太陽能供電系統(tǒng)在多分量鉆孔形變臺(tái)站的應(yīng)用

成 誠(chéng)，劉慶紅，竇立婷，耿 偉，李 云，平 旗

(1.山西省地震局長(zhǎng)治中心地震臺(tái)，山西 長(zhǎng)治 046000；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)

0 引言

長(zhǎng)治中心地震臺(tái)鉆孔形變臺(tái)是“鉆孔應(yīng)變組網(wǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)”項(xiàng)目新建臺(tái)站之一，使用鶴壁生產(chǎn)的YRY-4多分量應(yīng)變儀。臺(tái)站自2014年6月負(fù)責(zé)運(yùn)維，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)產(chǎn)出良好。由于原設(shè)備配套用防雷隔離電源頻出故障，影響觀測(cè)資料的連續(xù)性。經(jīng)與設(shè)備主產(chǎn)方、數(shù)據(jù)使用方、臺(tái)站維護(hù)方三方溝通，決定改用太陽能直流供電。文章對(duì)改用太陽能供電系統(tǒng)后，儀器運(yùn)行及觀測(cè)資料連續(xù)率進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 防雷隔離供電系統(tǒng)

防雷隔離電源系統(tǒng)的供電系統(tǒng)由220 V交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)高絕緣皮帶，將電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能再轉(zhuǎn)換為電能，然后輸出12 V和5 V直流給分量式鉆孔應(yīng)變儀和光纖接收器供電，同時(shí)給蓄電池充電。停電時(shí)，由電瓶直接給設(shè)備供電。

自長(zhǎng)治臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)維以來，發(fā)現(xiàn)該供電系統(tǒng)存在較大的設(shè)計(jì)缺陷，統(tǒng)計(jì)故障原因(見表1)，發(fā)現(xiàn)防雷隔離電源的故障主要有：

(1) 防雷隔離電源系統(tǒng)內(nèi)的絕緣皮帶因老化使皮帶斷裂，引起供電電壓不穩(wěn)定或供電中斷[1]。

(2) 沁源臺(tái)交流電為農(nóng)電，電壓不穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大，防雷隔離電源電機(jī)會(huì)燒壞。

(3) 沁源臺(tái)停電較多，僅由一個(gè)12 V直流電瓶供電，由皮帶帶動(dòng)電機(jī)工作發(fā)電進(jìn)行轉(zhuǎn)換供電，電能損耗較大，供電時(shí)間有限，恢復(fù)供電，防雷隔離電源發(fā)電機(jī)功率無法給電瓶充電的同時(shí)保證數(shù)據(jù)采集器和光纖收發(fā)器[2]。

表1 2014年分量鉆孔應(yīng)變儀故障分析Table 1 Failure analysis of component boreholestrain gauge in 2014

2 太陽能供電系統(tǒng)

2.1 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)備功耗分析

沁源臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)負(fù)載包括光纖收發(fā)器、數(shù)據(jù)采集器、井下傳感器等，全部負(fù)載功率約為5 W，觀測(cè)系統(tǒng)24 h運(yùn)行，日均耗能約120 WH。根據(jù)電功率公式，計(jì)算出理論負(fù)載電流約為0.5 A。

2.1.2 蓄電池容量的計(jì)算與選取

蓄電池容量主要考慮最大連續(xù)無日照時(shí)間負(fù)載功耗，在沁源臺(tái)地區(qū)，為確保負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到充分的余量，假定最大連續(xù)無日照天數(shù)為8天。

蓄電池放電深度為防止蓄電池過充和過放，一般充電到90%左右，放電余留5%～20%左右，考慮到蓄電池容量周期性的降落和老化，通常選為0.7[3]。

計(jì)算蓄電池容量：

C=每日總耗電瓦時(shí)×最大連續(xù)無日照天數(shù)/蓄電池放電深度/蓄電池電壓=5 W×24 h×8 d/0.7/12 V=114.3 AH。

根據(jù)計(jì)算理論值得出，選取兩只12 V/100 AH蓄電池并聯(lián)成12 V/200 AH蓄電池組，可滿足工作需要。

2.1.3 太陽能供電系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)

太陽能電池板的作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用[4]。太陽能電池板容量設(shè)計(jì)主要考慮的因素有負(fù)載耗能量、功率轉(zhuǎn)化因子、當(dāng)?shù)仄骄照罩档取?/p>

(1) 蓄電池組充電效率Kc(0.98)。

(2) 太陽能蓄電池組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)K×(0.9)。

(3) 太陽電池方陣組合損耗系數(shù)KZ(0.96)。

(4) 控制器的轉(zhuǎn)換效率Kn(0.88)。

(5) 系統(tǒng)綜合效率=Kc×K×KZ×Kn×0.98×0.9×0.95×0.88×24(蓄電池電壓)/35(太陽能蓄電池組件壓)=50%。

(6) 取30°傾斜面峰值日照時(shí)數(shù)，平均日照時(shí)數(shù)Ht=1 580/365=4.3 h。

綜上，監(jiān)控設(shè)備日耗電量理論值為120 Wh，根據(jù)日照時(shí)數(shù)和系統(tǒng)效率計(jì)算出需要組件功率為120 Wh/4.3 h/0.5=55.8 W。

按計(jì)算結(jié)果，選用單塊200 W多晶體太陽能板即可滿足要求。

2.1.4 太陽能控制器選擇

太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對(duì)蓄電池充電，及蓄電池給太陽能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備[5]。太陽能控制器選用LB01系列PWM型，其最大的優(yōu)點(diǎn)是：采用IGBT模塊開關(guān)，內(nèi)阻更低、過載、過流、欠壓短路自動(dòng)保護(hù)、LCD圖形符號(hào)，簡(jiǎn)潔的按鍵操作，電池種類設(shè)置、8～72 V電壓自動(dòng)識(shí)別、可設(shè)置負(fù)載工作模式等。

對(duì)太陽能控制器的參數(shù)設(shè)置，截止充電電壓為13.5 V，低壓恢復(fù)電壓12 V，低壓保護(hù)電壓11.4 V，光控24 h，電池種類為鉛酸類蓄電池(見圖1)。

2.2 太陽能供電系統(tǒng)安裝

沁源臺(tái)太陽能板采用200 W多晶體硅太陽能板，放置于臺(tái)站屋頂正南方向，支架四角通過鋼絲與房屋四角連接，能夠承受4級(jí)以上風(fēng)力。太陽能板的傾角角度能較好接收太陽光輻射，沁源臺(tái)傾角采用屯留某公司的光伏發(fā)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目計(jì)算出的角度，即當(dāng)?shù)鼐暥?5°①長(zhǎng)治市屯能光伏發(fā)電科技有限公司.長(zhǎng)治屯留30 MW光伏發(fā)電項(xiàng)目可研報(bào)告，2011.。

太陽能供電整體方案如圖2所示。

圖1 太陽能控制器參數(shù)Fig.1 Parameters of solar controller

圖2 太陽能供電整體方案Fig.2 The overall scheme of solar power supply

2.3 太陽能供電系統(tǒng)運(yùn)行

2.3.1 太陽能板功率

沁源臺(tái)太陽能供電系統(tǒng)工作穩(wěn)定，選用200 W太陽能板，監(jiān)控發(fā)現(xiàn)太陽能板最大電流可達(dá)8.1 A，負(fù)載電流0.4 A，得出給蓄電池組充電電流達(dá)到7.7 A。經(jīng)測(cè)試，晴天時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)，蓄電池組可充滿電。

太陽能發(fā)電電流大于0.4 A時(shí)，發(fā)電電流—負(fù)載電流即為蓄電池組充電電流(見第55頁圖3)；小于0.4 A時(shí)，負(fù)載電流—發(fā)電電流即為蓄電池組放電電流。黑夜直接由蓄電池組給負(fù)載供電。選用200 W太陽能供電系統(tǒng)能滿足分量鉆孔應(yīng)變儀的供電要求。

2.3.2 負(fù)載功率

通過長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電流基本在0.4 A左右，負(fù)載電壓為12 V左右，功率約7.2 W，負(fù)載日耗電115.2 WH，與負(fù)載理論基本一致。

2.3.3 蓄電池供電

為檢驗(yàn)蓄電池供電時(shí)長(zhǎng)，切斷太陽能直流供電系統(tǒng)，通過太陽能控制器自帶監(jiān)控軟件，以小時(shí)為單位，記錄蓄電池電壓及負(fù)載電流變化。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)Fig.3 Monitoring system

第1天，蓄電池電壓13.0 V，電流0.4 A；第8天，蓄電池電壓11.5 V，電流0.5 A。八天期間，分量式鉆孔應(yīng)變儀和光纖收發(fā)器均工作正常，由此可知，太陽能供電系統(tǒng)在連續(xù)8天陰天的情況下仍能正常工作。

圖4 蓄電瓶供電輸出曲線Fig.4 Power supply output curve of storage battery

2.3.4 充電所需時(shí)間

晴天時(shí)，太陽能供電系統(tǒng)給蓄電池組充電，同時(shí)給負(fù)載供電。通過圖5可以看到，在6個(gè)小時(shí)內(nèi)蓄電池電壓從11.5 V升至13 V。

實(shí)際應(yīng)用中，太陽能供電系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，晚上，蓄電池電壓降低0.1～0.2 V(見表2)；白天，太陽能供電系統(tǒng)能夠快速給蓄電池充電，電壓達(dá)到13 V。

2.3.5 觀測(cè)資料

沁源臺(tái)采用太陽能供電系統(tǒng)后，分量式鉆孔應(yīng)變儀從未出現(xiàn)過供電故障，平均運(yùn)行率達(dá)100%。

圖5 太陽能供電系統(tǒng)給蓄電瓶充電曲線圖Fig.5 Charging curve of solar power supply system for storage battery

時(shí)間白天電壓變化/V消耗電壓變化/V2016-12-261312.82016-12-271312.92016-12-281312.9

表3 分量鉆孔應(yīng)變儀運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)Table 3 Operation rate of component borehole strain gauge

3 結(jié)語

沁源臺(tái)太陽能供電系統(tǒng)工作穩(wěn)定，解決了隔離電源故障頻繁的問題，提高儀器運(yùn)行率和數(shù)據(jù)連續(xù)率，同時(shí)降低雷擊概率，可推廣到其他監(jiān)測(cè)臺(tái)站。今后，將對(duì)供電系統(tǒng)改造前后一段時(shí)間內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行深入研究，驗(yàn)證供電系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

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