侧扫雷达测流系统的太阳能供电设计

王少华，王江燕，韩根朋，刘 伟

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.大唐石泉水力发电厂，陕西 石泉 725200）

0 引言

近年来，水利信息化行业在测流方向产生了大量的在线监测系统。其中，侧扫雷达在线测流系统，由于其国产化、非接触、超大断面支持，一经问世，就吸引了业内专家的目光。基于国内某具有代表性品牌的侧扫雷达测流系统的研制，本设计完成了该系统的太阳能供电系统的应用。

1 侧扫雷达测流系统功耗

水文行业长期以来的自动测报系统的主要供电结构见图1。

图1 传统自动测报系统结构举例

如图1 所示，在传统测报系统中，太阳能及蓄电池作为发电和储能设备，在日照合格的情况下，将电力储存起来；遥测终端、通信模块和传感器作为能耗设备，它们的工作时间非常短暂。当系统不采集数据时，遥测终端处于低功耗休眠状态，传感器、通信模块处于完全断电状态。甚至，有的传感器本身就是无源设备，不会有电力损耗。而且，只有在满足一定条件时，系统才会开始工作，所以传统测报系统能耗极低。

侧扫雷达测流系统的供电结构与传统自动测报系统供电结构类似，但最大的区别在于传感器的工作的方式及其功耗。侧扫雷达系统的传感器属于智能传感器，具体包括电磁波收发组件、中频信号处理机、工业控制计算机等。传感器在测量流速过程中，需要大量的时间来采集、处理、分析数据，并且传感器主要部件断电后启动时间较长，因此不支持控电工作模式。以功耗相对较大的国产雷达水位计作为对比，两种测报系统的重要区别见表1。

表1 侧扫雷达测流系统与雷达水位自动测报系统对比

由表1 可以看出侧扫雷达传感器的工作电流约是雷达水位计的183 倍，并且在雷达水位系统的极端应用情况下，用电时间是后者的7.5 倍，二者差异巨大。

1.1 自动测报系统的日功耗计算

自动测报系统功耗主要包括遥测终端、通信模块、传感器3 种设备，并且，每个设备都有静态功耗与工作功耗的区分，因此自动测报系统的日功耗计算公式如下：

式中：Q1为自动测报系统的日功耗，Wh；QR、QT、QS为遥测终端、通信模块、传感器的日功耗,Wh；ARw、ATw、ASw为遥测终端、通信模块、传感器的工作电流,A；TR、TT、TS为遥测终端、通信模块、传感器的日工作时间,h；ARs、ATs、ASs为遥测终端、通信模块、传感器的静态电流，A；U 为系统的额定工作电压，本研究中采用的设备电压均为12 V。

1.2 侧扫雷达测流系统与传统自动测报系统的日功耗对比

将表1 中侧扫雷达测流系统的数据带入式（1）～式（4），计算系统日功耗过程如下：

遥 测 终 端 日 功 耗：QR= （0.006×5.2+0.003×18.8）×12=1.0512 W·h

通信模块日功耗：QT=（0.11×2.4+0.02×2.4）×12=3.744 W·h

传感器日功耗：QS=（2.2×12+0.9×12）×12=446.4 W·h

侧扫雷达测流系统日功耗：Q1=1.0512+3.744+446.4≈451.2W·h

将表1 中雷达水位测报系统的数据带入式（1）～式（4），计算系统日功耗过程如下：

遥 测 终 端 日 功 耗：QR= （0.006×12.8+0.003×11.2）×12=1.3248 W·h

通信模块日功耗：QT=（0.11×4.8+0.02×4.8）×12=7.488 W·h

雷达水位日功耗：QS=0.012×3.2×12=0.4608 W·h

雷达水位系统单日功耗：Q1=1.3248+7.488+0.4608≈9.27 W·h

由此可见，即使雷达水位监测系统24 h 一直在工作，侧扫雷达测流系统的功耗也接近普通雷达水位系统的50 倍。而实际应用当中，水位监测系统并不会出现每5 min 都会触发发数的情况。针对侧扫雷达测流系统的功耗，已经不能用传统经验模式推演太阳能供电系统的配置，必须经过严格的设计，才能设计出满足该系统需要的太阳能供电系统。

2 侧扫雷达测流系统的太阳能供电设计

由图1 可知，太阳能供电系统主要由可以将太阳能转换为电能的太阳能电池板，以及可以把电能储存下来的蓄电池组成。

太阳能电池板的主要技术指标是功率W，判断太阳能板是否能满足系统续航需求，主要衡量太阳能板在平均发电情况下，所产生的电能否满足系统当天的功耗。否则，供电系统就会一直处于馈电状态，直至耗完电池储能。

蓄电池的主要技术指标是容量Q，判断电池是否能满足系统续航要求，主要衡量蓄电池的容量大小是否能支撑项目现场的平均连续阴雨天数。当蓄电池容量大于阴雨天气时系统的总耗能，系统就可以正常工作，不至于由于在阴雨天，因为电能耗光而宕机。

2.1 蓄电池容量的设计

计算系统蓄电池容量大小，主要涉及3 个技术指标。放电深度、可靠系数、平均连续阴雨天数。

放电深度（DOD）是指从蓄电池取出电量占额定容量的百分比，但DOD 并不是越高越好。资料显示，蓄电池的特性是放电的能力和重复充电的次数是反比关系，即，表征放电能力的参数放电深度越高，蓄电池可以重复使用的次数就越短。图2是某大厂铅酸电池放电深度与循环次数的曲线图。

图2 蓄电池放电深度与循环次数关系曲线

因此，为了延长蓄电池的使用次数，应该尽量降低蓄电池的放电深度，同时，考虑到系统的建设成本，也不能无限制的压低放电深度。《家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》（GBT 19064-2003）指出，深循环型铅酸蓄电池是应用光伏电源系统的首选产品，且深循环铅酸蓄电池的设计放电深度（DOD）为80%[4]。

蓄电池可靠系数，是指为了系统可靠，需要为系统考虑额外的容量储备时所采用的计算系数。因为铅酸蓄的放电量，并不一定等于它的标称容量，还跟电池的使用温度、新旧程度等有关系。所以，为了保证系统的稳定性，在计算蓄电池容量时，引入蓄电池可靠系数这个概念。综合考虑温度、老化、富裕等因素，蓄电池的可靠系数取k=1.4[5]。

根据蓄电池DOD 和可靠系数，可得出满足系统当天功耗的蓄电池容量。但蓄电池仅满足一天的功耗，无法避免连续阴雨天时，系统蓄电池电能耗尽而宕机。为了避免这种情况，需要引入了平均连续阴雨天数这个概念。

针对独立光伏发电系统中蓄电池容量设计涉及的平均连续阴雨天数是指，当日可照时间内垂直面直接辐射照度的平均值小于120 W/m2的连续天数[6]。判断蓄电池容量是否足够的标准，就看蓄电池的容量能否支撑当地的平均连续阴雨天数。研究表明，云南昆明地区的平均连续阴雨天数为2.8 d[6]。根据昆明市与本项目所在地，景洪市年平均日照时间的数据，估算得出本系统安装地点的平均连续阴雨天数约为3 d。

综上，蓄电池容量计算公式为：

式中：Q2为自动测报系统所需蓄电池容量；Q1为自动测系统日功耗；kB为蓄电池可靠系数；d 为当地平均连续阴雨天数；DOD为蓄电池的放电深度。

则本系统需要的电池容量：Q2=（451.2×1.4×3÷0.8）=2368.8 W·h

已知本系统采用的电压是12 V，则实际需要的蓄电池安时容量为197.4 Ah，根据市场实际蓄电池规格向上取整数，则本系统的采用的蓄电池设计容量为200 Ah。

2.2 太阳能电池板功率的设计

太阳能发电系统受太阳辐射影响巨大，在阴雨天、傍晚光线较差的时候，发电效率非常低，而到了晚上，太阳能板完全不能发电。因此，计算太阳能发电系统发电量的大小，需将平均日照时数考虑在内。只要在平均日照时数内，产生的电量大于系统单日总体功耗，即可以满足系统正常运行。

图3 侧扫雷达系统安装现场

日照时数是指在某个地点，一天当中当太阳光达到120 W/m2辐射度时的时间数总和，平均日照时数是指某地一年或若干年的日照时数综合的平均值，本研究查询当地的日照时数为5.62 h。

另外，太阳能电池板的标称功率是在标准状态下的发电功率，即组件表面温度25℃，光谱分布AM1.5，辐射照度1000 W/m2，该条件在野外自然环境中，很难一直保持。同时，在工程实施当中，太阳能板的发电功率还会受到其他各种条件限制。例如，太阳能板的利用效率、电池组充电效率、控制器的转换效率、充电线路长短、设备老化等影响。因此在设计太阳能板功率时，需将太阳能板的发电效率考虑在内。太阳能电池板发电效率可能只有理论值的50%～60%[7]，为确保系统的稳定，本研究电池板的发电效率取50%。

综上，太阳能板功率计算公式为：

式中：W 为自动测报系统所需太阳能板功率；Q1为自动测系统日功耗；T 为系统所在地平均日照时数；kS为当太阳能电池板的实际效率。

则本系统需要的太阳能板功率：W=451.2÷5.62÷0.5≈160.57 W

根据市场实际太阳能电池板规格向上取整数，则本系统的采用的太阳能板设计功率为200 W。

3 结语

侧扫雷达测流系统的工作模式和器件能耗与传统的自动测报系统大不相同，使得前者的系统功耗超出后者的数十倍。要保证系统的正常运行，就不能从经验出发，需要详细计算设备功耗、太阳能板功率以及蓄电池的储能，才能确保侧扫雷达测流系统稳定运行。