太阳能供电设计.doc

电源设计师灌区信息化涉及的重要组成部分，提供满足设备要求的电压和功率信息化系统正常运行对电源设计的基本要求。对于信息中心及分中心来说，一般能够得到市电，且稳定性好，但也要有UPS和备用电源备不时之需。信息采集设备所在的野外现场，需要24小时不间断、全天候连续工作，而没有市电接入既不经济又不稳定，因此，选择长时间稳定的电源是一个极为关键的问题，太阳能电池加铅酸蓄电池是一个方案之一，阳光充足时太阳能电池为中断供电并向铅蓄电池充电，阳光强度不够时由蓄电池向终端供电。
太阳能
蓄电池
测报终端
1太阳能供电设计

遥测系统测站均采用12V（标称值）蓄电池供电，对电源的设计要求是:
l 电压：允许变幅 10%～+20%V。
l 电流：应能瞬间提供1A电流；
l 容量：用太阳能或交流电浮充蓄电池供电，应保证设备能长期可靠工作。
l 电池类别：采用大于10Ah的密封电池或固体电池。
水情自动测报系统的绝大多数站点都处在偏僻、交通不便、供电困难的地区，有些甚至在高山上。这些地点大多没有交流电源，即使有但电源质量和可靠性都很差，电压和周波极不稳定，停电频繁。因此，供电问题就成为水情自动测报系统能否可靠运行的关键之一。在水情自动测报系统中，常用的供电方式有三种:
蓄电池组供电
这种供电方式的优点是可以避免从交流电引入的工业干扰和雷电干扰,缺点是要定期充电和维护，加大了维护人员的工作量。
蓄电池组供电，交流浮充的供电方式
这种供电方式只要较小的蓄电池组，就可以使功耗较大的中继站长期运行。对无交流电的站点，如架设线路的投资太大，一般不采用这种方式.有些站点交流供电不正常，交流电网辐射面广，遭雷击的概率高，容易损坏系统设备，需要采取一定的防雷措施。对于耗电比较小的遥测站，相对于其他方式，其投资较大。所以这种供电方式目前已很少在比较偏僻的遥测站使用。对耗电比较大的卫星遥测站和中继站，可采用这种方式。
蓄电池组供电、太阳能电池浮充的供电方式。
这种供电方式只要经过合理的设计，都可以保证站点的不间断运行。它避免了从电源上引入的各种工业干扰和雷击干扰。目前，水情自动测报系统中的遥测站大都采用这种供电方式。
1．蓄电池组
采用上述电池浮充供电方式时，蓄电池的性能是关键。在各种蓄电池中，性能最优者属碱性蓄电池，它的低温特性和过量充电性能较好，自动放电小，但价格较高，容量不大，一般的非密封酸性蓄电池电解液容易挥发，不宜在水情监测系统中使用。免维护密封酸性蓄电池具有良好的性能价格比，故目前使用较多。
根据我们长期从事水情监测系统设计的经验，通过经费核算及考虑防雷要求，遥测站使用太阳能电池和蓄电池组合的浮充供电系统。铅酸全密封酸性蓄电池具有良好的低温特性和充电特性，而且免维护，因而遥测设备用它供电是理想的，为保证最长连续无日照期间也能供电，必须选择蓄电池的容量。在本系统中采用胶状电解质全密封免维护铅酸蓄电池作为系统的直流电源。
太阳能浮充供电的蓄电池容量的计算：
首先计算日耗电量：
工作电压：12.0V； 静态电流：20mA
可计算出日耗电量：QL ≈ +静态电流×24小时 = 0.5Ah
估算所需电池容量：
最大的连续无日照时间：假定最大连续无日照时间为30天。
容量修正系数：考虑蓄电池容量周期性的降落和老化，通常选为0.8；
因此蓄电池容量：
C = 日耗电量×最大的连续无日照时间÷容量修正系数
= 0.5Ah×30÷0.8 = 18.75Ah
考虑到其他情况，本系统水情遥测站需采用32Ah的蓄电池。
2．太阳能电池板
硅太阳能电池是将光能直接转换成电能的半导体器件。具有体积小、可靠性高、寿命长、无环境污染、使用维护方便等特点。它可以单独使用,也可以多个连接起来组成在方阵使用，与蓄电池配合可作为直流电源供昼夜、阴雨天连续使用。水文遥测系统中使用极为广泛。
硅太阳能电池按制造工艺的不同主要分为单晶硅和非晶硅太阳能电池：
非晶硅太阳能电池组合板是应用克罗拉标准工艺在玻璃基板上沉积制成的非晶薄膜器件。其外部采用玻璃密封保护。由于其生产技术和工艺特点，成本较低。深圳宇康太阳能有限公司生产的非晶硅太阳能电池虽然价格低，但结构不牢固，无安装支架，使用很不方便。而且使用寿命短也比单晶硅太阳能电池短。
单晶硅太阳能电池是利用P-N结的光生伏特效应将太阳能直接转换成电能的一种半导体器件。根据工作电压和工作电流的需要可将单晶硅太阳能电池串联或并联成组合板并加以封装。这种太阳能电池结构牢固，其使用寿命长达二十年以上。是一种理想的永久性可再生能源，非常适合在水文遥测系统中使用。
对单晶硅太阳能电池而言，常用的充12V电池的太阳能电池的最大功率（Pm）点的电压VOC为16.8V，因此1W的太阳能电池的ISC为60mA。由于12V蓄电池的工作电压12.5V，太阳能电池充电电流一般为70mA左右。
太阳能供电系统主要由硅太阳能电池方阵、充电控制器、蓄电池组以及防反充二极管组成，如图5.2所示：
按照使用要求，将太阳能电池组件串联或并联组成太阳能电池方阵。蓄电池是太阳能电池方阵的储能装置。充电控制器通常由电子线路和电子开关组成。其作用如下：
1．当蓄电池过充电或过放电时，可以报警或自动切断线路，保护蓄电池。
2．按需要给出高精度的恒电压或恒电流。
3．当负载短路时，可以自动断开。
4．当蓄电池有故障时可以自动切换，接通备用蓄电池，以保证负载正常用电。
5．防反冲二极管的作用是避免太阳能电池方阵欠压时，蓄电池通过太阳能电池放电。要求能承受足够大的电流，且正向压降小，反向饱和电流也小。
太阳能电池功率的计算：
遥测站太阳能电源系统的设计，由于无人值守，且要求连续不间断供电，需要考虑因素多而且复杂。
首先计算的日用电量QL，然后计算太阳能电池容量：
太阳能电池容量的计算与当地的地理位置、太阳辐射、气侯等因素有关。首先计算标准辐照度下当地的年平均日照时数H（h）
H＝
年辐射总量（kcal/cm2）×1.63（Wh/kcal）
365×0.1（W/cm2）
式中0.1W/cm2是25℃，AM1.5光谱时的辐照度，也是太阳能电池的标准测试条件。
各类地区的年辐射总量见下表：
我国各类地区太阳能年辐射量表
等级
地区
年总辐射
(kcal/cm2)
1
宁夏北部、甘肃西部、新疆东南部、
青海西部、西藏西部
160～200

2
河北西北部、山西北部、内蒙古、宁夏南部、
甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南边

150～160

3
云南、山东、河南、河北东南部、山西南部、
新疆北部、吉林、辽宁、陕西北部、甘肃东南部、安徽北部、广东南部、福建南部、江苏北部

120～140

4
湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、黑龙江、安徽南部

100～120
5
四川、贵州
80～120
为了接收较强的太阳辐射，各类地区的太阳能电池的安装角度有所不同。一般情况下，安装角度等于当地的纬度。
在标准状态下，每瓦的太阳能电池输出电流为70mA，则太阳能电池的功率P由下式决定:
P＝
日用电量（Ah）×工作电压（V）×太阳能电池修正系数
0.07（A/W）×H（h）×12.5（V）×蓄电池放电深度
太阳能电池修正系数是考虑灰尘、气候、蓄电池特性等方面的影响，一般取1.2，蓄电池放电深度为80%。
对河南临邑县地区可以计算出 H＝5.36h。QL＝0.5Ah。
因此，水情测站站所需的太阳能电池的功率为P＝10W。
由于太阳能电池具有负电功率温度系数，对高温地区的使用量还应增加一些，一般可采用16W的太阳能电池板。