無(wú)人值守測(cè)震臺(tái)站風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁大業(yè)

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西　太原　030025)

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·技術(shù)交流·

無(wú)人值守測(cè)震臺(tái)站風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁大業(yè)1，2

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西太原030025)

摘要：我國(guó)測(cè)震臺(tái)站大多數(shù)地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，電網(wǎng)覆蓋面有限，解決臺(tái)站設(shè)備供電問(wèn)題勢(shì)在必行。文章結(jié)合山西省風(fēng)能及太陽(yáng)能資源的分布情況，提出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電方式，并根據(jù)山西省內(nèi)測(cè)震臺(tái)站所用設(shè)備情況，設(shè)計(jì)出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，以解決無(wú)人值守臺(tái)站設(shè)備的供電問(wèn)題。該系統(tǒng)既可提高臺(tái)站設(shè)備供電的可靠性，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果。

關(guān)鍵詞：測(cè)震臺(tái)站；風(fēng)光互補(bǔ)；供電系統(tǒng)

0引言

當(dāng)今世界，電能已經(jīng)成為人們生活、生產(chǎn)中所必需的能源之一。與此同時(shí)，資源匱乏、環(huán)境污染等問(wèn)題愈發(fā)突出，能源生產(chǎn)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出。低成本、規(guī)?；每稍偕茉词墙鉀Q此類(lèi)問(wèn)題的有效出路。近年來(lái)，像風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源利用技術(shù)得到迅速發(fā)展。

我國(guó)有豐富的可再生能源，近年來(lái)加快了風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源具有資源充足、安全清潔、分布廣泛、用之不竭的特點(diǎn)，但存在不穩(wěn)定、受季節(jié)性影響變化大等不足。風(fēng)能是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，其轉(zhuǎn)換過(guò)程受到季節(jié)、地理及天氣等諸多因素影響。太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間和地域上都具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，白天陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很小，晚上光照很弱時(shí)，地表溫差變化大，使風(fēng)能加強(qiáng)。在夏季，光照強(qiáng)而風(fēng)小；冬季，光照弱，風(fēng)大。太陽(yáng)能與風(fēng)能相互配合利用，可充分發(fā)揮二者最大的作用。

測(cè)震臺(tái)站建設(shè)按照《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》，大多是無(wú)人值守臺(tái)站，分布在野外干擾小、晝夜溫差大、氣候惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)。此類(lèi)地區(qū)地廣人稀，電網(wǎng)覆蓋能力有限，一般情況下供電情況都不太好[1]。所以，解決無(wú)人值守測(cè)震臺(tái)站的供電問(wèn)題勢(shì)在必行。

1山西風(fēng)光資源概況

山西地處黃河中游，大部分地區(qū)海拔在1 000 m以上，氣候具有四季分明、雨熱同步、光照充足、冬夏氣溫差別懸殊、晝夜溫差大的特點(diǎn)。各地風(fēng)向、風(fēng)速差異較大，形成各地特色的地方性風(fēng)[2]。山西省風(fēng)速的季節(jié)變化比較明顯，一般春季風(fēng)速最大，其次為冬季。由圖1可知，山西省各地年平均風(fēng)速基本在1.0～4.0 m/s，其中大部分地區(qū)年平均風(fēng)速在1.5～2.5 m/s之間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山西大部分地區(qū)的太陽(yáng)能資源較豐富，每年日照時(shí)間超過(guò)3 000 h[3](見(jiàn)表1)。因此，山西的這兩種資源有很好的利用前景。

圖1　山西省年平均風(fēng)速分布圖Fig.1　Distribution of annual average wind speed in Shanxi Province

表1　中國(guó)太陽(yáng)能資源分布表

2風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)控制器給蓄電池充電，同時(shí)供電給直流負(fù)載。另外，輸出的直流電可通過(guò)DC-AC逆變器轉(zhuǎn)換成220 V交流電，供給無(wú)人臺(tái)站的交流負(fù)載。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)天氣狀況，在有風(fēng)的夜間或陰雨天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單獨(dú)向負(fù)載供電；無(wú)風(fēng)的晴天，光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電；有風(fēng)的晴天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 充分利用綠色清潔能源，該系統(tǒng)無(wú)空氣污染、無(wú)噪音、不產(chǎn)生廢棄物。(2) 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用電負(fù)荷情況和資源條件，進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置，既保證系統(tǒng)供電的可靠性，又降低發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)。(3) 利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性。(4) 能有效避免通過(guò)市電線(xiàn)路引入雷電流，導(dǎo)致設(shè)備雷擊[4]。(5) 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)工作量及費(fèi)用大大降低。

典型12 V風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電板、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池組和逆變器等部分組成(見(jiàn)圖2)。

3風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

山西地區(qū)無(wú)人值守測(cè)震臺(tái)站主要設(shè)備為EDAS-24IP/GN數(shù)據(jù)采集器、BBVS-60/120地震計(jì)、3G無(wú)線(xiàn)路由器，使用DC12 V或者AC220 V供電，全部專(zhuān)業(yè)設(shè)備的功耗約為40 W。根據(jù)設(shè)備的用電量及當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源情況設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，主要設(shè)備見(jiàn)表2。第15頁(yè)圖3為供電系統(tǒng)示意圖，主要的組成部分如下。

(1) 發(fā)電部分。安裝1臺(tái)功率300 W、12/24 V三相交流永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和兩組功率150 W、12 V太陽(yáng)能電池板，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速為2 m/s，額定風(fēng)速13 m/s。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，產(chǎn)生的三相交流電通過(guò)控制器降壓、整流，對(duì)直流負(fù)載提供電力，并對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電；當(dāng)太陽(yáng)能板工作時(shí)，產(chǎn)生的電能通過(guò)互補(bǔ)控制器對(duì)直流負(fù)載提供電力，并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

圖2　典型12 V風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)Fig.2　Typical 12 V wind and solar power generation system

序號(hào)設(shè)備名稱(chēng)規(guī)格數(shù)量1風(fēng)力發(fā)電機(jī)300W12太陽(yáng)能板12V、150W23蓄電池12V、100Ah44風(fēng)光互補(bǔ)控制器12V、24V15DC-AC逆變器12V～220V16其他附件12V～220V1

(2) 控制部分。由風(fēng)光互補(bǔ)控制器組成，完成風(fēng)能—電能、太陽(yáng)能—電能的轉(zhuǎn)換，并完成對(duì)蓄電池組的充電工作。控制器采用先進(jìn)的MPPT功率跟蹤技術(shù)，保證風(fēng)能和太陽(yáng)能的最高利用。具有自動(dòng)識(shí)別12 V系統(tǒng)能力，根據(jù)蓄電池電壓自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行充電管理。控制器可控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池進(jìn)行自動(dòng)充電，在蓄電池已充滿(mǎn)的情況下，通過(guò)內(nèi)部電路自動(dòng)控制，使風(fēng)機(jī)剎車(chē)；當(dāng)蓄電池電壓下降到恢復(fù)電壓時(shí)，風(fēng)機(jī)恢復(fù)對(duì)蓄電池充電，從而保護(hù)了風(fēng)機(jī)和蓄電池。

圖3　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.3　Sketch map of wind and solar power generation system

(3) 蓄電部分。由4塊12 V、100 Ah蓄電池組成，可完成電能的儲(chǔ)備任務(wù)。

(4) 供電部分。蓄電池連接到風(fēng)光互補(bǔ)控制器上，可以直接供電給地震儀系統(tǒng)及3G無(wú)線(xiàn)路由器。另外，輸出的12 V直流電可通過(guò)DC-AC逆變器轉(zhuǎn)換成220 V交流電，供給臺(tái)站的交流負(fù)載。如日光燈及通信傳輸設(shè)備等。

另外，當(dāng)風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)械本身部分摩擦及空氣擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，此類(lèi)噪聲低于日?；顒?dòng)噪音水平，對(duì)地脈動(dòng)噪聲的記錄影響很小。安裝風(fēng)機(jī)時(shí)，可以加裝橡膠、軟木等減振材料，將噪聲影響降到最低。

4結(jié)論

綜上所述，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以很好地解決野外測(cè)震臺(tái)站及流動(dòng)測(cè)震臺(tái)站的供電問(wèn)題。同時(shí)，避免了因市電引雷致使設(shè)備遭受雷擊的可能。由于風(fēng)光資源存在能量密度低、間歇性、不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，限制了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的推廣。在實(shí)際工作中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源情況及臺(tái)站所用儀器等負(fù)荷的功率，設(shè)計(jì)出安全可靠的供電方式。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的投資相對(duì)較低，有望應(yīng)用于風(fēng)光資源豐富地區(qū)的臺(tái)站。

參考文獻(xiàn)：

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Design of Wind and Solar Power Generation System of Unattended Seismic Stations

DING Da-ye1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021,China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Abstract:Most seismic stations in China locates in remote mountainous areas, network coverage is limited. To solve the power supply problem of equipments in stations is imperative. The Power supply mode of wind and solar power generation system is proposed according to the distribution of wind energy and solar energy resources in Shanxi Province. According to the equipments used in seismic stations in Shanxi province, wind and solar power generation system is designed to solve the problem of power supply of equipments in unattended stations. The system can improve the reliability of power supply of the equipments, and achieve the effect of energy conservation and emission reduction.

Key words:Seismic station; Wind and solar power generation; Power supply system

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：第一丁大業(yè)(1985—)，男，山西省大同市人。2013年畢業(yè)于太原科技大學(xué)，碩士研究生，助理工程師。

收稿日期：2015-10-11

文章編號(hào)：1000-6265(2016)01-0013-03