水利监测站太阳能供电系统设计与应用

中铁十二局集团电气化工程有限公司 郑 蒙

传统的自动化水利监测系统为保障供电，所有自动监测站均需建设交流电输电线路，配备高精度的稳压电源、大功率UPS 及大容量蓄电池组，该方案虽然可保障供电但成本高昂，如了降成本影响监测站运行可靠性则得不偿失。因此，如何平衡成本与可靠性成为水利监测系统建设面临的重要问题。设计自动化水利监测站太阳能供电系统的目的是为了降低成本的同时确保自动化水利监测站的运行稳定性。实践中水利监测系统常用的供电方式主要有三种：

蓄电池供电。无需考虑交流电、雷击等外界因素带来的干扰，但需经常充电，同时需定期维护，增加了维护人员的负担；蓄电池+浮充供电。仅需少量蓄电池就可维持一个中型水利监测站的长期运行，但如无法提供交流电就需单独架设线路，成本大大增加，因此在没有交流电源的情况下不建议采用该供电方式。有些地方由于交流供电异常，交流电网辐射面积大、雷击隐患大，容易损坏系统设备，需采取一定的防雷措施，也不建议采用该供电方式。这种供电方式很少用于远程遥测站，因其投资相对较高，但可用于耗电量较大的卫星遥测站和中继站；蓄电池+光伏板供电。只要太阳能供电系统设计合理就可保证水利监测站点不间断运行，避免交流电源和雷电的干扰，因此成为现阶段水利监测系统中大多数监测站使用的供电方式。

1 太阳能供电系统设计影响因素

太阳能供电系统由光电转换器、光伏板、控制器、蓄电池等组件构成。日间阳光照射在光伏板上，板上的单晶硅吸收光能后产生电能，有光照时光伏板电压恒定，电流与光照强度成正比。电能经过充放电控制器实现直流无干扰电源供电，适用于自动化水利监测站，也可借助逆变器将直流电能转为交流电，为抽水泵设备供电，富余电储存于蓄电池中。夜间系统负载供电由蓄电池供给。遇到连续阴雨天气时，光伏板上发电量很小，此时主要由蓄电池负责供电。太阳能供电系统使用寿命长，光伏板通常可在高输出状态下持续15到20年，太阳能供电系统不受高次谐波干扰，工作温度范围为-40～70°C，具有不间断电源和无人操作特点，蓄电池可在夜间和阴雨天气无人值守运行，从而有效减少运行维护成本。

水利监测站在极端天气条件下工作负荷较大，设计一个可靠、经济的太阳能系统非常重要。实践中需要结合监测站具体情况进行合理设计，需考虑以下几点因素：

日光辐射量。太阳光照射在光伏板的光辐射量受大气厚度、电池板所在位置、当地气候、地形和土壤条件等多种因素的影响[1]。通常光照时间越长、光照强度越大的地区，光伏板的光辐射量越大；负载功率。系统的负载功率由其应用决定。如，水利监测站需根据水利监测系统的运行机制确定其运行时间，设备功耗相对固定，因此不同的运行时间对负载功率的影响较大，通常运行时间越长负载功率越大；连续日照时间。阴雨天气下光伏板几乎不能发电，此时主要依靠蓄电池组供电。当蓄电池放电后需尽快充电。考虑到经济使用原则，用于水利监测站的太阳能供电系统需保证监测设备在连续阴雨天气下连续运行7～15天[2]。

光电转换效率。光伏板受自身温度、日光辐射量和电池电压波动的影响，而这些影响因素随时间变化，因此光伏板光电转换效率是不确定的；蓄电池放电。电池组工作在浮充状态，其电压取决于光伏板产生的电量和负载消耗的电量，电池提供的能量受环境温度和自放电等因素的影响；供电系统自身能耗。供电系统电子元器件的性能和质量决定其能耗，能耗越小充电效率越高；安装角度。太阳能电池的安装角度因地区而异，通常最佳安装角度为当地纬度。

2 水利监测站太阳能供电系统设计

2.1 太阳跟踪子系统

太阳跟踪系统可跟踪太阳方位角，以相应调整光伏板角度使其始终面向太阳，最大限度地提高光伏板的发电效率。系统采用卫星导航系统为光伏板提供纬度、经度和时间信息。6自由度陀螺仪用于判断光伏板角度的准确性。ARM 微处理器负责执行和控制数据处理，进而实现光伏板角度控制。本次设计的用于水利监测站的太阳跟踪系统结构如图1，主要包括导航系统、陀螺仪、电源管理器、ARM微处理器、通讯接口、液晶触摸屏、电池、驱动电路、驱动电机等。

图1 太阳跟踪系统构成

2.2 光伏板

光伏组件是光伏系统的关键部分，其作用是将太阳能转化为电能，为电池供电或支持负载运行。光伏板通常形状相同、但产生的电量不同，应尽量选择单位面积发电量大的光伏板作为供电系统光电转换装置。为最大限度地发挥光伏板的工作效率，需选择合适的放置角度以使光伏板能接收尽可能多的太阳辐射。通常将光伏板的放置角度设置为45°。单个光伏板的发电量很小，无法直接用作电源。在实践应用中通常根据实际情况组合多个光伏板构成光伏组件，其作为太阳能发电系统能量转换装置可将太阳光能转换成电能。为适应户外工作环境，可在光伏组件表面安全钢化玻璃，可保护光伏板免受雨雪、冰雹、风沙的破坏。不同规格的光伏板发电量不同，应尽量选单位面积发电量大的光伏板作电系统光电转换装置。

本次设计的水利监测用太阳能供电系统可作为辅助供电装置，假设水利监测站所在区域的有效日照时数约为8小时，没有日光时蓄电池消耗2.3W×16=36.8Wh。为保证水利监测设备的稳定运行，光伏板功率不能低于 ，综合光伏板的使用寿命、运行成本等因素系统应选择10W 光伏板。

2.3 逆变器

是一种将低压直流电转换为220V 交流电的设备。逆变器输出波形可分为正弦波逆变器和方波逆变器两类。近年来出现了一种准正弦波逆变器。正弦波逆变器提供高质量的交流电源，可驱动各种类型的负载，但技术要求和成本更高。准正弦波逆变器可满足大多数功率要求，具有高效率、低噪声和经济实惠的特点。已成为市场上的主流产品，因此水利监测太阳能供电系统采用准正弦波逆变器。

2.4 蓄电池

能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多。目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池。因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统。普通铅酸蓄电池由于需经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高仅适用于较为特殊的场合。电池组发电量的不足和过剩值是确定蓄电池容量的依据之一，同样连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得，所以这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。

在供电系统中，蓄电池须能承受长时间的过充电，同时需具备良好的系统电压调节功能，还要能承受高温，计算蓄电池容量的公式为：Q=AQLNLT0/CC，其中A 表示安全系数，取1.1～1.4，常用值为1.2；QL表示系统中各种负载的耗电量均值；NL表示阴雨天持续的最大值；T0表示温度修正系数，气温0℃时取1，-10～0℃范围时取1.1， -10℃时取1.2；CC表示蓄电池的放电深度，铅酸蓄电池的CC通常取值0.7。

水利监测站设备中需太阳能供电系统提供电能的主要模块包括单片机、水位传感器、温度传感器、雨量传感器、通讯模块。假设阴雨天气最长连续7天，基于电池容量计算公式可求得蓄电池电池容量最大值为31.2Ah 左右。综合考虑价格、尺寸、寿命等因素，系统选用12V、33Ah 铅酸蓄电池。

2.5 控制器的选用

控制器是该系统重要组成部分，系统最终目的是将太阳能转化为电能后提供给负载使用或存储在蓄电池组中。基本原理是基于输出电压、电流及电池组的能力等进行设计，跟踪最大功率点，这需要控制器对相关数据进行计算并给出相应控制指令。为提高系统的运行速度，本次设计的系统控制器选用TMS320F2812控制芯片。

2.6 系统主要电路设计

太阳光经过电池板作用转化后得到输出电压，因为得到的电压值比较小，输出电压经过DC 升压电路的输入端将小电压输入到DC 升压电路中，经过升压电路的一系列的升压变换后输出12V 的电压，此电压作为充电电路的电压源，经过充电控制电路的变换以及检测后输入到蓄电池中水利检测站的设备使用。

太阳能充电电路设计。当暴露在阳光下时，光伏模块从单晶硅中吸收光子能量来发电。在正常光照条件下，光伏组件的输出电压波动很小，但其输出电流随与光照强度成正比。该系统的充电电路比较器选用LM358，太阳能充电电路设计见图2。当引脚6为高电平时，晶体管Q1和MOS 管V1导通并开始充电。电压低时引脚6为低电平，晶体管Q1和MOS 管V1不导通，耗电使电池电压达到下限，系统重新回到充电状态。D1是一个2045肖特基二极管，作用是防止电池反向充电到太阳能电池中。D2为瞬态电压抑制二极管，其作用于雷击损坏系统。

图2 太阳能充电电路

电源电压转换电路。水利监测太阳能供电系统所用的单片机、温度传感器的工作电压通常为3.3V，水位传感器工作电压通常为5V，雨量计工作电压通常为12V，GPRS 模块工作电压4V，系统需进行蓄电池电压转换，降12V 电压转换成5V、3.3V。而稳压芯稳压损耗较大，基于此，本次设计的太阳能供电系统采用DC/DC 转换电路12的电源电压进行转换。+3.3V 的电压通过转换芯片B1203LD-1W 转换，+5V 电压通过B1205LD-1W 转换。

蓄电池过充保护电路。在太阳能充电过程中需避免过充损坏蓄电池，因此太阳能供电系统还需设计简单的过充保护电路，如图3所示。电路主要包括三极管Q1、稳压二极管D1、二极管D2，D1、D2组成三极管Q1的偏置电路，R1为Q1的限流电阻。蓄电池充电时，如蓄电池电压会慢慢升高，为实现电池过充保护功能AB 端电压会下降。

图3 蓄电池过充保护电路

3 结语

水利监测太阳能供电系统设计是否合理可靠决定了水利监测系统是否能稳定运行。目前，一些水利监测站在设计前期为了节省能源建设方面的成本或估算电源配置，往往使用高性能光伏板和小功率太阳能+大容量蓄电池，这样的配置组合会造成资源浪费，且供电效率低下。系统在前期试运行阶段容易发生馈电问题，增加系统维护成本，甚至超过电源配置上的节省成本，往往在最后只能被迫扩容。

因此，在太阳能供电系统设计中需全面深入地分析各种影响因素，进行相关经验计算，确定光伏组件和电池容量的最优组合。随着太阳能发电技术的不断发展和太阳光转换效率的不断提高，光伏板的价格越来越低，太阳能供电系统在水利监测系统中的应用将会越来越广泛。