用于偏遠地區水環境監測系統的多電源供電模塊設計

吳乃紅，陳曉龍，王洪斌

（水利部機電研究所， 天津 301900）

1 引言

我國疆域廣闊，江河眾多，流域水流量大，降雨時空分布不均，洪水年年爆發，是世界上洪澇災害最嚴重的國家.開展水環境監測對水資源的合理安排，科學配置，具有重要意義[1]。但是，一些水環境監測站往往位于偏遠山區，對那些人煙稀少或無人區等地的水資源監測多采用遠程水環境監測系統進行監測。

監控系統一般是各種類型的傳感器、監控攝像和監控儀表持續、實時工作，這些裝置都持續使用電能，持續供電是儀器設備正常工作的基本條件。在有電網的地區，可采用電網供電，但水環境分布覆蓋全國，在偏遠地區、無人區等無電網地區的水文、水質等傳感器和監測儀表的持續供電問題是一個難題[2]。

本文提出了用于水資源監測系統的多電源供電模塊，在有電網的地區，可以采用電網供電，無電網地區可以采用太陽能、風力發電設備為電池充電，解決無電網地區水資源監測系統的供電問題。

2 多電源供電模塊設計

水資源監控系統要求不能停電，有可靠的供電模塊，全天候保證終端設備的穩定供電。如果地處偏遠無人區，很難通過電網交流供電。此外，在野外采用交流市電供電成本高、不穩定、維護費用大，經濟性較差。采用交流電源當做主電源的話，還應該考慮到交流電源抗干擾和防雷等諸多問題。所以，終端交流電源只能作為被選項（留有接入口）。

本設計多電源供電模塊非電網供電部分主要采用光伏或風力發電直供和蓄電池組供電相結合方式，白天太陽光線充足，光伏發電系統直供用電設備，多余發電存儲于蓄電池組，夜晚則由蓄電池組進行供電，風力發電系統亦是如此，且是太陽能發電系統因天氣原因發電少或不能發電的必要補充。整套裝置由太陽能光伏板、風力發電系統、蓄電池組、充放電控制、逆變器等部件構成。

太陽能光伏板是整個充電系統的核心部件，它將太陽能轉化為電能。本系統采用了高效率的太陽能光伏板，并且優化了光伏板的布局和安裝角度（不同地區設計安裝角度將有很大不同），以最大程度地吸收太陽能。

除了太陽能光伏板，風力發電機組也是系統重要的能源供應來源。通過利用風能轉化為電能，彌補太陽能光伏板在夜間或天氣不好時的不足。本系統采用了高效的風力發電機組，并將其與太陽能光伏板進行了整合，以實現多能源供電。

蓄電池是太陽能光伏充電系統的儲能設備，可以將多余的電能儲存起來，以備不時之需。本系統選用高容量和高性能的蓄電池，并將其與太陽能光伏板和風力發電系統進行匹配，以提高整個系統的可靠性和穩定性。

逆變器是將直流電轉化為交流電的關鍵設備。在多電源供電模塊中，逆變器起著將太陽能光伏板和風力發電系統產生的直流電轉化為交流電的作用。本系統采用高效率和高穩定性的逆變器，并通過控制系統對逆變器的工作進行監測和調節。

控制系統是整個多電源供電模塊的核心，它對太陽能光伏板、風力發電系統、蓄電池和逆變器進行監測和控制。本系統采用先進的控制算法和智能化控制技術，以實現對多電源供電模塊的優化管理和控制。

圖1 為太陽能充電供電示意圖。以太陽能蓄電池為電源，可以不受人和外界自然條件的干擾，本套裝置安裝有防雷避雷針，解決了太陽能蓄電池受雷擊的可能性，本模塊幾乎沒有運行和維護費用，不需要專業維護人員，因此它還可以長期作為被供電系統的供電電源。這種供電方式應用效果十分優秀，大部分無人區或人煙稀少地區的監測系統均采用這此方式，用戶滿意度很高。

圖1 太陽能供電模塊示意圖

圖2 多電源供電模塊設計圖

除太陽能之外、該模塊還可以用水電、風電設備接入的電能為蓄電池組充電和為傳感器、監測設備等供電。

3 太陽能電池選型以及容量計算

太陽能電池按照材料劃分，大致分為硅系太陽能電池和非硅系太陽能電池兩大類，硅材料是最早被用來制作太陽能電池的一種材料，硅材料的光電性能也是相當出色的，它發展的速度也非常迅速。而硅系太陽能電池又可以分為三類，這其中應用最早且技術最成熟的是將單晶硅切割成單晶硅片做成的單晶硅電池。單晶硅太陽能電池有很多優點，其一是光電轉換能力比較好，一般能夠達到20%左右。其次，單晶硅太陽能電池具有出色的穩定性，使用壽命相對較長（可達30 年），是應用最廣泛的太陽能蓄電池。除單晶硅太陽能電池外還有非晶硅薄膜太陽能電池和多晶硅薄膜太陽能電池。這兩種太陽能電池光電效率不高，轉換效率一般，但價格比單晶硅太陽能電池便宜，因此也有一定的應用前途。但目前多數還處于發展研究階段。

本設計采用單晶硅太陽能電池，供電電流不需要太大，目前為止單晶硅太陽能電池無論是技術還是材料都稱得上是最成熟可靠的一種太陽能電池。圖3 表示單晶硅太陽能電池伏安特性曲線。因為W=IU，功率為1 W 的太陽能電池的充電電流大約為60 mA。12 V 蓄電池工作時的電壓是12.5 V 左右，充電時的電流是70 mA 左右。

圖3 單晶硅太陽能電池伏安特性曲線

太陽能電池發電能力的決定因素是標準光強，一般情況下標準光強的光輻射強度要達到1 000 W/m2。首先，把太陽能電池所處地區的（平均）日輻射量轉換成標準光照下的（平均）日輻射時間，公式如式（1）所示。

式中：te— 一天輻射時長，h；Ht— 一天輻射總量；2.778/10 000（h·m2/kJ）—標準轉換系數。

充電電壓12 V 蓄電池的功率為1 W，電陽能電池的充電電流大約為70 mA。功率為1 W 太陽能電池實際的一天發電量的計算公式如式（2）所示。

公式中：Q發— 一天發電量；I充—太陽能電池充電電流；T— 一天平均標準光照的時長；K—斜面系數；C—修正系數。

再將水資源監測系統日耗電量與太陽能電池板的日發電量相除，可得到太陽能電池功率。

考慮到多日平均的太陽日輻射量，工作中每日充電量會遠大于每日耗電量，達到每日耗電量的幾倍，在天氣晴朗的情況下，電池的充電量會增加很多。因此，在經歷過連續陰天后的晴天馬上就會補充電池在陰天中使用的電量。這樣的設計既考慮蓄電池連續為設備供電的時間（即最長連續陰、雨、雪天），也考慮了連續陰、雨、雪天后蓄電池及時充電，以保障供電模塊連續、平穩的供電。

4 結語

本文提出了一種用于水資源監測系統的多電源供電模塊，在有電網覆蓋的水環境采用電網為監測系統供電，在無電網地區，可依靠太陽能、風力發電設備為蓄電池組及設備充能供電，通過充電管理系統實現對蓄電池的充電和保護，并利用功率管理部件實現多電源之間的切換和匹配。實踐結果表明，該模塊能夠穩定地為水環境監測系統提供可靠的電源支持，解決在偏遠地區、無人區及其他沒有電網地區水環境監測系統的持續供電問題。