基于太阳能的智能消火栓终端供电系统研究

基于太阳能的智能消火栓终端供电系统研究

张爽1, ,张飞飞2  ,赵汝杰3

1:中国电子科技集团公司第二十二研究所    河南新乡  453002

2:天博电子信息科技有限公司 山东青岛 266100

3:青岛市海润自来水集团有限公司 山东青岛 266071

摘要：智能消火栓终端由于自身应用场景的限制，大都依靠自带一次锂电池供电。由于一次锂电池容量有限，从而限制了系统的运行寿命和通信次数。本文设计并实现了一种利用太阳能发电技术给智能消火栓终端供电的方案，通过可充锂电池组充放电控制，实现对电能合理存储和利用，极大地提高了智能消火栓系统的运行时间和通信次数。

关键词：太阳能 智能消火栓终端  供电 管理电路

前言

市政消火栓是消防设施中供水保障的关键部分，随着物联网技术的不断发展，借助于智能感知和无线通信技术对消火栓的状态信息（如水压、漏损、栓体倾斜度等）进行实时监控，在出现问题时发出预警信息，相关部门及时进行处置，可有效避免重大安全事故和人身财产损失。

市政消火栓大都布置在无人值守的场合，且数量巨大，因此，采用市电布线供电几乎是不可能的，目前的通用做法是采用一次锂电池供电。近年来，消防和供水部门对于消火栓数据的上传频次和数据量要求越来越高，高频次的通信需要耗费越来越多的电能，一次锂电池已经难以满足需要，亟需革新供电方式以延长系统使用时间。本文提出了一种基于太阳能的智能消火栓供电系统，其采用可充电池循环充放电的方式，有效解决了智能消火栓终端耗电日益增长和一次锂电池容量有限之间的矛盾。

一、系统组成

基于太阳能发电的智能消火栓终端供电系统主要由四大模块组成：太阳能发电板、电池管理电路、可充锂电池组、负载（智能消火栓终端），其连接关系如下图所示：

图1 智能消火栓终端供电系统示意图

其中，太阳能发电板负责将太阳能转化为电能，是系统供电转换的基础装置，其转化效率取决于材料类型、太阳光强度、照射角度等因素。

电池管理电路是整个供电系统的关键部分，一方面，它保证太阳能发电板转化的电能能够存储到锂电池组中；另一方面，在即将充满的状态下，能够调节系统的电压和电流，避免电池过充造成永久性损伤，保障系统安全性。

可充锂电池组是电能的存储装置，同时也是智能消火栓终端的能量来源。其容量既要与太阳能发电板发电能力相匹配，又要满足负载的耗电需求。

负载即为智能消火栓终端，主要实现对消火栓状态信息（包括水压、漏损、姿态）的在线监测，及时发出告警信息。

二、主要模块实现

1. 太阳发电板

太阳能发电板是利用半导体材料的光电效应，将太阳能转换成电能的装置，其主要参数如下所示：

表1 太阳能发电板主要参数

另外，最佳光照效率一般要求太阳能发电板以一定的倾角进行安装，可通过《全国各地光伏电站的最佳安装角度及发电量速查表》进行查询。

表2 全国各地光伏电站的最佳安装角度及发电量速查表（部分）

以青岛市为例，通过查询表2（部分）得知，太阳能发电板的最佳安装角度是30°。

2. 电池管理电路

电池管理电路主要实现对锂电池组的充电管理和参数（电压、电流、温度等）监测，从而达到提高充电效率和提升系统安全性的目的。它包括两个方面的内容：电池充电管理电路和电池组参数监测电路，如图2所示：

图2 电池管理系统框图

锂离子电池的典型电压为3.7V，动态范围为2.8V~4.2V，超出这个范围电池都会有损坏的风险。充电管理电路会自动跟踪太阳能板的最大功率点，最大限度地利用太阳能板的输出功率。

充电过程示意图如下所示：

图3 锂电池组充电过程

涓流充电：当电池组电压处于2V~3V之间时，会以恒流充电电流的1/10或者1/20大小进行预充；

恒流充电：当电池电压升至3V以上时，会以恒定大小的电流对电池组快速充电；

恒压充电：当电池组电压接近4.2V时，会以恒定大小的电压值进行充电。

3. 锂电池组

锂电池组是整个系统的能量存储装置，它始终处于充电和放电的动态过程之中。锂电池组的主要参数：

表3 锂电池组的主要参数

4. 负载

系统负载即为智能消火栓终端，其主要实现业务数据的采集、存储和发送，是整个系统的主要耗能部分。智能消火栓终端分为两种工作模式：通信模式和周期性唤醒/休眠模式,唤醒周期为20S。

其主要参数如下表所示：

表4 智能消火栓终端主要参数

三、运行时间计算

如上所述，分别计算通信模式下和周期性唤醒/休眠模式下的系统功耗，如下表所示：

表5 智能消火栓终端工作状态及能耗计算

以每间隔5分钟上传一次数据为例，则每日通信次数为：

                                 (1)

根据实际测试数据，在正常工作状态下，智能消火栓终端的耗电参数如表6所示：

表6 智能消火栓终端各状态参数

由此可推算出：

(2)

带入以上数据可算出智能消火栓终端每日能耗：

=146.56（mAH） (3)

则理论上，容量为9600mAH的电池组按照75%的满电率，可供智能消火栓终端应用的天数为：

                     (4)

根据表2青岛市每日峰值日照时数（3.38h）和表1太阳能最大充电电流（1.1A，实际中按照80%计算），充满容量为9600mAH的电池组需要的天数为：

                       (5)

则                                           (6)

即：太阳能发电板每有效工作1天，产生的电能可供智能消火栓终端使用约15天。

四、结论

根据以上论述和计算，针对通信频次日益增大的需求，使用太阳能发电板能够有效解决智能消火栓终端的供电问题，可充能源能够大幅度延长物联网系统的使用寿命，是解决无法市电接入场景下物联网系统供电问题的重要手段之一。

为了验证系统的有效性，2022年6月27日至2022年7月4日，在青岛市崂山区青大一路19号某建筑二楼阳台对智能消火栓终端进行了实际测试。

测试条件：太阳能发电板+3.7V@9600mAH可充锂电池组+盖帽式智能消火栓终端，发电板30°倾斜放置，每5分钟通信一次。前3天阴雨相间，第4天起天气晴好，光照较强。

实际测试锂电池组电压随时间变化规律如下图所示：

图4 电池组电压（容量）随时间变化规律

从上图可以看出，系统处于持续的充电和放电循环中，在光照较强时电池容量有明显上升，总体能完全满足智能消火栓终端功耗需要。

参考文献

[1]  GB50797-2012，光伏发电站设计规范[S].

    [2] [美]达维德.安德里亚（Davide Andrea）著，李建林 李蓓 房凯等译 《大规模锂离子电池管理系统》,北京：机械工业出版社，2016.

    [3] 张维清 程亮,太阳能电池发展现状与展望[J],科技创新与生产力,2011年08期.