中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司 鄭 蒙

傳統(tǒng)的自動(dòng)化水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為保障供電，所有自動(dòng)監(jiān)測(cè)站均需建設(shè)交流電輸電線路，配備高精度的穩(wěn)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(jiān)測(cè)站運(yùn)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)面臨的重要問(wèn)題。設(shè)計(jì)自動(dòng)化水利監(jiān)測(cè)站太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的目的是為了降低成本的同時(shí)確保自動(dòng)化水利監(jiān)測(cè)站的運(yùn)行穩(wěn)定性。實(shí)踐中水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用的供電方式主要有三種：

蓄電池供電。無(wú)需考慮交流電、雷擊等外界因素帶來(lái)的干擾，但需經(jīng)常充電，同時(shí)需定期維護(hù)，增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)；蓄電池+浮充供電。僅需少量蓄電池就可維持一個(gè)中型水利監(jiān)測(cè)站的長(zhǎng)期運(yùn)行，但如無(wú)法提供交流電就需單獨(dú)架設(shè)線路，成本大大增加，因此在沒(méi)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(wǎng)輻射面積大、雷擊隱患大，容易損壞系統(tǒng)設(shè)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(yuǎn)程遙測(cè)站，因其投資相對(duì)較高，但可用于耗電量較大的衛(wèi)星遙測(cè)站和中繼站；蓄電池+光伏板供電。只要太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理就可保證水利監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不間斷運(yùn)行，避免交流電源和雷電的干擾，因此成為現(xiàn)階段水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中大多數(shù)監(jiān)測(cè)站使用的供電方式。

1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響因素

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換器、光伏板、控制器、蓄電池等組件構(gòu)成。日間陽(yáng)光照射在光伏板上，板上的單晶硅吸收光能后產(chǎn)生電能，有光照時(shí)光伏板電壓恒定，電流與光照強(qiáng)度成正比。電能經(jīng)過(guò)充放電控制器實(shí)現(xiàn)直流無(wú)干擾電源供電，適用于自動(dòng)化水利監(jiān)測(cè)站，也可借助逆變器將直流電能轉(zhuǎn)為交流電，為抽水泵設(shè)備供電，富余電儲(chǔ)存于蓄電池中。夜間系統(tǒng)負(fù)載供電由蓄電池供給。遇到連續(xù)陰雨天氣時(shí)，光伏板上發(fā)電量很小，此時(shí)主要由蓄電池負(fù)責(zé)供電。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，光伏板通常可在高輸出狀態(tài)下持續(xù)15到20年，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)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(wú)人操作特點(diǎn)，蓄電池可在夜間和陰雨天氣無(wú)人值守運(yùn)行，從而有效減少運(yùn)行維護(hù)成本。

水利監(jiān)測(cè)站在極端天氣條件下工作負(fù)荷較大，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠、經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能系統(tǒng)非常重要。實(shí)踐中需要結(jié)合監(jiān)測(cè)站具體情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，需考慮以下幾點(diǎn)因素：

日光輻射量。太陽(yáng)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(dāng)?shù)貧夂?、地形和土壤條件等多種因素的影響[1]。通常光照時(shí)間越長(zhǎng)、光照強(qiáng)度越大的地區(qū)，光伏板的光輻射量越大；負(fù)載功率。系統(tǒng)的負(fù)載功率由其應(yīng)用決定。如，水利監(jiān)測(cè)站需根據(jù)水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制確定其運(yùn)行時(shí)間，設(shè)備功耗相對(duì)固定，因此不同的運(yùn)行時(shí)間對(duì)負(fù)載功率的影響較大，通常運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)負(fù)載功率越大；連續(xù)日照時(shí)間。陰雨天氣下光伏板幾乎不能發(fā)電，此時(shí)主要依靠蓄電池組供電。當(dāng)蓄電池放電后需盡快充電。考慮到經(jīng)濟(jì)使用原則，用于水利監(jiān)測(cè)站的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)需保證監(jiān)測(cè)設(shè)備在連續(xù)陰雨天氣下連續(xù)運(yùn)行7～15天[2]。

光電轉(zhuǎn)換效率。光伏板受自身溫度、日光輻射量和電池電壓波動(dòng)的影響，而這些影響因素隨時(shí)間變化，因此光伏板光電轉(zhuǎn)換效率是不確定的；蓄電池放電。電池組工作在浮充狀態(tài)，其電壓取決于光伏板產(chǎn)生的電量和負(fù)載消耗的電量，電池提供的能量受環(huán)境溫度和自放電等因素的影響；供電系統(tǒng)自身能耗。供電系統(tǒng)電子元器件的性能和質(zhì)量決定其能耗，能耗越小充電效率越高；安裝角度。太陽(yáng)能電池的安裝角度因地區(qū)而異，通常最佳安裝角度為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

2 水利監(jiān)測(cè)站太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)跟蹤子系統(tǒng)

太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)可跟蹤太陽(yáng)方位角，以相應(yīng)調(diào)整光伏板角度使其始終面向太陽(yáng)，最大限度地提高光伏板的發(fā)電效率。系統(tǒng)采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為光伏板提供緯度、經(jīng)度和時(shí)間信息。6自由度陀螺儀用于判斷光伏板角度的準(zhǔn)確性。ARM 微處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行和控制數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏板角度控制。本次設(shè)計(jì)的用于水利監(jiān)測(cè)站的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括導(dǎo)航系統(tǒng)、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(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

圖1 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 光伏板

光伏組件是光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，為電池供電或支持負(fù)載運(yùn)行。光伏板通常形狀相同、但產(chǎn)生的電量不同，應(yīng)盡量選擇單位面積發(fā)電量大的光伏板作為供電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換裝置。為最大限度地發(fā)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(yáng)輻射。通常將光伏板的放置角度設(shè)置為45°。單個(gè)光伏板的發(fā)電量很小，無(wú)法直接用作電源。在實(shí)踐應(yīng)用中通常根據(jù)實(shí)際情況組合多個(gè)光伏板構(gòu)成光伏組件，其作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換裝置可將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能。為適應(yīng)戶外工作環(huán)境，可在光伏組件表面安全鋼化玻璃，可保護(hù)光伏板免受雨雪、冰雹、風(fēng)沙的破壞。不同規(guī)格的光伏板發(fā)電量不同，應(yīng)盡量選單位面積發(fā)電量大的光伏板作電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換裝置。

本次設(shè)計(jì)的水利監(jiān)測(cè)用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可作為輔助供電裝置，假設(shè)水利監(jiān)測(cè)站所在區(qū)域的有效日照時(shí)數(shù)約為8小時(shí)，沒(méi)有日光時(shí)蓄電池消耗2.3W×16=36.8Wh。為保證水利監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，光伏板功率不能低于 ，綜合光伏板的使用壽命、運(yùn)行成本等因素系統(tǒng)應(yīng)選擇10W 光伏板。

2.3 逆變器

是一種將低壓直流電轉(zhuǎn)換為220V 交流電的設(shè)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(lái)出現(xiàn)了一種準(zhǔn)正弦波逆變器。正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電源，可驅(qū)動(dòng)各種類型的負(fù)載，但技術(shù)要求和成本更高。準(zhǔn)正弦波逆變器可滿足大多數(shù)功率要求，具有高效率、低噪聲和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)。已成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，因此水利監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)采用準(zhǔn)正弦波逆變器。

2.4 蓄電池

能夠和太陽(yáng)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(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國(guó)內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護(hù)蓄電池。因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對(duì)環(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的太陽(yáng)能電源系統(tǒng)。普通鉛酸蓄電池由于需經(jīng)常維護(hù)及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護(hù)能力或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過(guò)充、過(guò)放性能，但由于其價(jià)格較高僅適用于較為特殊的場(chǎng)合。電池組發(fā)電量的不足和過(guò)剩值是確定蓄電池容量的依據(jù)之一，同樣連續(xù)陰雨天期間的負(fù)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(tǒng)中，蓄電池須能承受長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)充電，同時(shí)需具備良好的系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)功能，還要能承受高溫，計(jì)算蓄電池容量的公式為：Q=AQLNLT0/CC，其中A 表示安全系數(shù)，取1.1～1.4，常用值為1.2；QL表示系統(tǒng)中各種負(fù)載的耗電量均值；NL表示陰雨天持續(xù)的最大值；T0表示溫度修正系數(shù)，氣溫0℃時(shí)取1，-10～0℃范圍時(shí)取1.1， -10℃時(shí)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(jiān)測(cè)站設(shè)備中需太陽(yáng)能供電系統(tǒng)提供電能的主要模塊包括單片機(jī)、水位傳感器、溫度傳感器、雨量傳感器、通訊模塊。假設(shè)陰雨天氣最長(zhǎng)連續(xù)7天，基于電池容量計(jì)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(jià)格、尺寸、壽命等因素，系統(tǒng)選用12V、33Ah 鉛酸蓄電池。

2.5 控制器的選用

控制器是該系統(tǒng)重要組成部分，系統(tǒng)最終目的是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能后提供給負(fù)載使用或存儲(chǔ)在蓄電池組中。基本原理是基于輸出電壓、電流及電池組的能力等進(jìn)行設(shè)計(jì)，跟蹤最大功率點(diǎn)，這需要控制器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并給出相應(yīng)控制指令。為提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制器選用TMS320F2812控制芯片。

2.6 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)電池板作用轉(zhuǎn)化后得到輸出電壓，因?yàn)榈玫降碾妷褐当容^小，輸出電壓經(jīng)過(guò)DC 升壓電路的輸入端將小電壓輸入到DC 升壓電路中，經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)充電控制電路的變換以及檢測(cè)后輸入到蓄電池中水利檢測(cè)站的設(shè)備使用。

太陽(yáng)能充電電路設(shè)計(jì)。當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí)，光伏模塊從單晶硅中吸收光子能量來(lái)發(fā)電。在正常光照條件下，光伏組件的輸出電壓波動(dòng)很小，但其輸出電流隨與光照強(qiáng)度成正比。該系統(tǒng)的充電電路比較器選用LM358，太陽(yáng)能充電電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。當(dāng)引腳6為高電平時(shí)，晶體管Q1和MOS 管V1導(dǎo)通并開(kāi)始充電。電壓低時(shí)引腳6為低電平，晶體管Q1和MOS 管V1不導(dǎo)通，耗電使電池電壓達(dá)到下限，系統(tǒng)重新回到充電狀態(tài)。D1是一個(gè)2045肖特基二極管，作用是防止電池反向充電到太陽(yáng)能電池中。D2為瞬態(tài)電壓抑制二極管，其作用于雷擊損壞系統(tǒng)。

圖2 太陽(yáng)能充電電路

電源電壓轉(zhuǎn)換電路。水利監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)所用的單片機(jī)、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(jì)工作電壓通常為12V，GPRS 模塊工作電壓4V，系統(tǒng)需進(jìn)行蓄電池電壓轉(zhuǎn)換，降12V 電壓轉(zhuǎn)換成5V、3.3V。而穩(wěn)壓芯穩(wěn)壓損耗較大，基于此，本次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)采用DC/DC 轉(zhuǎn)換電路12的電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。+3.3V 的電壓通過(guò)轉(zhuǎn)換芯片B1203LD-1W 轉(zhuǎn)換，+5V 電壓通過(guò)B1205LD-1W 轉(zhuǎn)換。

蓄電池過(guò)充保護(hù)電路。在太陽(yáng)能充電過(guò)程中需避免過(guò)充損壞蓄電池，因此太陽(yáng)能供電系統(tǒng)還需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的過(guò)充保護(hù)電路，如圖3所示。電路主要包括三極管Q1、穩(wěn)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(shí)，如蓄電池電壓會(huì)慢慢升高，為實(shí)現(xiàn)電池過(guò)充保護(hù)功能AB 端電壓會(huì)下降。

圖3 蓄電池過(guò)充保護(hù)電路

3 結(jié)語(yǔ)

水利監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理可靠決定了水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行。目前，一些水利監(jiān)測(cè)站在設(shè)計(jì)前期為了節(jié)省能源建設(shè)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(yáng)能+大容量蓄電池，這樣的配置組合會(huì)造成資源浪費(fèi)，且供電效率低下。系統(tǒng)在前期試運(yùn)行階段容易發(fā)生饋電問(wèn)題，增加系統(tǒng)維護(hù)成本，甚至超過(guò)電源配置上的節(jié)省成本，往往在最后只能被迫擴(kuò)容。

因此，在太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需全面深入地分析各種影響因素，進(jìn)行相關(guān)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，確定光伏組件和電池容量的最優(yōu)組合。隨著太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，光伏板的價(jià)格越來(lái)越低，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。