水利監測站太陽能供電系統設計與應用

中鐵十二局集團電氣化工程有限公司 鄭 蒙

傳統的自動化水利監測系統為保障供電，所有自動監測站均需建設交流電輸電線路，配備高精度的穩壓電源、大功率UPS 及大容量蓄電池組，該方案雖然可保障供電但成本高昂，如了降成本影響監測站運行可靠性則得不償失。因此，如何平衡成本與可靠性成為水利監測系統建設面臨的重要問題。設計自動化水利監測站太陽能供電系統的目的是為了降低成本的同時確保自動化水利監測站的運行穩定性。實踐中水利監測系統常用的供電方式主要有三種：

蓄電池供電。無需考慮交流電、雷擊等外界因素帶來的干擾，但需經常充電，同時需定期維護，增加了維護人員的負擔；蓄電池+浮充供電。僅需少量蓄電池就可維持一個中型水利監測站的長期運行，但如無法提供交流電就需單獨架設線路，成本大大增加，因此在沒有交流電源的情況下不建議采用該供電方式。有些地方由于交流供電異常，交流電網輻射面積大、雷擊隱患大，容易損壞系統設備，需采取一定的防雷措施，也不建議采用該供電方式。這種供電方式很少用于遠程遙測站，因其投資相對較高，但可用于耗電量較大的衛星遙測站和中繼站；蓄電池+光伏板供電。只要太陽能供電系統設計合理就可保證水利監測站點不間斷運行，避免交流電源和雷電的干擾，因此成為現階段水利監測系統中大多數監測站使用的供電方式。

1 太陽能供電系統設計影響因素

太陽能供電系統由光電轉換器、光伏板、控制器、蓄電池等組件構成。日間陽光照射在光伏板上，板上的單晶硅吸收光能后產生電能，有光照時光伏板電壓恒定，電流與光照強度成正比。電能經過充放電控制器實現直流無干擾電源供電，適用于自動化水利監測站，也可借助逆變器將直流電能轉為交流電，為抽水泵設備供電，富余電儲存于蓄電池中。夜間系統負載供電由蓄電池供給。遇到連續陰雨天氣時，光伏板上發電量很小，此時主要由蓄電池負責供電。太陽能供電系統使用壽命長，光伏板通?？稍诟咻敵鰻顟B下持續15到20年，太陽能供電系統不受高次諧波干擾，工作溫度范圍為-40～70°C，具有不間斷電源和無人操作特點，蓄電池可在夜間和陰雨天氣無人值守運行，從而有效減少運行維護成本。

水利監測站在極端天氣條件下工作負荷較大，設計一個可靠、經濟的太陽能系統非常重要。實踐中需要結合監測站具體情況進行合理設計，需考慮以下幾點因素：

日光輻射量。太陽光照射在光伏板的光輻射量受大氣厚度、電池板所在位置、當地氣候、地形和土壤條件等多種因素的影響[1]。通常光照時間越長、光照強度越大的地區，光伏板的光輻射量越大；負載功率。系統的負載功率由其應用決定。如，水利監測站需根據水利監測系統的運行機制確定其運行時間，設備功耗相對固定，因此不同的運行時間對負載功率的影響較大，通常運行時間越長負載功率越大；連續日照時間。陰雨天氣下光伏板幾乎不能發電，此時主要依靠蓄電池組供電。當蓄電池放電后需盡快充電。考慮到經濟使用原則，用于水利監測站的太陽能供電系統需保證監測設備在連續陰雨天氣下連續運行7～15天[2]。

光電轉換效率。光伏板受自身溫度、日光輻射量和電池電壓波動的影響，而這些影響因素隨時間變化，因此光伏板光電轉換效率是不確定的；蓄電池放電。電池組工作在浮充狀態，其電壓取決于光伏板產生的電量和負載消耗的電量，電池提供的能量受環境溫度和自放電等因素的影響；供電系統自身能耗。供電系統電子元器件的性能和質量決定其能耗，能耗越小充電效率越高；安裝角度。太陽能電池的安裝角度因地區而異，通常最佳安裝角度為當地緯度。

2 水利監測站太陽能供電系統設計

2.1 太陽跟蹤子系統

太陽跟蹤系統可跟蹤太陽方位角，以相應調整光伏板角度使其始終面向太陽，最大限度地提高光伏板的發電效率。系統采用衛星導航系統為光伏板提供緯度、經度和時間信息。6自由度陀螺儀用于判斷光伏板角度的準確性。ARM 微處理器負責執行和控制數據處理，進而實現光伏板角度控制。本次設計的用于水利監測站的太陽跟蹤系統結構如圖1，主要包括導航系統、陀螺儀、電源管理器、ARM微處理器、通訊接口、液晶觸摸屏、電池、驅動電路、驅動電機等。

圖1 太陽跟蹤系統構成

2.2 光伏板

光伏組件是光伏系統的關鍵部分，其作用是將太陽能轉化為電能，為電池供電或支持負載運行。光伏板通常形狀相同、但產生的電量不同，應盡量選擇單位面積發電量大的光伏板作為供電系統光電轉換裝置。為最大限度地發揮光伏板的工作效率，需選擇合適的放置角度以使光伏板能接收盡可能多的太陽輻射。通常將光伏板的放置角度設置為45°。單個光伏板的發電量很小，無法直接用作電源。在實踐應用中通常根據實際情況組合多個光伏板構成光伏組件，其作為太陽能發電系統能量轉換裝置可將太陽光能轉換成電能。為適應戶外工作環境，可在光伏組件表面安全鋼化玻璃，可保護光伏板免受雨雪、冰雹、風沙的破壞。不同規格的光伏板發電量不同，應盡量選單位面積發電量大的光伏板作電系統光電轉換裝置。

本次設計的水利監測用太陽能供電系統可作為輔助供電裝置，假設水利監測站所在區域的有效日照時數約為8小時，沒有日光時蓄電池消耗2.3W×16=36.8Wh。為保證水利監測設備的穩定運行，光伏板功率不能低于 ，綜合光伏板的使用壽命、運行成本等因素系統應選擇10W 光伏板。

2.3 逆變器

是一種將低壓直流電轉換為220V 交流電的設備。逆變器輸出波形可分為正弦波逆變器和方波逆變器兩類。近年來出現了一種準正弦波逆變器。正弦波逆變器提供高質量的交流電源，可驅動各種類型的負載，但技術要求和成本更高。準正弦波逆變器可滿足大多數功率要求，具有高效率、低噪聲和經濟實惠的特點。已成為市場上的主流產品，因此水利監測太陽能供電系統采用準正弦波逆變器。

2.4 蓄電池

能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多。目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內目前主要使用鉛酸免維護蓄電池。因為其固有的“免”維護特性及對環境較少污染的特點，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統。普通鉛酸蓄電池由于需經常維護及其環境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價格較高僅適用于較為特殊的場合。電池組發電量的不足和過剩值是確定蓄電池容量的依據之一，同樣連續陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得，所以這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。

在供電系統中，蓄電池須能承受長時間的過充電，同時需具備良好的系統電壓調節功能，還要能承受高溫，計算蓄電池容量的公式為：Q=AQLNLT0/CC，其中A 表示安全系數，取1.1～1.4，常用值為1.2；QL表示系統中各種負載的耗電量均值；NL表示陰雨天持續的最大值；T0表示溫度修正系數，氣溫0℃時取1，-10～0℃范圍時取1.1， -10℃時取1.2；CC表示蓄電池的放電深度，鉛酸蓄電池的CC通常取值0.7。

水利監測站設備中需太陽能供電系統提供電能的主要模塊包括單片機、水位傳感器、溫度傳感器、雨量傳感器、通訊模塊。假設陰雨天氣最長連續7天，基于電池容量計算公式可求得蓄電池電池容量最大值為31.2Ah 左右。綜合考慮價格、尺寸、壽命等因素，系統選用12V、33Ah 鉛酸蓄電池。

2.5 控制器的選用

控制器是該系統重要組成部分，系統最終目的是將太陽能轉化為電能后提供給負載使用或存儲在蓄電池組中?；驹硎腔谳敵鲭妷?、電流及電池組的能力等進行設計，跟蹤最大功率點，這需要控制器對相關數據進行計算并給出相應控制指令。為提高系統的運行速度，本次設計的系統控制器選用TMS320F2812控制芯片。

2.6 系統主要電路設計

太陽光經過電池板作用轉化后得到輸出電壓，因為得到的電壓值比較小，輸出電壓經過DC 升壓電路的輸入端將小電壓輸入到DC 升壓電路中，經過升壓電路的一系列的升壓變換后輸出12V 的電壓，此電壓作為充電電路的電壓源，經過充電控制電路的變換以及檢測后輸入到蓄電池中水利檢測站的設備使用。

太陽能充電電路設計。當暴露在陽光下時，光伏模塊從單晶硅中吸收光子能量來發電。在正常光照條件下，光伏組件的輸出電壓波動很小，但其輸出電流隨與光照強度成正比。該系統的充電電路比較器選用LM358，太陽能充電電路設計見圖2。當引腳6為高電平時，晶體管Q1和MOS 管V1導通并開始充電。電壓低時引腳6為低電平，晶體管Q1和MOS 管V1不導通，耗電使電池電壓達到下限，系統重新回到充電狀態。D1是一個2045肖特基二極管，作用是防止電池反向充電到太陽能電池中。D2為瞬態電壓抑制二極管，其作用于雷擊損壞系統。

圖2 太陽能充電電路

電源電壓轉換電路。水利監測太陽能供電系統所用的單片機、溫度傳感器的工作電壓通常為3.3V，水位傳感器工作電壓通常為5V，雨量計工作電壓通常為12V，GPRS 模塊工作電壓4V，系統需進行蓄電池電壓轉換，降12V 電壓轉換成5V、3.3V。而穩壓芯穩壓損耗較大，基于此，本次設計的太陽能供電系統采用DC/DC 轉換電路12的電源電壓進行轉換。+3.3V 的電壓通過轉換芯片B1203LD-1W 轉換，+5V 電壓通過B1205LD-1W 轉換。

蓄電池過充保護電路。在太陽能充電過程中需避免過充損壞蓄電池，因此太陽能供電系統還需設計簡單的過充保護電路，如圖3所示。電路主要包括三極管Q1、穩壓二極管D1、二極管D2，D1、D2組成三極管Q1的偏置電路，R1為Q1的限流電阻。蓄電池充電時，如蓄電池電壓會慢慢升高，為實現電池過充保護功能AB 端電壓會下降。

圖3 蓄電池過充保護電路

3 結語

水利監測太陽能供電系統設計是否合理可靠決定了水利監測系統是否能穩定運行。目前，一些水利監測站在設計前期為了節省能源建設方面的成本或估算電源配置，往往使用高性能光伏板和小功率太陽能+大容量蓄電池，這樣的配置組合會造成資源浪費，且供電效率低下。系統在前期試運行階段容易發生饋電問題，增加系統維護成本，甚至超過電源配置上的節省成本，往往在最后只能被迫擴容。

因此，在太陽能供電系統設計中需全面深入地分析各種影響因素，進行相關經驗計算，確定光伏組件和電池容量的最優組合。隨著太陽能發電技術的不斷發展和太陽光轉換效率的不斷提高，光伏板的價格越來越低，太陽能供電系統在水利監測系統中的應用將會越來越廣泛。