郭华富

（海南省水利灌区管理局大广坝灌区管理分局，海南 东方 572600）

0 引 言

大广坝灌区位于海南岛西南部，北起昌江县南罗河，南到乐东县佛罗乡的佛罗河，东以东方市境内100 m高程为界，西至西部沿海。灌区南北长103 km，东西宽 38 km，灌区范围涉及海南省东方、昌江和乐东等三市（县）的15个乡镇和3个大型国营农、林、牧场，设计灌溉面积673.9 km2，其中东方市503.5 km2，昌江县110 km2，乐东县60.4 km2。受益总人口达130余万人[1]。

随着技术的进步和发展，融合现代计算机技术、网络技术、自动化技术的水利信息化技术在习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路下得到贯彻落实，大广坝灌区信息化管理的建设迫在眉睫。

由于灌区管辖面积大，辖区人文环境复杂，多数遥测站地处偏僻、农网供电欠稳定（台风暴雨时常崩溃）、管理困难。太阳能电源系统以其安全、可靠、维护简单、免除外界干扰（电力线和雷电等的干扰）的优势成为水情监测站点的优选供电模式，辖区内良好的日照条件为太阳能电源系统提供了充足的能源条件[2]。

1 太阳能电源系统的构成

太阳能电源系统由太阳能电池组件、太阳能充放电控制器及可充电蓄电池组组成[3]。

1.1 太阳能电池组件

太阳能电池组件是由一定数量的单体太阳能电池通过串、并联后输出一定的额定输出功率和输出电压的一组光伏组件。太阳能电池组件的输出能力受太阳的辐射强度和日照时间影响，而太阳辐射强度因地点不同、季节变化、晴阴雨天有很大的差别。这需要根据使用地点的日照情况，结合测站设备的负载来考量太阳能组件和蓄电池组的具体参数，使其达到经济、可靠、稳定的目的。

1.2 太阳能充放电控制器

太阳能充放电控制器是太阳能电源系统中控制太阳能电池组件对蓄电池组充电的自动控制设备。它可以根据测站设备对电源的需求来控制太阳能电池组件和蓄电池组对负载的电能输出，同时起到保护蓄电池组免于过充电或过放电导致蓄电池组故障或过早失效的目的，是太阳能电源系统的核心部件之一。

1.3 蓄电池组

蓄电池组是太阳能电源系统的重要器件，在太阳能电源系统中起到储能和稳定电压的作用。

由于太阳辐射强度和日照时间随时间和季节的变化而变化，太阳能电池组件输出的电压、电流会出现较大的波动，通过蓄电池组的储能和稳定电压的能力，使电压波动保持在一定范围内，向测站设备提供连续、可靠和稳定的电源支持。

2 水情测站的电源要求

大广坝灌区规划建设的水雨情测站主要是水位、流量测站，每一个测站的设备包括雷达水位计、雷达流速仪、遥测终端机（RTU），相应设备的工作电流如下。

雷达水位计：工作电流100 mA@12 V（工作模式）。雷达流速仪：工作电流120 mA@12 V（工作模式）。遥测终端机（RTU）：工作电流小于30 mA@12 V（工作模式，含通信模块）；值守电流小于7 mA@12 V（不含通信模块）。

此外，太阳能供电系统应能保证测站设备全天候长期工作，保证在最长6天连续阴雨天的情况下能维持设备供电，且要求晴天2天内能恢复蓄电池组充电量。

3 太阳能电源系统的各部件的选择

3.1 蓄电池组的选择

蓄电池组指太阳能电源系统的储能装置，在这个电源系统中通常是在浮充电方式下运行，其工作电压随太阳能电池组件的电压及测站的负载状态在一定范围内波动，合理选择蓄电池组，使其与太阳能电池组件及负载相匹配。

因为测站设备的工作电压均为12 V，且测站均处于无人值机状态下工作，所以蓄电池组可采用标称电压为12 V的免维护铅酸电池。

蓄电池组的容量选择应能满足测站设备连续6天阴雨天气的电量消耗及铅酸电池的0.75的放电深度。

蓄电池组的容量BC可通过如下计算公式求得：

其中：A为安全系数，取1.2；QL为负载日平均耗电量，为负载总电流与工作时间的乘积；NL为最长连续阴雨天数；T0为温度修正系数，根据本地气温条件可取1；CC为蓄电池组放电深度，铅酸电池取0.75。

因此，BC=1.2×0.25×24×6×1/0.75=57.6 Ah。

据此，本电源系统中的蓄电池可选择标称容量为60 Ah的免维护铅酸电池。

3.2 太阳能电池组件的选择

根据太阳能电池的伏安特性可知，12 V蓄电池的充电的太阳能电池组件的最大功率点电压为16.8 V，加上阻塞二极管的压降和其他因素引起的压降，因此用于12 V蓄电池的太阳能电池组件的电压约为18 V。

首先，太阳能电池组件一天（9.5 h）所产生的电能应能满足测站24 h工作所消耗的电能和蓄电池充电的电能，且至少放宽对电池组件20%的额度。也就是太阳能电池组件对蓄电池充电的安时数等于测站负载消耗的安时数。即：

其中：W为太阳能组件功率；18为太阳能电池组件的峰值电压；T为光照时间；IO为负载工作电流；t为负载工作时间。

此时，(W/18)×9.5=1.2×0.25×24

W=13.6（取20 W）

其次，太阳能电池组件还需要对蓄电池组浮充电，最大充电电流需考虑在一定时间内补充连续多日阴雨天负载所消耗的电量，根据本地气候条件，大广坝灌区需要考虑天晴2天内能补充连续6天阴雨天工作耗电量，则：

此时，(W/18)×9.5=1.2×0.25×24+0.25×24×6/2

W=47.7（取50 W）

根据水情自动测站的工况需求，配套的太阳能电源系统的太阳能电池组件的峰值功率达到20 W，为保证在最恶劣情况下（连续6天阴雨天气）测站可靠工作，以选择50 W峰值功率的太阳能电池组件为宜。

太阳能电池组件的安装支架应达到一定的荷载效应，其抗风能力要求达到33 m/s（相当于12级），确保具有一定的抗风能力。太阳能电池组件还需要确保倾斜角和方位角安装正确，东、南、西方向无树枝和建筑物遮挡。

3.3 充放电控制器的选择

太阳能充放电控制器主要参数是控制器的电流等级和电压等级，依前述，5 A以下工作电流选5 A，其电压等级选择12 V，市场上很多控制器具有12 V/24 V自适应功能，这种控制器需要在接线时先连接蓄电池组，控制器自动识别蓄电池组电压后工作。

鉴于常见太阳能充放电控制器具备多种工作模式，如光控模式、光控+时控模式、手动模式、调试模式及常开模式等，且由于水情遥测站点需要全天候24 h工作，在这种需求下，太阳能充放电控制器需要在常开模式下工作，使控制器上电后一直向负载保持电源输出。

市场上流行的太阳能充放电控制器主要有PWM太阳能控制器和MPPT太阳能控制器。

PWM控制器是“脉宽调制”PWM（Pulse Width Modulation）控制模式的控制器，充电转换效率为 75%～80%。

MPPT控制器是具备“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）功能的太阳能控制器，其系统转换效率达97%，并且能对电池进行良好的管理，是太阳能电源系统的优选器件。

4 结 论

太阳能电源系统是一种环保、绿色的电源系统，维护简单方便，适合地处偏僻、管理困难的灌区渠系工程无人值守的水情遥测站点应用。在电源系统各部件选型时应充分考虑极端恶劣天气造成连续多日阴雨期间的供电要求，保证水情测站长期连续稳定地可靠工作，为大广坝灌区防汛调度、防灾减灾发挥积极的作用。