3. 野外供电环境与能量需求分析
太阳能农业监测终端的供电设计，第一步不是选板子、选电池，而是把“现场能给多少能量”和“终端要花多少能量”这两笔账算清楚。前者取决于部署地的太阳能资源，后者取决于终端自身的功耗结构。只有两端都量化，蓄电池容量与光伏板功率的匹配才有依据，否则只能凭经验拍脑袋，容易出现阴雨天掉电、或者板子电池过大造成成本浪费。
一、目标部署地太阳能资源的获取与评估
评估太阳能资源，工程上最直接的两个指标是峰值日照时数和连续阴雨天。峰值日照时数（Peak Sun Hours，PSH）并不是白天的总时长，而是把一天内太阳辐照总量折算成“标准测试条件 1000 W/m²”下的等效小时数。例如某地日辐照量为 4.2 kWh/m²，则 PSH ≈ 4.2 h。它直接决定了光伏板在一天内能贡献多少等效满功率发电时间。
获取途径有三类：一是查当地气象站或农业气象观测数据，取近 5～10 年的月平均值；二是使用 NASA POWER、Global Solar Atlas 等公开辐照数据库，按经纬度查询；三是现场用便携辐照计实测几天做校核。工程上通常以全年最不利月份（一般是冬季 12 月或 1 月）的 PSH 作为设计输入，而不是用年均值，否则冬季容易亏电。连续阴雨天则要查当地气象统计中的“最长连续无有效日照天数”，一般取近 10 年极值或 95% 保证率对应的天数，作为蓄电池自持天数的设计依据。
需要提醒的是，组件表面会积灰、有温度损失、线缆和控制器也有损耗，实际可用发电量要打一个系统综合效率系数，通常取 0.65～0.80。农业现场粉尘大、鸟粪多，建议取下限附近，例如 0.70。
二、终端日均耗电量的计算
终端耗电不能只看主控芯片，要把所有负载按“工作电流 × 每日工作时长”逐项累加。以一台典型的农业监测终端为例（以下为教学示例参数，非实测）：主控 MCU 采集与处理平均 25 mA，每天 24 h 运行；4G/NB-IoT 通信模块发射时约 200 mA，每天累计在线传输 30 min；土壤温湿度、光照、空气温湿度传感器合计 15 mA，每天供电 24 h；继电器/电磁阀驱动平均 40 mA，每天动作累计 10 min。按 12 V 系统计算：
MCU: 25 mA × 24 h = 600 mAh
通信: 200 mA × 0.5 h = 100 mAh
传感器: 15 mA × 24 h = 360 mAh
执行器: 40 mA × (10/60) h = 6.7 mAh
日耗电 Q_day ≈ 1066.7 mAh ≈ 1.07 Ah
日耗能 E_day = 1.07 Ah × 12 V ≈ 12.8 Wh实际设计中还要加上控制器自耗电（如 5～10 mA 待机）和蓄电池自放电，通常再乘 1.1～1.2 的裕量系数，得到设计日耗电量。本例取 1.2 后约 1.28 Ah/日、15.4 Wh/日。注意通信模块的峰值电流远大于平均值，选型时要单独核对瞬时电流是否超过控制器和电池的放电能力。
三、蓄电池容量与光伏板功率的初步匹配
匹配的核心逻辑是两条独立约束：蓄电池要扛得住连续阴雨天，光伏板要在有限日照内把电补回来。
蓄电池容量按自持天数计算：C = Q_day × N / DOD / η_bat。其中 N 为连续阴雨自持天数，DOD 为放电深度（铅酸一般取 0.5，磷酸铁锂可取 0.8），η_bat 为低温与老化修正（取 0.85～0.9）。以本例 Q_day = 1.28 Ah、N = 5 天、磷酸铁锂 DOD = 0.8、η = 0.9 计算：C ≈ 1.28 × 5 / 0.8 / 0.9 ≈ 8.9 Ah，向上取标准规格 12 Ah/12.8 V。若用铅酸，则约 14.2 Ah，需选 20 Ah 规格，体积重量明显更大。
光伏板功率按最不利月份补电计算：P = E_day × K / (PSH_min × η_sys)。K 为补电裕量（取 1.2～1.3，补偿阴雨后的亏空恢复），PSH_min 取最不利月值，η_sys 取 0.70。设 PSH_min = 3.0 h，E_day = 15.4 Wh，K = 1.25：P ≈ 15.4 × 1.25 / (3.0 × 0.70) ≈ 9.2 W，向上选 10 W 或 12 W 组件。若当地 PSH_min 只有 2.2 h，则需约 12.5 W，应选 15 W 组件。
把两侧结果放在一起看，就形成了完整的能量闭环：日耗 15.4 Wh，最不利月每天有效发电约 12 W × 3.0 h × 0.70 ≈ 25.2 Wh，扣除日耗后每天净盈余约 9.8 Wh，5 天阴雨消耗约 77 Wh，而 12 Ah/12.8 V 电池可用容量约 12 × 12.8 × 0.8 ≈ 123 Wh，余量充足。若发现阴雨末期 SOC 逼近放电下限，或晴天回充超过 3 天仍未恢复，就说明板子偏小或电池偏小，需要按上面的公式反向调整。
完成上述计算后，应把 PSH_min、N、Q_day、E_day、C、P 这几个关键参数记录在设计表中，作为后续控制器选型、线缆截面计算和低压保护阈值设定的输入。参数一旦因部署地点变更而改变，整套匹配关系都要重新核算，不能沿用旧值。