吳乃紅，陳曉龍，王洪斌

（水利部機(jī)電研究所， 天津 301900）

1 引言

我國(guó)疆域廣闊，江河眾多，流域水流量大，降雨時(shí)空分布不均，洪水年年爆發(fā)，是世界上洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家.開(kāi)展水環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)水資源的合理安排，科學(xué)配置，具有重要意義[1]。但是，一些水環(huán)境監(jiān)測(cè)站往往位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，對(duì)那些人煙稀少或無(wú)人區(qū)等地的水資源監(jiān)測(cè)多采用遠(yuǎn)程水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)控系統(tǒng)一般是各種類(lèi)型的傳感器、監(jiān)控?cái)z像和監(jiān)控儀表持續(xù)、實(shí)時(shí)工作，這些裝置都持續(xù)使用電能，持續(xù)供電是儀器設(shè)備正常工作的基本條件。在有電網(wǎng)的地區(qū)，可采用電網(wǎng)供電，但水環(huán)境分布覆蓋全國(guó)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)、無(wú)人區(qū)等無(wú)電網(wǎng)地區(qū)的水文、水質(zhì)等傳感器和監(jiān)測(cè)儀表的持續(xù)供電問(wèn)題是一個(gè)難題[2]。

本文提出了用于水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多電源供電模塊，在有電網(wǎng)的地區(qū)，可以采用電網(wǎng)供電，無(wú)電網(wǎng)地區(qū)可以采用太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備為電池充電，解決無(wú)電網(wǎng)地區(qū)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問(wèn)題。

2 多電源供電模塊設(shè)計(jì)

水資源監(jiān)控系統(tǒng)要求不能停電，有可靠的供電模塊，全天候保證終端設(shè)備的穩(wěn)定供電。如果地處偏遠(yuǎn)無(wú)人區(qū)，很難通過(guò)電網(wǎng)交流供電。此外，在野外采用交流市電供電成本高、不穩(wěn)定、維護(hù)費(fèi)用大，經(jīng)濟(jì)性較差。采用交流電源當(dāng)做主電源的話(huà)，還應(yīng)該考慮到交流電源抗干擾和防雷等諸多問(wèn)題。所以，終端交流電源只能作為被選項(xiàng)（留有接入口）。

本設(shè)計(jì)多電源供電模塊非電網(wǎng)供電部分主要采用光伏或風(fēng)力發(fā)電直供和蓄電池組供電相結(jié)合方式，白天太陽(yáng)光線(xiàn)充足，光伏發(fā)電系統(tǒng)直供用電設(shè)備，多余發(fā)電存儲(chǔ)于蓄電池組，夜晚則由蓄電池組進(jìn)行供電，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)亦是如此，且是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)因天氣原因發(fā)電少或不能發(fā)電的必要補(bǔ)充。整套裝置由太陽(yáng)能光伏板、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池組、充放電控制、逆變器等部件構(gòu)成。

太陽(yáng)能光伏板是整個(gè)充電系統(tǒng)的核心部件，它將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。本系統(tǒng)采用了高效率的太陽(yáng)能光伏板，并且優(yōu)化了光伏板的布局和安裝角度（不同地區(qū)設(shè)計(jì)安裝角度將有很大不同），以最大程度地吸收太陽(yáng)能。

除了太陽(yáng)能光伏板，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也是系統(tǒng)重要的能源供應(yīng)來(lái)源。通過(guò)利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，彌補(bǔ)太陽(yáng)能光伏板在夜間或天氣不好時(shí)的不足。本系統(tǒng)采用了高效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并將其與太陽(yáng)能光伏板進(jìn)行了整合，以實(shí)現(xiàn)多能源供電。

蓄電池是太陽(yáng)能光伏充電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，可以將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，以備不時(shí)之需。本系統(tǒng)選用高容量和高性能的蓄電池，并將其與太陽(yáng)能光伏板和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行匹配，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的關(guān)鍵設(shè)備。在多電源供電模塊中，逆變器起著將太陽(yáng)能光伏板和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的作用。本系統(tǒng)采用高效率和高穩(wěn)定性的逆變器，并通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)逆變器的工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。

控制系統(tǒng)是整個(gè)多電源供電模塊的核心，它對(duì)太陽(yáng)能光伏板、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池和逆變器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制算法和智能化控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多電源供電模塊的優(yōu)化管理和控制。

圖1 為太陽(yáng)能充電供電示意圖。以太陽(yáng)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(yáng)能蓄電池受雷擊的可能性，本模塊幾乎沒(méi)有運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，不需要專(zhuān)業(yè)維護(hù)人員，因此它還可以長(zhǎng)期作為被供電系統(tǒng)的供電電源。這種供電方式應(yīng)用效果十分優(yōu)秀，大部分無(wú)人區(qū)或人煙稀少地區(qū)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用這此方式，用戶(hù)滿(mǎn)意度很高。

圖1 太陽(yáng)能供電模塊示意圖

圖2 多電源供電模塊設(shè)計(jì)圖

除太陽(yáng)能之外、該模塊還可以用水電、風(fēng)電設(shè)備接入的電能為蓄電池組充電和為傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等供電。

3 太陽(yáng)能電池選型以及容量計(jì)算

太陽(yáng)能電池按照材料劃分，大致分為硅系太陽(yáng)能電池和非硅系太陽(yáng)能電池兩大類(lèi)，硅材料是最早被用來(lái)制作太陽(yáng)能電池的一種材料，硅材料的光電性能也是相當(dāng)出色的，它發(fā)展的速度也非常迅速。而硅系太陽(yáng)能電池又可以分為三類(lèi)，這其中應(yīng)用最早且技術(shù)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(yáng)能電池有很多優(yōu)點(diǎn)，其一是光電轉(zhuǎn)換能力比較好，一般能夠達(dá)到20%左右。其次，單晶硅太陽(yáng)能電池具有出色的穩(wěn)定性，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)（可達(dá)30 年），是應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能蓄電池。除單晶硅太陽(yáng)能電池外還有非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。這兩種太陽(yáng)能電池光電效率不高，轉(zhuǎn)換效率一般，但價(jià)格比單晶硅太陽(yáng)能電池便宜，因此也有一定的應(yīng)用前途。但目前多數(shù)還處于發(fā)展研究階段。

本設(shè)計(jì)采用單晶硅太陽(yáng)能電池，供電電流不需要太大，目前為止單晶硅太陽(yáng)能電池?zé)o論是技術(shù)還是材料都稱(chēng)得上是最成熟可靠的一種太陽(yáng)能電池。圖3 表示單晶硅太陽(yáng)能電池伏安特性曲線(xiàn)。因?yàn)閃=IU，功率為1 W 的太陽(yáng)能電池的充電電流大約為60 mA。12 V 蓄電池工作時(shí)的電壓是12.5 V 左右，充電時(shí)的電流是70 mA 左右。

圖3 單晶硅太陽(yáng)能電池伏安特性曲線(xiàn)

太陽(yáng)能電池發(fā)電能力的決定因素是標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，一般情況下標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的光輻射強(qiáng)度要達(dá)到1 000 W/m2。首先，把太陽(yáng)能電池所處地區(qū)的（平均）日輻射量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)光照下的（平均）日輻射時(shí)間，公式如式（1）所示。

式中：te— 一天輻射時(shí)長(zhǎng)，h；Ht— 一天輻射總量；2.778/10 000（h·m2/kJ）—標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

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

公式中：Q發(fā)— 一天發(fā)電量；I充—太陽(yáng)能電池充電電流；T— 一天平均標(biāo)準(zhǔn)光照的時(shí)長(zhǎng)；K—斜面系數(shù)；C—修正系數(shù)。

再將水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)日耗電量與太陽(yáng)能電池板的日發(fā)電量相除，可得到太陽(yáng)能電池功率。

考慮到多日平均的太陽(yáng)日輻射量，工作中每日充電量會(huì)遠(yuǎn)大于每日耗電量，達(dá)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(huì)增加很多。因此，在經(jīng)歷過(guò)連續(xù)陰天后的晴天馬上就會(huì)補(bǔ)充電池在陰天中使用的電量。這樣的設(shè)計(jì)既考慮蓄電池連續(xù)為設(shè)備供電的時(shí)間（即最長(zhǎng)連續(xù)陰、雨、雪天），也考慮了連續(xù)陰、雨、雪天后蓄電池及時(shí)充電，以保障供電模塊連續(xù)、平穩(wěn)的供電。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種用于水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多電源供電模塊，在有電網(wǎng)覆蓋的水環(huán)境采用電網(wǎng)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，在無(wú)電網(wǎng)地區(qū)，可依靠太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備為蓄電池組及設(shè)備充能供電，通過(guò)充電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電和保護(hù)，并利用功率管理部件實(shí)現(xiàn)多電源之間的切換和匹配。實(shí)踐結(jié)果表明，該模塊能夠穩(wěn)定地為水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供可靠的電源支持，解決在偏遠(yuǎn)地區(qū)、無(wú)人區(qū)及其他沒(méi)有電網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)供電問(wèn)題。