遙測終端機（RTU）：工作電流小于30 mA@12 V（工作模式，含通信模塊）；值守電流小于7 mA@12 V（不含通信模塊）。

此外，太陽能供電系統應能保證測站設備全天候長期工作，保證在最長6天連續陰雨天的情況下能維持設備供電，且要求晴天2天內能恢復蓄電池組充電量。

3 太陽能電源系統的各部件的選擇

3.1 蓄電池組的選擇

蓄電池組指太陽能電源系統的儲能裝置，在這個電源系統中通常是在浮充電方式下運行，其工作電壓隨太陽能電池組件的電壓及測站的負載狀態在一定范圍內波動，合理選擇蓄電池組，使其與太陽能電池組件及負載相匹配。

因為測站設備的工作電壓均為12 V，且測站均處于無人值機狀態下工作，所以蓄電池組可采用標稱電壓為12 V的免維護鉛酸電池。

蓄電池組的容量選擇應能滿足測站設備連續6天陰雨天氣的電量消耗及鉛酸電池的0.75的放電深度。

蓄電池組的容量BC可通過如下計算公式求得：

其中：A為安全系數，取1.2；QL為負載日平均耗電量，為負載總電流與工作時間的乘積；NL為最長連續陰雨天數；T0為溫度修正系數，根據本地氣溫條件可取1；CC為蓄電池組放電深度，鉛酸電池取0.75。

因此，BC=1.2×0.25×24×6×1/0.75=57.6 Ah。

據此，本電源系統中的蓄電池可選擇標稱容量為60 Ah的免維護鉛酸電池。

3.2 太陽能電池組件的選擇

根據太陽能電池的伏安特性可知，12 V蓄電池的充電的太陽能電池組件的最大功率點電壓為16.8 V，加上阻塞二極管的壓降和其他因素引起的壓降，因此用于12 V蓄電池的太陽能電池組件的電壓約為18 V。

首先，太陽能電池組件一天（9.5 h）所產生的電能應能滿足測站24 h工作所消耗的電能和蓄電池充電的電能，且至少放寬對電池組件20%的額度。也就是太陽能電池組件對蓄電池充電的安時數等于測站負載消耗的安時數。即：

其中：W為太陽能組件功率；18為太陽能電池組件的峰值電壓；T為光照時間；IO為負載工作電流；t為負載工作時間。

此時，(W/18)×9.5=1.2×0.25×24

W=13.6（取20 W）

其次，太陽能電池組件還需要對蓄電池組浮充電，最大充電電流需考慮在一定時間內補充連續多日陰雨天負載所消耗的電量，根據本地氣候條件，大廣壩灌區需要考慮天晴2天內能補充連續6天陰雨天工作耗電量，則：

此時，(W/18)×9.5=1.2×0.25×24+0.25×24×6/2

W=47.7（取50 W）

根據水情自動測站的工況需求，配套的太陽能電源系統的太陽能電池組件的峰值功率達到20 W，為保證在最惡劣情況下（連續6天陰雨天氣）測站可靠工作，以選擇50 W峰值功率的太陽能電池組件為宜。

太陽能電池組件的安裝支架應達到一定的荷載效應，其抗風能力要求達到33 m/s（相當于12級），確保具有一定的抗風能力。太陽能電池組件還需要確保傾斜角和方位角安裝正確，東、南、西方向無樹枝和建筑物遮擋。

3.3 充放電控制器的選擇

太陽能充放電控制器主要參數是控制器的電流等級和電壓等級，依前述，5 A以下工作電流選5 A，其電壓等級選擇12 V，市場上很多控制器具有12 V/24 V自適應功能，這種控制器需要在接線時先連接蓄電池組，控制器自動識別蓄電池組電壓后工作。

鑒于常見太陽能充放電控制器具備多種工作模式，如光控模式、光控+時控模式、手動模式、調試模式及常開模式等，且由于水情遙測站點需要全天候24 h工作，在這種需求下，太陽能充放電控制器需要在常開模式下工作，使控制器上電后一直向負載保持電源輸出。

市場上流行的太陽能充放電控制器主要有PWM太陽能控制器和MPPT太陽能控制器。

PWM控制器是“脈寬調制”PWM（Pulse Width Modulation）控制模式的控制器，充電轉換效率為 75%～80%。

MPPT控制器是具備“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking）功能的太陽能控制器，其系統轉換效率達97%，并且能對電池進行良好的管理，是太陽能電源系統的優選器件。

4 結 論

太陽能電源系統是一種環保、綠色的電源系統，維護簡單方便，適合地處偏僻、管理困難的灌區渠系工程無人值守的水情遙測站點應用。在電源系統各部件選型時應充分考慮極端惡劣天氣造成連續多日陰雨期間的供電要求，保證水情測站長期連續穩定地可靠工作，為大廣壩灌區防汛調度、防災減災發揮積極的作用。