遥测站供电系统设计：蓄电池+太阳能电池供电

(一) 遥测站的供电要求和条件

测站也要有可靠的供电系统,不能断电,而且是在野外全天候的条件之下。因为测站供电系统只影响某个测站的工作,它的供电系统可靠性要求没有中心站高。也因为测站的条件所限,也很难达到中心站那样高的供电可靠性。

测站的设备较少,且功耗低。测站的用电量较小,一般用直流供电。

多数测站地处偏僻地方,用交流供电会有困难。目前,农村很多地方的交流供电仍不稳定可靠,电压变化大,停电较多,用作测站的电源必须另设蓄电池供电功能,还需考虑交流电源的抗干扰问题。多数测站的供电条件是比较恶劣的,因此,测站已有的供电系统需要改造,更多的是应用太阳能浮充的蓄电池供电系统。当然,也可以只用蓄电池供电,或用交流电对蓄电池进行浮充的方式供电(要考虑防雷)。

(二) 遥测站供电系统的构成

1.蓄电池组供电方式

用较大容量的蓄电池,充足电后工作一定时间,再由人工进行定期充电或更换蓄电池。这种供电方式简单,投资也少,一般情况下也很可靠。如果测站有专人负责充电,或工作人员能够保证定期去测站充电维护时,采用此方法是合适的。但要特别注意的问题是必须保证定期维护。

2.交流电浮充、蓄电池组供电方式

供电系统包括一个可充电蓄电池组和一个专用充电器。蓄电池组向测站供电,由交流供电的专用充电器向蓄电池自动充电,保证测站用电。

这样的供电方式成本也不高,从理论上分析也合理,可用于功耗较大的测站。影响它应用的主要因素有两方面:一是一些测站没有交流电源线,专门架设有很多困难;二是交流电源线会引起雷击破坏,加上充电器的本身故障可能性,使得整个供电系统可靠性降低。因此,只在一些需要大功耗的测站,或是条件很好的有人测站才考虑这种供电方式。

所用蓄电池组的容量只需满足交流电源最长可能停电时间内的供电要求。充电器是长期自动工作的,可靠性很重要。还要有防雷功能,可考虑增加隔离变压器等防雷措施。

3.太阳能电池浮充、蓄电池组供电方式

这是最普遍应用的测站工作方式,由可充电蓄电池组、太阳能电池、充电控制器组成测站电源。以太阳能电池作为充电电源,不受人为因素干扰,没有运行成本,基本不需要维护,能够长期自动维持测站的供电。在使用中,没有前两种测站供电方式的需人工充电和防电源线雷击干扰的缺点。测报系统的绝大部分测站供电采用这种方式,应用得很成功。

应用这种供电方式要经过较周密的设计,因为太阳能电池的充电量取决于当时的太阳辐射强度,也就是太阳光的强弱。而太阳辐射强度因地点不同、季节不同有很大差别,白天、夜间、晴天、阴雨天也完全不同。此外,充电量还取决于日照时间。计算中只能按照长期观测的统计数据进行估算。为了达到经济的目的,应用这种供电方式时,要根据测站用电情况、所在地点的日照情况计算所需的蓄电池容量和太阳电池功率,以达到既经济又能长期可靠供电的目的。

太阳能电池比较贵,这是这种测站供电方式的缺点,也是要进行详细设计、计算的原因。为了保证长期可靠供电,往往会加大太阳能电池功率,使得充电裕度大,保证在一般天气时,均有充足的电力。但这使得蓄电池长期在高电压下运行,得不到较多放电后低压运行的机会。而蓄电池是应该在有充分充放电的循环下工作的,这样才有利于蓄电池的工作寿命和工作性能。长期在高电压下工作,会缩短蓄电池的工作寿命。也可以定期进行人工放电,将蓄电池的电压降低,再充高电压,有利于蓄电池的工作寿命和工作性能。

充电控制器控制太阳能电池向蓄电池充电。当蓄电池已充足电,电压高于一定值时,充电控制器能自动切断充电电流,以保护蓄电池不因过度充电而损坏。当太阳辐射过弱或消失时,太阳能电池输出电压会小于蓄电池当时电压,为防止蓄电池反向向太阳能电池放电,充电控制器的防反充电二极管应能防止这种放电,或者只有极小的反向放电电流。充电控制器还可以有蓄电池欠压报警功能。有些充电控制器具有某些自动切断电源的保护功能,如蓄电池电压过低时,或电流过大(短路)时。测报系统的测站是不允许断电的,这样的自动切断电源的保护功能要经周密设计后才能设置。

(三) 太阳能电池浮充、蓄电池组供电方式的设计估算

1.设计估算条件和影响因素

太阳辐射在一日、一月和一年内均会有很大变化,各年间也会有不小的差别。在设计中,一般只需考虑数十天的供电,不可能得到准确的太阳辐射数据,只能应用经多年观测统计得到的年平均辐射情况,再由此推算每天平均日照时间而进行估算。

太阳能电池的光电转换效率受到电池的温度、太阳光强、蓄电池的电压等多种因素的影响。这些因素在一天内都在发生变化,所以光电转换效率也在不断变化。充电控制器也要耗电,其中的电子线路也影响充电性能。此外,天气、环境、沙尘、水汽等对太阳能电池的性能也有很大的影响。

环境、用电量、本身质量、使用年限都会影响蓄电池的性能,也会改变它的充电和储电性能。因此,这里的设计估算需要考虑的因素很多,也很复杂。在实际应用中,所用的数据是以前统计的数据(如太阳辐射),或是经验性的数据(如各种系数),会影响设计的准确性。但是,在最后的取值时,往往会适当增大安全系数,使得最后的设计能满足可靠性的要求。

2.电源的设计要求

(1)供电电压。SL61—2003 《水文自动测报系统技术规范》推荐12VDC (可以用24VDC),这里以12VDC为例。

(2)供电电流。全天以静态电流供电,间断时以工作电流供电。

(3)供电能力。用太阳能电池浮充应保证设备长期工作,保证在可能的最长连续阴雨天能自动维持供电。实际应用中,在南方至少取30d作为最长连续阴雨天数。此外,还要考虑两组最 (较)长连续阴雨天间的最短间隔天数要求,要保证蓄电池能恢复和保证供电。

3.蓄电池组的选用及容量计算

蓄电池组是太阳能电池电源系统的储能装置,它工作在太阳能电池浮充下,同时又在向测站设备供电。要求蓄电池的工作寿命长且维护简单。实际上,蓄电池的性能在应用中不断下降,一般的寿命也不超过4～5年,需定期更换。

(1)蓄电池的选用。蓄电池的种类很多,广泛应用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。铅酸免维护蓄电池的密封性能好,环境污染少,免维护特性好,已成为应用最多的产品,适合无人值守的测报系统的测站应用。普通铅酸蓄电池价格低,但维护工作量大,也有污染,适合于有人值守的普通站点应用,实际应用较少。碱性镍镉蓄电池具有较好的过充、过放电性能,低温性能也好,但价格较高,仅在特殊场合下使用。

(2)蓄电池容量计算。一般情况下,晴天时测站的日耗电量小于太阳能电池的输出充电量,蓄电池的电量不会减少。阴雨天时,太阳能电池不能发电或发出的电不足以供给测站使用,就将由蓄电池进行供电。最恶劣的条件就是连续阴雨天,要长期全部由蓄电池供电。计算蓄电池容量就应依据这些条件,还要考虑一些特殊情况,如高山上的降雪覆盖了太阳能电池板,要开春后才融化;沙尘过大,长期覆盖的太阳能电池板性能大大下降。

蓄电池的容量用下式计算

式中 安全系数——取1.1～1.4;

温度修正系数——气温高于0℃时取1,低于0℃、高于-10℃时取1.1;

最长连续阴雨天数——按气象资料或用户要求决定,在南方可取30d以上,北方可适当减少;

蓄电池放电深度——铅酸蓄电池取0.753,碱性镍镉蓄电池取0.85;

测站日平均耗电量——工作电流乘以工作时间。

实际计算时,安全系数为1.2,温度修正系数取1,最长连阴雨天数可取为30d,蓄电池放电深度取为0.75 (铅酸蓄电池)。则式(2-5-1)为

测站耗电由两部分组成:一是测站处于等待休眠状态时的值守电流,也称为静态电流;另一部分是测站信息采数、通信、存储时的工作电流。值守电流很小,一般只有几毫安,但24h都在耗电。工作电流很大,一般有几安培,但工作一次只有几秒钟,一天平均工作不超过数十次。如某测站静态电流5mA;工作电流6A (25W 电台),每次工作时间2s,每月平均工作900次(每天平均工作30次)。该测站日均耗电Q (未考虑传感器的耗电)为

再用式(2-5-2)计算,为证30d连续阴雨天用电,该测站蓄电池容量为

不同的测站按上述原理计算各自的日均耗电量。(www.xing528.com)

蓄电池容量用Ah (安时)表示,是蓄电池在额定电压范围内放电电流 (A)和放电时间(h)的乘积。测站供电要求在12V 的-10%～+20%范围内。由于使用电台功耗较大,要求工作电流可达6A,也为了增大裕度,所以选取更大的蓄电池,常用24Ah容量的蓄电池。蓄电池的每一单元电压很低,必须串联或并联以增加电压或供电电流。测报系统一般选用标准规格的成品电池,如12V、24Ah。按实际情况,一些测站可以用更小一些的容量。

蓄电池的供电能力与环境温度、本身使用期限、充放电情况等有关,还受自放电影响,难以准确预期。总的来讲,在4～5年的寿命期内,充放电能力不断降低,意味着容量的降低。测报系统运行维护时,要重视蓄电池的检查和维护,并定期更换。

4.太阳能电池和功率计算

太阳能是可再生的绿色能源,来源丰富、取用方便,已推广使用。利用太阳能供电有两种途径:一是光伏发电技术;二是太阳热发电技术。测报系统大量应用太阳能电池作为蓄电池浮充电源,应用的是光伏发电技术的太阳能电池。

(1)太阳能电池的选用。太阳能电池在太阳光的照射下,利用太阳光能直接发电,可以应用多种材料制作太阳能电池。由于太阳能是全世界都在积极开发的可再生能源,太阳能电池发展很快。

1)对太阳能电池的一般要求是:

①有较高的光电转换效率,一般在10%～20%。

②所用材料便于生产并稳定。

③材料无环境污染。

④有可接受的性能价格比。

2)太阳能电池的分类。

①硅系太阳能电池。硅材料的光电性能最早被利用制作太阳能电池,发展也最快。硅系太阳能电池分为以下三类:

a.单晶硅太阳能电池。这是最早应用、也是最成熟的太阳能电池。使用350～450μm 的单晶硅片,由单晶硅切割而成。光电转换效率最高,可达20%左右。性能稳定,使用寿命长(可达20年),是普遍使用的太阳能电池。由于材料是单晶硅,成本高,制作工艺复杂,也增加了成本。所以,单晶硅太阳能电池的价格较高,不易推广到民用领域。

b.多晶硅薄膜太阳能电池。多利用化学气相沉积法在基板上沉积多晶硅薄膜,制成薄膜太阳能电池。光电转换效率可达15%左右,转换效率也很稳定。它的制作成本比单晶硅太阳能电池低得多,有应用前途。但仍处于试制或试用阶段,已开始有实用产品。

c.非晶硅薄膜太阳能电池。将非晶体硅沉积在基板上,制成薄膜太阳能电池。光电转换效率可达10%左右,转换效率会衰减,比不上前两种硅太阳能电池。但它的成本将更低,会有广泛的应用领域。目前正在发展可用产品。

图2-5-1　单晶硅太阳能电池伏安特性曲线图

②非硅系太阳能电池。除了硅材料外,很多材料可能用于制作太阳能电池,主要材料包括无机盐(如砷化镓)等多元化合物、功能高分子化合物、纳米晶材料等。

应用这些材料制作太阳能电池都还处于研制阶段,它们可能有各自的优缺点,有不同的应用前途。但目前尚无产品应用于测报系统。

目前,测报系统几乎全部使用单晶硅太阳能电池。一是因为测报系统不需要太大供电电流,单晶硅太阳能电池可以满足要求;二是因为目前除了单晶硅太阳能电池外,很少有相对成熟可靠的太阳能电池,难以比较挑选。

(2)太阳能电池功率的计算。单晶硅太阳能电池的伏安特性如图2-5-1所示。从图2 5 1中可知,用于12V 蓄电池充电的最大功率点(Pm)的电压约为16.8V。这时,功率为1W 的太阳能电池的充电电流为60m A 左右。12V 蓄电池的工作电压为12.8V,充电电流应在70m A 左右。

充电时,太阳能电池应稍高于蓄电池工作电压,但也不必太高,太高了并不会提高多少充电速度。测站用12V 电源时,相配的12V 太阳能电池板是定型产品,已考虑了充电电压问题。

计算太阳能电池功率时,首先要了解当地的太阳辐射参数。表2-5-1是由气象部门多年观测分析得到的统计资料,可以直接应用。

表2-5-1　中国主要城市的辐射参数表

表2-5-1中,日辐射量是当地的多年平均观测值,由年平均值计算得到此平均日辐射量,只能用于较长时间的计算,不代表某一季节、某一天的辐射值。太阳能电池板都倾斜朝向南方,倾角因南北、东西地点不同而不同。修正系数是斜面修正系数,计算太阳能电池发电量时要应用。

太阳能电池的发电能力是在标准光强的情况下给出的,标准光强是指1000W/m2的光辐射强度。要计算该处光照下的每瓦太阳能电池的发电量,首先要将当地的(平均)日辐射量转换成标准光照下的(平均)日辐射时间(h)。转换方法为

式中 2.778/10000——标准转换系数,h·m2/kJ。

例如,可查表得到南京日辐射量为13099kJ/m2,由式(2-5-3)计算得到南京的日平均标准光照时间为3.64h。

再计算每瓦太阳能电池的日发电量。由前述已知,充12V 蓄电池的1W 单晶硅太阳能电池的充电电流一般为70m A。实际上1W 太阳能电池的日发电量可用式 (2 5 4)计算

仍以南京为例,各参数如下:1W 太阳能电池充电电流为70m A;日平均标准光照时间为3.64h;斜面系数Kop为1.0249;修正系数C 为0.8。

修正系数是考虑到太阳能电池的衰减组合影响,以及灰尘等环境影响而增加的。

计算1W 太阳能电池在南京地区的日发电量Qw为

根据测站平均日耗电量Q 和日发电量Qw,由式(2-5-5)计算测站需配用的太阳能电池功率P 为

在上例中,可计算得到测站功耗Q 为0.22Ah,由此计算P=0.22/0.21=1.05(W)。

为了加大可靠性和补充阴雨天的耗电,实际设计中会应用5W、10W 等型号的太阳能电池作为测站充电电源,安全系数较大。

计算使用的平均日辐射量是多年平均值,对某一天来讲并没有实用价值。由于蓄电池已有30d的储备电能,在开始工作时已充满了电。工作中从多日平均值考虑,每天的充电量大于每日的耗电量。在正常光照日,充电量大于日耗电量的大小取决于上述太阳能电池的 “安全系数”,在连阴天后的晴天会很快补充蓄电池在连阴天中用去的电能。

计算太阳能电池的供电功率的方法较多,取用的系数也有不同。但计算原理都是一致的,计算结果差别不会太大。由于最后的取值余量很大,计算中的差别不怎么影响实际设计取值。

测站常取5W、10W 的太阳能电池,蓄电池容量为12Ah、24Ah。现在有些测站的自动传感器也要耗用电源,要注意应在计算中考虑。