用于偏远地区水环境监测系统的多电源供电模块设计

吴乃红，陈晓龙，王洪斌

（水利部机电研究所， 天津 301900）

1 引言

我国疆域广阔，江河众多，流域水流量大，降雨时空分布不均，洪水年年爆发，是世界上洪涝灾害最严重的国家.开展水环境监测对水资源的合理安排，科学配置，具有重要意义[1]。但是，一些水环境监测站往往位于偏远山区，对那些人烟稀少或无人区等地的水资源监测多采用远程水环境监测系统进行监测。

监控系统一般是各种类型的传感器、监控摄像和监控仪表持续、实时工作，这些装置都持续使用电能，持续供电是仪器设备正常工作的基本条件。在有电网的地区，可采用电网供电，但水环境分布覆盖全国，在偏远地区、无人区等无电网地区的水文、水质等传感器和监测仪表的持续供电问题是一个难题[2]。

本文提出了用于水资源监测系统的多电源供电模块，在有电网的地区，可以采用电网供电，无电网地区可以采用太阳能、风力发电设备为电池充电，解决无电网地区水资源监测系统的供电问题。

2 多电源供电模块设计

水资源监控系统要求不能停电，有可靠的供电模块，全天候保证终端设备的稳定供电。如果地处偏远无人区，很难通过电网交流供电。此外，在野外采用交流市电供电成本高、不稳定、维护费用大，经济性较差。采用交流电源当做主电源的话，还应该考虑到交流电源抗干扰和防雷等诸多问题。所以，终端交流电源只能作为被选项（留有接入口）。

本设计多电源供电模块非电网供电部分主要采用光伏或风力发电直供和蓄电池组供电相结合方式，白天太阳光线充足，光伏发电系统直供用电设备，多余发电存储于蓄电池组，夜晚则由蓄电池组进行供电，风力发电系统亦是如此，且是太阳能发电系统因天气原因发电少或不能发电的必要补充。整套装置由太阳能光伏板、风力发电系统、蓄电池组、充放电控制、逆变器等部件构成。

太阳能光伏板是整个充电系统的核心部件，它将太阳能转化为电能。本系统采用了高效率的太阳能光伏板，并且优化了光伏板的布局和安装角度（不同地区设计安装角度将有很大不同），以最大程度地吸收太阳能。

除了太阳能光伏板，风力发电机组也是系统重要的能源供应来源。通过利用风能转化为电能，弥补太阳能光伏板在夜间或天气不好时的不足。本系统采用了高效的风力发电机组，并将其与太阳能光伏板进行了整合，以实现多能源供电。

蓄电池是太阳能光伏充电系统的储能设备，可以将多余的电能储存起来，以备不时之需。本系统选用高容量和高性能的蓄电池，并将其与太阳能光伏板和风力发电系统进行匹配，以提高整个系统的可靠性和稳定性。

逆变器是将直流电转化为交流电的关键设备。在多电源供电模块中，逆变器起着将太阳能光伏板和风力发电系统产生的直流电转化为交流电的作用。本系统采用高效率和高稳定性的逆变器，并通过控制系统对逆变器的工作进行监测和调节。

控制系统是整个多电源供电模块的核心，它对太阳能光伏板、风力发电系统、蓄电池和逆变器进行监测和控制。本系统采用先进的控制算法和智能化控制技术，以实现对多电源供电模块的优化管理和控制。

图1 为太阳能充电供电示意图。以太阳能蓄电池为电源，可以不受人和外界自然条件的干扰，本套装置安装有防雷避雷针，解决了太阳能蓄电池受雷击的可能性，本模块几乎没有运行和维护费用，不需要专业维护人员，因此它还可以长期作为被供电系统的供电电源。这种供电方式应用效果十分优秀，大部分无人区或人烟稀少地区的监测系统均采用这此方式，用户满意度很高。

图1 太阳能供电模块示意图

图2 多电源供电模块设计图

除太阳能之外、该模块还可以用水电、风电设备接入的电能为蓄电池组充电和为传感器、监测设备等供电。

3 太阳能电池选型以及容量计算

太阳能电池按照材料划分，大致分为硅系太阳能电池和非硅系太阳能电池两大类，硅材料是最早被用来制作太阳能电池的一种材料，硅材料的光电性能也是相当出色的，它发展的速度也非常迅速。而硅系太阳能电池又可以分为三类，这其中应用最早且技术最成熟的是将单晶硅切割成单晶硅片做成的单晶硅电池。单晶硅太阳能电池有很多优点，其一是光电转换能力比较好，一般能够达到20%左右。其次，单晶硅太阳能电池具有出色的稳定性，使用寿命相对较长（可达30 年），是应用最广泛的太阳能蓄电池。除单晶硅太阳能电池外还有非晶硅薄膜太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池。这两种太阳能电池光电效率不高，转换效率一般，但价格比单晶硅太阳能电池便宜，因此也有一定的应用前途。但目前多数还处于发展研究阶段。

本设计采用单晶硅太阳能电池，供电电流不需要太大，目前为止单晶硅太阳能电池无论是技术还是材料都称得上是最成熟可靠的一种太阳能电池。图3 表示单晶硅太阳能电池伏安特性曲线。因为W=IU，功率为1 W 的太阳能电池的充电电流大约为60 mA。12 V 蓄电池工作时的电压是12.5 V 左右，充电时的电流是70 mA 左右。

图3 单晶硅太阳能电池伏安特性曲线

太阳能电池发电能力的决定因素是标准光强，一般情况下标准光强的光辐射强度要达到1 000 W/m2。首先，把太阳能电池所处地区的（平均）日辐射量转换成标准光照下的（平均）日辐射时间，公式如式（1）所示。

式中：te— 一天辐射时长，h；Ht— 一天辐射总量；2.778/10 000（h·m2/kJ）—标准转换系数。

充电电压12 V 蓄电池的功率为1 W，电阳能电池的充电电流大约为70 mA。功率为1 W 太阳能电池实际的一天发电量的计算公式如式（2）所示。

公式中：Q发— 一天发电量；I充—太阳能电池充电电流；T— 一天平均标准光照的时长；K—斜面系数；C—修正系数。

再将水资源监测系统日耗电量与太阳能电池板的日发电量相除，可得到太阳能电池功率。

考虑到多日平均的太阳日辐射量，工作中每日充电量会远大于每日耗电量，达到每日耗电量的几倍，在天气晴朗的情况下，电池的充电量会增加很多。因此，在经历过连续阴天后的晴天马上就会补充电池在阴天中使用的电量。这样的设计既考虑蓄电池连续为设备供电的时间（即最长连续阴、雨、雪天），也考虑了连续阴、雨、雪天后蓄电池及时充电，以保障供电模块连续、平稳的供电。

4 结语

本文提出了一种用于水资源监测系统的多电源供电模块，在有电网覆盖的水环境采用电网为监测系统供电，在无电网地区，可依靠太阳能、风力发电设备为蓄电池组及设备充能供电，通过充电管理系统实现对蓄电池的充电和保护，并利用功率管理部件实现多电源之间的切换和匹配。实践结果表明，该模块能够稳定地为水环境监测系统提供可靠的电源支持，解决在偏远地区、无人区及其他没有电网地区水环境监测系统的持续供电问题。