太陽能電源系統(tǒng)在大廣壩灌區(qū)的應(yīng)用

郭華富

（海南省水利灌區(qū)管理局大廣壩灌區(qū)管理分局，海南 東方 572600）

0 引 言

大廣壩灌區(qū)位于海南島西南部，北起昌江縣南羅河，南到樂東縣佛羅鄉(xiāng)的佛羅河，東以東方市境內(nèi)100 m高程為界，西至西部沿海。灌區(qū)南北長103 km，東西寬 38 km，灌區(qū)范圍涉及海南省東方、昌江和樂東等三市（縣）的15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和3個(gè)大型國營農(nóng)、林、牧場，設(shè)計(jì)灌溉面積673.9 km2，其中東方市503.5 km2，昌江縣110 km2，樂東縣60.4 km2。受益總?cè)丝谶_(dá)130余萬人[1]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，融合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的水利信息化技術(shù)在習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路下得到貫徹落實(shí)，大廣壩灌區(qū)信息化管理的建設(shè)迫在眉睫。

由于灌區(qū)管轄面積大，轄區(qū)人文環(huán)境復(fù)雜，多數(shù)遙測站地處偏僻、農(nóng)網(wǎng)供電欠穩(wěn)定（臺風(fēng)暴雨時(shí)常崩潰）、管理困難。太陽能電源系統(tǒng)以其安全、可靠、維護(hù)簡單、免除外界干擾（電力線和雷電等的干擾）的優(yōu)勢成為水情監(jiān)測站點(diǎn)的優(yōu)選供電模式，轄區(qū)內(nèi)良好的日照條件為太陽能電源系統(tǒng)提供了充足的能源條件[2]。

1 太陽能電源系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽能電源系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能充放電控制器及可充電蓄電池組組成[3]。

1.1 太陽能電池組件

太陽能電池組件是由一定數(shù)量的單體太陽能電池通過串、并聯(lián)后輸出一定的額定輸出功率和輸出電壓的一組光伏組件。太陽能電池組件的輸出能力受太陽的輻射強(qiáng)度和日照時(shí)間影響，而太陽輻射強(qiáng)度因地點(diǎn)不同、季節(jié)變化、晴陰雨天有很大的差別。這需要根據(jù)使用地點(diǎn)的日照情況，結(jié)合測站設(shè)備的負(fù)載來考量太陽能組件和蓄電池組的具體參數(shù)，使其達(dá)到經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定的目的。

1.2 太陽能充放電控制器

太陽能充放電控制器是太陽能電源系統(tǒng)中控制太陽能電池組件對蓄電池組充電的自動(dòng)控制設(shè)備。它可以根據(jù)測站設(shè)備對電源的需求來控制太陽能電池組件和蓄電池組對負(fù)載的電能輸出，同時(shí)起到保護(hù)蓄電池組免于過充電或過放電導(dǎo)致蓄電池組故障或過早失效的目的，是太陽能電源系統(tǒng)的核心部件之一。

1.3 蓄電池組

蓄電池組是太陽能電源系統(tǒng)的重要器件，在太陽能電源系統(tǒng)中起到儲能和穩(wěn)定電壓的作用。

由于太陽輻射強(qiáng)度和日照時(shí)間隨時(shí)間和季節(jié)的變化而變化，太陽能電池組件輸出的電壓、電流會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，通過蓄電池組的儲能和穩(wěn)定電壓的能力，使電壓波動(dòng)保持在一定范圍內(nèi)，向測站設(shè)備提供連續(xù)、可靠和穩(wěn)定的電源支持。

2 水情測站的電源要求

大廣壩灌區(qū)規(guī)劃建設(shè)的水雨情測站主要是水位、流量測站，每一個(gè)測站的設(shè)備包括雷達(dá)水位計(jì)、雷達(dá)流速儀、遙測終端機(jī)（RTU），相應(yīng)設(shè)備的工作電流如下。

雷達(dá)水位計(jì)：工作電流100 mA@12 V（工作模式）。雷達(dá)流速儀：工作電流120 mA@12 V（工作模式）。遙測終端機(jī)（RTU）：工作電流小于30 mA@12 V（工作模式，含通信模塊）；值守電流小于7 mA@12 V（不含通信模塊）。

此外，太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)能保證測站設(shè)備全天候長期工作，保證在最長6天連續(xù)陰雨天的情況下能維持設(shè)備供電，且要求晴天2天內(nèi)能恢復(fù)蓄電池組充電量。

3 太陽能電源系統(tǒng)的各部件的選擇

3.1 蓄電池組的選擇

蓄電池組指太陽能電源系統(tǒng)的儲能裝置，在這個(gè)電源系統(tǒng)中通常是在浮充電方式下運(yùn)行，其工作電壓隨太陽能電池組件的電壓及測站的負(fù)載狀態(tài)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，合理選擇蓄電池組，使其與太陽能電池組件及負(fù)載相匹配。

因?yàn)闇y站設(shè)備的工作電壓均為12 V，且測站均處于無人值機(jī)狀態(tài)下工作，所以蓄電池組可采用標(biāo)稱電壓為12 V的免維護(hù)鉛酸電池。

蓄電池組的容量選擇應(yīng)能滿足測站設(shè)備連續(xù)6天陰雨天氣的電量消耗及鉛酸電池的0.75的放電深度。

蓄電池組的容量BC可通過如下計(jì)算公式求得：

其中：A為安全系數(shù)，取1.2；QL為負(fù)載日平均耗電量，為負(fù)載總電流與工作時(shí)間的乘積；NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)；T0為溫度修正系數(shù)，根據(jù)本地氣溫條件可取1；CC為蓄電池組放電深度，鉛酸電池取0.75。

因此，BC=1.2×0.25×24×6×1/0.75=57.6 Ah。

據(jù)此，本電源系統(tǒng)中的蓄電池可選擇標(biāo)稱容量為60 Ah的免維護(hù)鉛酸電池。

3.2 太陽能電池組件的選擇

根據(jù)太陽能電池的伏安特性可知，12 V蓄電池的充電的太陽能電池組件的最大功率點(diǎn)電壓為16.8 V，加上阻塞二極管的壓降和其他因素引起的壓降，因此用于12 V蓄電池的太陽能電池組件的電壓約為18 V。

首先，太陽能電池組件一天（9.5 h）所產(chǎn)生的電能應(yīng)能滿足測站24 h工作所消耗的電能和蓄電池充電的電能，且至少放寬對電池組件20%的額度。也就是太陽能電池組件對蓄電池充電的安時(shí)數(shù)等于測站負(fù)載消耗的安時(shí)數(shù)。即：

其中：W為太陽能組件功率；18為太陽能電池組件的峰值電壓；T為光照時(shí)間；IO為負(fù)載工作電流；t為負(fù)載工作時(shí)間。

此時(shí)，(W/18)×9.5=1.2×0.25×24

W=13.6（取20 W）

其次，太陽能電池組件還需要對蓄電池組浮充電，最大充電電流需考慮在一定時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充連續(xù)多日陰雨天負(fù)載所消耗的電量，根據(jù)本地氣候條件，大廣壩灌區(qū)需要考慮天晴2天內(nèi)能補(bǔ)充連續(xù)6天陰雨天工作耗電量，則：

此時(shí)，(W/18)×9.5=1.2×0.25×24+0.25×24×6/2

W=47.7（取50 W）

根據(jù)水情自動(dòng)測站的工況需求，配套的太陽能電源系統(tǒng)的太陽能電池組件的峰值功率達(dá)到20 W，為保證在最惡劣情況下（連續(xù)6天陰雨天氣）測站可靠工作，以選擇50 W峰值功率的太陽能電池組件為宜。

太陽能電池組件的安裝支架應(yīng)達(dá)到一定的荷載效應(yīng)，其抗風(fēng)能力要求達(dá)到33 m/s（相當(dāng)于12級），確保具有一定的抗風(fēng)能力。太陽能電池組件還需要確保傾斜角和方位角安裝正確，東、南、西方向無樹枝和建筑物遮擋。

3.3 充放電控制器的選擇

太陽能充放電控制器主要參數(shù)是控制器的電流等級和電壓等級，依前述，5 A以下工作電流選5 A，其電壓等級選擇12 V，市場上很多控制器具有12 V/24 V自適應(yīng)功能，這種控制器需要在接線時(shí)先連接蓄電池組，控制器自動(dòng)識別蓄電池組電壓后工作。

鑒于常見太陽能充放電控制器具備多種工作模式，如光控模式、光控+時(shí)控模式、手動(dòng)模式、調(diào)試模式及常開模式等，且由于水情遙測站點(diǎn)需要全天候24 h工作，在這種需求下，太陽能充放電控制器需要在常開模式下工作，使控制器上電后一直向負(fù)載保持電源輸出。

市場上流行的太陽能充放電控制器主要有PWM太陽能控制器和MPPT太陽能控制器。

PWM控制器是“脈寬調(diào)制”PWM（Pulse Width Modulation）控制模式的控制器，充電轉(zhuǎn)換效率為 75%～80%。

MPPT控制器是具備“最大功率點(diǎn)跟蹤”（Maximum Power Point Tracking）功能的太陽能控制器，其系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)97%，并且能對電池進(jìn)行良好的管理，是太陽能電源系統(tǒng)的優(yōu)選器件。

4 結(jié) 論

太陽能電源系統(tǒng)是一種環(huán)保、綠色的電源系統(tǒng)，維護(hù)簡單方便，適合地處偏僻、管理困難的灌區(qū)渠系工程無人值守的水情遙測站點(diǎn)應(yīng)用。在電源系統(tǒng)各部件選型時(shí)應(yīng)充分考慮極端惡劣天氣造成連續(xù)多日陰雨期間的供電要求，保證水情測站長期連續(xù)穩(wěn)定地可靠工作，為大廣壩灌區(qū)防汛調(diào)度、防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮積極的作用。