無人地震臺站太陽能供電電源的使用與維護(hù)

韓曉飛

（陜西省地震局，陜西西安 710068）

從無人地震臺站的基本地形環(huán)境不難分析，無論是地貌、交通還是傳輸距離都相對偏遠(yuǎn)，市電供應(yīng)的缺乏導(dǎo)致無人地震臺站的供電質(zhì)量較差，甚至還會出現(xiàn)停電和斷電問題。從儀器設(shè)備角度分析，無人值守的地震臺站的設(shè)備功率消耗較小，以低壓直流電為主，針對這一基本情況，若是單純使用有線供電的方式則極易導(dǎo)致供電電源在使用和維護(hù)方面出現(xiàn)偏差，加之高昂的架設(shè)成本也存在著潛在的雷擊風(fēng)險。隨著能源消耗問題的日益嚴(yán)重，太陽能供電憑借其噪聲小、清潔無污染等特點在無人地震臺站電源使用中充分體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢，因此對于無交流電地區(qū)而言，穩(wěn)定的太陽能必然成為其供電電源的首選。

1 無人地震臺站的太陽能供電問題

1.1 蓄電池組的容量計算

作為無人地震臺站太陽能供電的核心環(huán)節(jié)，蓄電池的容量計算至關(guān)重要。由于負(fù)載電量的差異性，關(guān)于蓄電池組的容量計算需要建立在必要的氣象條件以及負(fù)載耗能計算基礎(chǔ)之上。針對蓄電池核定負(fù)載時間內(nèi)容量大小的計算，天氣狀況的優(yōu)勢勢必是其中的關(guān)鍵原因。與此同時，不同階段時間內(nèi)的電池發(fā)電量也不盡相同。在遇到方陣發(fā)電量不足的問題時，就需要依靠蓄電池的補(bǔ)給來及時供電，這就需要注意對多余電能的及時儲存。此外，如遇陰雨天氣也需要針對蓄電池的核定負(fù)載量問題進(jìn)行準(zhǔn)確計算。因此，核定時間內(nèi)蓄電池的耗電量就成為了影響電池總?cè)萘康闹饕蛩?，其基本計算公式?

式中，A作為安全系數(shù)其可控值被限制在1.1～1.4，而QL即電源負(fù)載的日平均耗電量，是核定工作電流與工作時間的乘積;NL是指最長陰雨狀況的天氣數(shù)量，而TO則是指針對溫度的修正系數(shù)，這一數(shù)值從1～1.2。CC是指蓄電池整體的放電深度，其中鉛酸蓄電池的數(shù)值為0.75，而堿性鎳鎘蓄電池的數(shù)值則為0.85。

1.2 蓄電池的使用與保護(hù)

與太陽能電池相配套的蓄電池種類很多，而當(dāng)前主要有鉛酸型免維護(hù)蓄電池、堿性鎳鎘蓄電池以及普通的鉛酸蓄電池使用較為廣泛。鉛酸免維護(hù)型蓄電池由于對環(huán)境污染較小而深得用電系統(tǒng)青睞，因此被廣泛應(yīng)用于太陽能電源系統(tǒng)當(dāng)中，尤其是在無人地震臺站的使用就更加普及。而堿性鎳鎘蓄電池雖然在溫度及過放性能方面表現(xiàn)較好，然而其高昂的價格顯然不適于大范圍使用。普通鉛酸型蓄電池常見于稍低檔的用電場合，這是由于這一類型的蓄電池本身需要經(jīng)常維護(hù)，并且對于周遭環(huán)境的污染也相對嚴(yán)重。太陽能充放電控制系統(tǒng)是對蓄電池的客觀防護(hù)，控制器的存在是為了更好地實現(xiàn)對太陽能供電板的過放保護(hù)，在遇到嚴(yán)重溫差問題時控制器往往能夠起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。此外，由于電壓變化?dǎo)致的蓄電池單位體積變化也可以通過串并聯(lián)方式的組合來有效延長蓄電池的供電時間，這對延緩蓄電池的衰竭有著積極的作用。由此可見，解決無人地震臺站太陽能蓄電池的使用及維護(hù)等問題，需要通過監(jiān)控設(shè)備來對蓄電池單位時間內(nèi)的充放電電壓進(jìn)行實時測量，穩(wěn)定蓄電池的充放電電壓指標(biāo)，以此來保證蓄電池的使用壽命，提升太陽能供電系統(tǒng)的可靠性與安全性。

2 無人地震臺站太陽能供電電源的使用與維護(hù)

2.1 太陽能電池組件的串聯(lián)與并聯(lián)數(shù)目

(1)串聯(lián)數(shù)Ns

無人地震臺站太陽能電池組件工作電壓的獲得需要將組件進(jìn)行串聯(lián)連接，因此準(zhǔn)確計算電池組件的串聯(lián)數(shù)就顯得尤為重要。過少的串聯(lián)數(shù)會導(dǎo)致蓄電池浮充電壓與串聯(lián)電壓之間形成一定的方陣對立，而若是串聯(lián)數(shù)過多也會造成輸出電壓與浮充電壓之間的數(shù)值偏差過大，因此最佳的充電狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是太陽能電池組件內(nèi)的浮充電壓與串聯(lián)電壓相同，其計算方法如下:

式中，UR是指電池方陣的最小輸出電壓;而Uf則是浮充電壓;Ud的數(shù)值一般是0.7 V，是二極管的壓降范圍。

(2)并聯(lián)數(shù)Np

關(guān)于太陽能供電電源中的并聯(lián)數(shù)確立需要先從相關(guān)量的計算著手，首先需要計算太陽能電池方陣在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下平均日輻射時數(shù)值，準(zhǔn)確計算公式為:

所計算得到的H數(shù)值是指標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下電源的日輻射參照系數(shù)。而具體的太陽能電池組件單位時間內(nèi)發(fā)電量的計算則是:

其中無人地震臺站的標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下的電池組件電流記作Ioc，而Kop和Cz分別表示斜面修正系數(shù)以及修正系數(shù)，Cz的取值一般在0.8左右。而關(guān)于連續(xù)陰雨天氣的最短間隔天數(shù)則需要通過對虧損蓄電池電量的補(bǔ)給來進(jìn)行有效核算，其公式為:

無人地震臺站太陽能電池組件的并聯(lián)數(shù)確定方法是通過公式來計算，這就意味著太陽能電池組數(shù)在陰雨天最短間隔之內(nèi)為負(fù)載提供核定電量，同時也能夠通過對虧損電量的計算來及時對蓄電池電量進(jìn)行補(bǔ)給。從太陽能電池組件的串并聯(lián)情況分析，其核定范圍內(nèi)的電池方陣功率計算公式為:

式中，Po是電池組件額定功率。

2.2 太陽能供電電源的技術(shù)性能分析

無人地震臺站一般光照條件都比較充足，這就為太陽能電源供電提供了充沛的地域條件。太陽能供電電源主要是由電池極板、穩(wěn)壓器以及電瓶等部分構(gòu)成。太能能供電電源的基本工作原理:太陽光照射在電池極板硅光電池之上，在專用線路及穩(wěn)壓器的操控下實現(xiàn)對供電設(shè)備及時供電。無人地震臺站基于充足的光照條件，一般持續(xù)光照時間為上午的十時到下午的四時，若是太陽能電池板的額定充電量為20 Ah，則電池峰值過大就可能實現(xiàn)對光照條件的全天候供給。經(jīng)過測試分析，太陽能電源在使用過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮到此類電源與短周期地震儀之間的關(guān)系，通常一臺U73地震儀或是CR69垂直磁力儀就能滿足太陽能發(fā)電的基本使用需求。在脫離了對交流電的依賴之后，像是COMS數(shù)字鐘這樣的儀器在防止交流電電壓過高以及雷電損壞等方面都將產(chǎn)生積極促進(jìn)作用。

2.3 太陽能供電電源的日常維護(hù)問題

無人地震臺站太陽能供電電源的日常維護(hù)，需要從以下幾方面得以體現(xiàn):第一，一般相對于酸性電瓶而言，堿性電瓶的使用周期都相對較長，加上電瓶儲存電量較大的特點使得在電解液蒸發(fā)方面相對較大;第二，在遇到連續(xù)陰雨天氣時，充電量不足所導(dǎo)致的問題就更加嚴(yán)重，因此可針對實際情況對電瓶進(jìn)行定期充電;第三，由于太陽能電源供電及線路長短不一等問題，做好穩(wěn)壓元件的散熱工作至關(guān)重要;第四，對于正負(fù)電源的區(qū)分也是極為重要的，針對正負(fù)電源的及時隔離能夠有效防止儀器短路等問題的產(chǎn)生。此外，及時關(guān)注天氣變化對于無人地震臺站逆變電源的影響也同樣不容忽視，這對降低酸霧對設(shè)備的腐蝕極為有利。因此，太陽能供電電源日常維護(hù)工作的開展應(yīng)當(dāng)立足于基本的蓄電瓶保護(hù)、充電設(shè)備維護(hù)以及觀測系統(tǒng)構(gòu)建等方面，切實提升太陽能供電的穩(wěn)定性。

1993年以后，關(guān)于無人地震臺站太陽能資源的開發(fā)與利用成為了新時期對新能源的有效應(yīng)用，這一舉措不僅使得傳統(tǒng)監(jiān)測工作缺電問題被有效解決，同時也大大降低了交流電不足對于無人地震臺站的不良影響，無論是電源供電的質(zhì)量還是效果都明顯提升。由于無人地震臺站的數(shù)字化觀測工作正全面展開，因此針對后備直流電源的開發(fā)與利用工作也應(yīng)當(dāng)在臺站觀測工作內(nèi)容中有所體現(xiàn)，這是對臺站工作管理質(zhì)量的有效保障。

3 結(jié)束語

綜上所述，無人地震臺站的太陽能供電系統(tǒng)作為地震臺站觀測的主要構(gòu)成元素，在當(dāng)前集成化及智能化背景下顯得越發(fā)重要。從歷史原因考慮，由于對電源系統(tǒng)的認(rèn)知不夠深入或是電源系統(tǒng)故障出現(xiàn)的頻率過高，都直接影響到了儀器的正常能量供給，降低了監(jiān)測儀器的使用壽命。從地震本身的突發(fā)特性分析，地震監(jiān)測的實時性是不容忽視的，這就對當(dāng)前太陽能供電系統(tǒng)提出了更高的要求，無論是針對其中電源系統(tǒng)的建設(shè)還是數(shù)據(jù)資料的搜集都從根本上保證了太陽能供電的及時與可靠。

［1］王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］趙爭鳴.太陽能光伏電及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［3］何希才，張明莉.新型穩(wěn)壓電源及應(yīng)用實例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［4］曲學(xué)基，王福增.穩(wěn)定電源電路設(shè)計手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.