水情自動測報系統太陽能供電設計研究

丁慧玲

（山西省汾河灌溉管理局一壩分局，山西 太原 030002）

1 水情測報系統供電方式

水情自動測報系統絕大多數站點處在偏僻、交通不便、供電困難的地區。這些地區大多沒有交流電源，即使有電源，質量和可靠性也很差，電壓和周波極不穩定，停電頻繁。因此，供電設計成為水情自動測報系統能否可靠運行的關鍵之一。

在水情自動測報系統中，常用的供電方式有以下三種：一是蓄電池組供電方式。該供電方式可避免從交流電引入的工業干擾和雷電干擾，但需定期充電和維護，加大了維護人員的工作量。二是蓄電池組供電、交流浮充供電方式。該供電方式只要較小的蓄電池組就可以使功耗較大的中繼站長期運行。無交流電的站點，如架設線路的投資太大，一般不采用這種方式。有些站點交流供電不正常，交流電網輻射面廣、遭雷擊的概率高，容易損壞系統設備，需采取一定的防雷措施。對于耗電較小的遙測站，相對于其他方式，其投資較大，所以這種供電方式很少在比較偏僻的遙測站使用。耗電較大的衛星遙測站和中繼站可采用這種方式。三是蓄電池組供電、太陽能電池板直流浮充供電方式。該供電方式只要經過合理設計，就可保證站點的不間斷運行，避免了從交流電源上引入的各種工業干擾和雷擊干擾。目前，水情自動測報系統中的遙測站大都采用這種供電方式。

2 太陽能供電組成

太陽能供電主要由太陽能電池板、充電控制器、蓄電池（組）組成。

太陽能電池板是太陽能供電系統的核心部分，它是將光能直接轉換成電能的半導體器件，可以單獨使用，也可多個連接起來組成方陣使用，與蓄電池配合可作為直流電源供晝夜、陰雨天連續使用。太陽能電池板具有體積小、可靠性高、壽命長、無環境污染、使用維護方便等特點，在水情自動測報系統中使用極為廣泛。

充電控制器控制整個供電系統的工作狀態，能自動對蓄電池起到過充電保護、過放電保護作用，還能快速、平穩地給蓄電池充電，使用過程中不需要維護，可長期運行。

蓄電池組是通過充電將電能轉化為化學能存儲起來，使用時再將化學能轉換為電能釋放出來的化學電源裝置。目前，水情測報系統廣泛使用的蓄電池主要是鉛酸免維護蓄電池和膠體蓄電池。這兩類蓄電池由于其固有的免維護特性及對環境較少污染的特點，適用于性能可靠的太陽能電源系統，特別是無人值守的測站。

3 太陽能供電設計考慮因素

水情自動測報系統在極端惡劣天氣時工作尤為頻繁，因此，設計穩定、可靠并經濟的太陽能供電顯得十分重要，除對其進行合理配置外，還應根據工程實踐經驗進行設計，并綜合考慮以下因素：

一是日光輻射量。日光照在太陽能電池板上的輻射量受大氣層厚度、所在地位置、氣候、氣象、地形和地物等因素影響，其能量在不同時間有很大變化，各年之間的年總輻射量也存在差別。

二是負載功率。系統負載功率大小根據其用途決定，如水情遙測測站、超短波中繼站根據系統工作體制確定工作時間，有固定的設備耗電量。

三是最長連續無日照時間。在連續陰雨天，太陽能板幾乎不能發電，只能靠蓄電池組來供電，而蓄電池在深度放電后應盡快將其充好。考慮到經濟適用原則，水情自動測報系統一般按照在極端惡劣天氣連續無日照情況下保證系統連續工作7～15 d考慮。

四是光電轉換效率。太陽能電池板受自身溫度、日光輻射和蓄電池電壓浮動的影響，這些影響因素在不同時間都會發生變化，所以太陽能電池板的光電轉換效率不確定。

五是蓄電池組放電。蓄電池組工作在浮充電狀態下，其電壓隨太陽能電池板發電量和負載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量受環境溫度和自身放電等因素影響。

六是自身耗能。充電控制器本身需要耗能，而電子元件性能、質量等關系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。

七是安裝角度。為接收較強的太陽輻射，各類地區的太陽能電池安裝角度有所不同。一般情況下，安裝角度為當地緯度。

4 太陽能供電配置舉例計算

以山西省北部某雨量遙測站太陽能供電系統為例計算，太陽能年輻射量為160 kcal/cm2；系統工作電流為0.15 A；靜態電流為0.005 A；系統電源電壓為El12.6 V；系統每天工作時間5 h；最長連續無日照條件下正常工作12 d。

第一，系統日用電量Ql。Ql=系統工作時間×工作電流+靜態電流×24 h。經計算，Ql=0.87 Ah。

第二，標準輻照度數下當地的年平均日照時數t。t=（年輻射總量×1.63）÷（365×0.1），其中 0.1×10-3kW/cm2是25℃，計算得t=7.15 h。

第三，太陽能電池板功率P。P=（日用電量×工作電壓×太陽能電池修正系數）÷（0.07×t×12.5×蓄電池放電深度）。考慮到太陽能電池板受氣候、灰塵以及其他因素的影響，太陽能電池修正系數一般取1.2；0.07為標準狀態下太陽能電池板每瓦輸出電流；考慮到蓄電池容量周期性的降落和本身老化，蓄電池放電深度一般選取為0.8。經計算，P=2.63×10-3kW。

第四，蓄電池容量C。C=日用電量×最大連續無日照時間/容量修正系數，經計算，C=11.96 Ah。

根據計算結果考慮配置富余以及廠家產品型號選擇太陽能電池板3 W，蓄電池12 Ah。

5 結語

太陽能供電設計的可靠性可保證水情自動測報系統正常運行。目前，有些水情自動測報系統在設計初期就最大化地節省電源方面的投資，或者是估算電源配置，這樣必然會出現大功率太陽能板配置小容量蓄電池的組合或者小功率太陽能板配置大容量蓄電池的組合，造成配置浪費、效率低下，系統在試運行階段經常出現饋電現象，導致系統維護費用過高，甚至超過在電源配置上節省下來的投資，最后只能擴容。因此，太陽能供電設計必須通過分析影響因素和經驗計算才能確定最佳的太陽能電池板和蓄電池容量組合。隨著太陽能供電技術的不斷發展和太陽能光電轉換效率的不斷提高，價格也越來越低，太陽能供電系統在水情自動測報領域的應用將越來越多。