[发明专利]水质监测用小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的优化构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种浮于水面的水质监测小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的优化构建方法。具体为一种基于浮标本体约束及当地气象因素约束的光伏、蓄电池数量优化算法的最优容量配置方法。

背景技术

水资源作为一种基础性的自然资源，是人类赖以生存的生命之源。为实现水资源的可持续利用，对水质进行监测与分析十分必要。浮于水面的水质监测用小型浮标通过在其上搭载必要的化学分析仪器和各种水质传感器可以实现采集实时水质指标、处理、存储、发送各指标相关的数据到指定接收器，此外还可实现跟踪浮标的位置，有故障可及时自动报警等附加功能。对于离岸式水质监测用小型浮标系统，采用光伏蓄电池混合供电系统，通过太阳能光伏板吸收投射到无遮挡的水面上方的日光转化为电能可方便地为搭载的仪器、仪表供电，另一方面将多余的电能储备在蓄电池中，以供无日光照幅射的夜晚及阴雨天的设备用电使用。这种供电方式不仅能够有效地解决水质监测用小型浮标的用电问题，同时可以减少化石资源的消耗，实现了水质监测的绿色、经济与环保目的。

然而，现有的浮于水面的水质监测用小型浮标动力源——光伏蓄电池供电系统设计方法存在一些不足：

首先，在目前的小型浮标系统中动力源的设计采用模块化并联组合的方式，一般会通过估算要搭载设备的耗电量，决定配置模块化蓄电池组1-2套。这种并联扩容的方式虽然提高了系统的供电可靠性，却增加了动力源部分的体积、重量与直接投资成本。

其次，近年来基于对水质监测的普遍重视，多种型号的不同监测传感器与信号传输设备需要搭载到小型浮标中。由于应用中设备的耗电量变化范围宽泛，针对具体需求，设计水质监测用小型浮标动力源——光伏蓄电池供电系统的案例逐渐增多。这种方式需要先详细计算搭载的具体设备的功耗数据，明确要确保连续无日照条件下系统正常供电的天数，而后采用光伏蓄电池供电系统设计的经验法计算系统应配置的光伏板的功率、蓄电池的安时数。然而，目前可供借鉴的光伏蓄电池供电系统经验设计方法主要是针对地面固定安置光伏蓄电池供电系统进行的。由于没有考虑应用中光伏蓄电池安置涉及到的体积、重量等约束条件，实际应用中往往导致设计好的光伏蓄电池系统安装不到实现选定的小型浮标本体上，需要重新给订购体积、面积、配重足够的小型浮标本体，增加了水质监测用小型浮标系统的间接投资成本与时间成本。

此外，实际工程中由于受到环境、气候等影响，水质监测用小型浮标动力源——光伏蓄电池供电系统运行过程中受到随机性及周期性变化因素影响。目前在对水质监测用小型浮标动力源——光伏蓄电池供电系统进行设计时未考虑所设计的性能参数之间及其与其他关联因素的交互影响，则所设计的光伏蓄电池供电系统未能实现在满足系统运行可靠性的前提下，降低系统投资建设成本，科学构建的目的。

因此，为解决以上问题，需要提供一种科学的水质监测用小型浮标动力源——光伏蓄电池供电系统的优化构建方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的水质监测用小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的构建方法不够科学、不够准确的现存弊端。通过融合水质监测用小型浮标的应用地的环境、气象条件与浮标搭载仪器、仪表功耗、运行时间等因素的交互影响，结合浮标本体的面积、体积、重量等限制条件建立水质监测用小型浮标动力源——光伏蓄电池供电系统的优化目标函数。在约束条件限定的可行解区域内，寻求投资成本低、失电小时数少，并结合应用地的环境及气象历史数据信息，得到既满足小型浮标应用地实际情况的天气因素要求，又满足系统可靠性要求的光伏蓄电池混合供电系统优化配置方案。

本发明提供一种水质监测用小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的优化构建方法，主要包括以下六个步骤：

步骤一、小型浮标系统功耗计算；

计算需要搭载到浮标本体中的水质监测用设备的运行功耗及日运行小时数，形成小型浮标系统的日平均能耗，这些水质监测用设备可以看作是小型浮标动力源部分的负载，因此称为负载设备，则而后便可计算出负载设备的平均功耗值。

步骤二、小型浮标系统的优化目标函数建模；

确定小型浮标系统中涉及的光伏发电、蓄电池储能、浮标本体等的相关参数值与成本。以成本最小为目标建立小型浮标动力源——光伏蓄电池供电系统的优化目标函数。

步骤三、基于气象因素确定小型浮标系统最大连续阴雨天数；