偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站光伏供電系統(tǒng)容量配置研究

唐 浩，白曉川，李鴻庭，常 明，馬 瑞

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，地震監(jiān)測(cè)工作有了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的實(shí)施，在全國(guó)范圍內(nèi)將建設(shè)一大批地震觀測(cè)臺(tái)站。臺(tái)站的建設(shè)將為地震監(jiān)測(cè)工作提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為地震預(yù)警和烈度速報(bào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。保證臺(tái)站儀器設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行顯得至關(guān)重要，而保障臺(tái)站供電的持續(xù)可靠是關(guān)鍵。太陽(yáng)能光伏供電有效的解決了偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站市電供給困難，供電成本高昂等問題；但是由于太陽(yáng)能的間歇性、隨機(jī)性、不確定性使得供電的持續(xù)性和可靠性難以得到保障[1]。合理配置偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站中光伏電池板和蓄電池的容量可有效的提高供電的可靠性和穩(wěn)定性，保證地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)連續(xù)。

目前，針對(duì)獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)的容量配置已有了較為深入的研究，針對(duì)地震臺(tái)站供電系統(tǒng)的研究也有一些，但是針對(duì)地震臺(tái)站光伏供電容量配置的研究還比較少[2-4]。在實(shí)際應(yīng)用中存在光伏電池板容量和蓄電池容量配置不合理，造成陰雨天斷電，蓄電池過速老化等問題?；诖?，本文對(duì)偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站光伏供電容量配置進(jìn)行研究，考慮臺(tái)站儀器功耗，當(dāng)?shù)氐娜照諚l件以及蓄電池的充放電特性等，搭建蓄電池和光伏電池板容量配置模型，給出計(jì)算公式，通過實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證容量配置模型的實(shí)用性。

1 偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站供電模型

偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站往往建在人煙稀少的山區(qū)中，受人為活動(dòng)干擾小，具有地動(dòng)背景噪聲低，記錄地震清晰等優(yōu)點(diǎn)，為分析地震波提供了優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)波形。但是正因?yàn)槠淦h(yuǎn)也存在供電困難，供電成本高昂等缺點(diǎn)。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟，運(yùn)用光伏供電有效的解決了偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站供電困難的問題。

偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站供電系統(tǒng)主要由光伏電池板，蓄電池組和用電設(shè)備組成。其供電系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站供電模型Fig.1 Power supply model of faraway seismic station

2 偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站供電容量配置

2.1 負(fù)載

地震臺(tái)站用電設(shè)備主要以測(cè)震設(shè)備和通訊設(shè)備為主，直流12V 供電，具有功耗低，工作電流穩(wěn)定等特點(diǎn)。記測(cè)震設(shè)備的負(fù)載功率為Pz，通訊設(shè)備負(fù)載功率為Pt，則總負(fù)載功率P 為：

偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站一般都為無人值守臺(tái)站，這里不考慮照明負(fù)載。

2.2 光伏電池板

光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。其輸出功率主要受光照強(qiáng)度和溫度的影響。其功率輸出的簡(jiǎn)化模型如式（2） 所示[5]。

式中：G 為光照強(qiáng)度，G0為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下的光照強(qiáng)度；t 為環(huán)境溫度，t0為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下的環(huán)境溫度；K 為溫度系數(shù)；P 為額定電壓。

圖2 給出了標(biāo)況下光伏電池板的伏安特性曲線[5]。

圖2 標(biāo)況下光伏電池板的P-V 曲線Fig.2 P-V curve of photovoltaic panel under standard conditions

2.3 蓄電池

臺(tái)站一般使用鉛酸電池，主要關(guān)注蓄電池的輸出電壓和容量。蓄電池的容量表征蓄電池儲(chǔ)存電能的能力大小，用安時(shí)容量（A·h） 或瓦時(shí)容量（W·h） 表征。

安時(shí)容量=放電時(shí)間×放電電流；

瓦時(shí)容量=安時(shí)容量×平均放電電壓；

蓄電池放電過程中受放電深度和蓄電池自身荷電狀態(tài)等因素的影響，一般蓄電池的放電深度最大為90%，為了避免過放影響蓄電池的使用壽命，一般放電深度為30%～80%。蓄電池的荷電狀態(tài)是蓄電池充放電的重要約束指標(biāo)[5-6]。

蓄電池放電時(shí)，t 時(shí)刻的荷電狀態(tài)為：

蓄電池充電時(shí)，t 時(shí)刻的荷電狀態(tài)為：

式中：η 為實(shí)蓄電池的自放電率，ηc為充電效率，ηf為放電效率，Pc（t）為充電功率，Pf（t）為放電功率，E 為額定容量，Δt 取1h。

蓄電池放電時(shí)的功率輸出模型可表示為[5]：

2.4 容量配置

偏遠(yuǎn)地區(qū)地震臺(tái)站供電系統(tǒng)容量配置主要分為兩部分：蓄電池容量配置和光伏電池板容量配置。蓄電池容量配置是在考慮蓄電池放電深度，負(fù)荷缺電率等約束條件下以滿足負(fù)載連續(xù)運(yùn)行為目標(biāo)；光伏電池板容量配置是在考慮光伏電池板的輸出效率，當(dāng)?shù)氐墓庹諚l件等約束條件下以滿足負(fù)荷用電和蓄電池充電為目標(biāo)。

2.4.1 蓄電池容量配置

容量配置以保證負(fù)載連續(xù)可靠運(yùn)行為目標(biāo)，即負(fù)載缺電率為零。負(fù)載缺電率指一定時(shí)間內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)不能滿足負(fù)荷功率需求的概率用flpsp表示[6-7]。

蓄電池容量配置首先要滿足負(fù)載連續(xù)可靠運(yùn)行，其次應(yīng)根據(jù)負(fù)載大小合理配置蓄電池容量，蓄電池容量配置過小難以保證負(fù)載連續(xù)可靠運(yùn)行，容量配置過大會(huì)增加投入成本，加速蓄電池老化。因?yàn)楣夥姵匕骞╇娛苋照諘r(shí)間、氣象條件等因素影響較大，所以在容量配置過程中要充分考慮這些因素。另外，由于蓄電池充放電過程中受放電深度，荷電狀態(tài)，自放電率等因素的影響，所以在容量配置過程中也應(yīng)充分考慮這些因素的影響。

蓄電池容量用安時(shí)容量（A·h） 表示，用蓄電池放電電流乘以工作時(shí)間即可得到它的容量大小?？紤]到連續(xù)陰雨天氣情況，蓄電池充電電流為零，需連續(xù)放電，所以蓄電池放電時(shí)間應(yīng)為最大陰雨天數(shù)乘以24 小時(shí)。另外，考慮蓄電池的放電深度，自放電率和放電效率即可得到蓄電池容量配置的計(jì)算公式為：

得到蓄電池的安時(shí)容量QAh后乘以額定工作電壓即可得到蓄電池的瓦時(shí)容量QWh，即：

式中，QAh為蓄電池的安時(shí)容量，QWh為蓄電池的瓦時(shí)容量，U 為蓄電池工作電壓，I 為蓄電池工作電流，T 取24h，d 為最大陰雨天數(shù)，α 為放電深度，η 為自放電率，φ 為放電效率。

2.4.2 光伏電池板容量配置

確定了蓄電池容量后，需要合理配置光伏電池板的容量，光伏電池板的容量過小會(huì)導(dǎo)致蓄電池浮充，難以保證蓄電池在夜間和陰雨天連續(xù)可靠供電；光伏電池板容量過大會(huì)增加設(shè)備成本，造成資源的浪費(fèi)。

光伏電池板工作時(shí)間段需要能夠在保證設(shè)備用電的基礎(chǔ)上給蓄電池充電。光伏電池板的輸出功率受溫度和光照強(qiáng)度等因素的影響，所以在配置光伏電池板容量時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐臏囟群凸庹諒?qiáng)度。由于地震臺(tái)站設(shè)備需要保證其連續(xù)可靠運(yùn)行，所以溫度取該地區(qū)近五年來的最低日平均氣溫。光伏電池板容量大小應(yīng)滿足在有效發(fā)電時(shí)間內(nèi)發(fā)電量滿足負(fù)載消耗電量和給蓄電池組充電的電量[2，8]。光伏電池板容量配置計(jì)算公式為:

式中，Ul為負(fù)載工作電壓；Il為負(fù)載工作電流；Tl為負(fù)載工作時(shí)間；B 為容量系數(shù)；容量系數(shù)的選取與電池板的冗余量成正比；β 為總的損耗因子。

式中，β1為光伏電池板系統(tǒng)損耗因子，β2為溫度損耗因子，β3為光照強(qiáng)度損耗因子，β4為充放電損耗因子。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)例一

以寧夏牛首山測(cè)震臺(tái)站為例對(duì)容量進(jìn)行配置。牛首山測(cè)震臺(tái)位于青銅峽市，地處偏僻，四周開闊無遮擋，適宜架設(shè)太陽(yáng)能供電。牛首山測(cè)震臺(tái)負(fù)載主要有測(cè)震設(shè)備、強(qiáng)震設(shè)備和通訊設(shè)備。負(fù)載1 為測(cè)震設(shè)備，負(fù)載2 為通訊設(shè)備，負(fù)載3 為強(qiáng)震設(shè)備。圖3 為一天內(nèi)牛首山測(cè)震臺(tái)供電電壓的變化曲線圖，圖4 為一天內(nèi)牛首山測(cè)震臺(tái)供電電流的變化曲線圖。

圖3 牛首山測(cè)震臺(tái)供電電壓的變化曲線圖Fig.3 Variation curve of power supply voltage of Niushoushan Seismic Station

圖4 牛首山測(cè)震臺(tái)供電電流的變化曲線圖Fig. 4 Change curve of power supply current of Niushoushan Seismic Station

由圖3 可以看出，早上7 點(diǎn)后供電電壓隨著時(shí)間逐漸升高，在15 點(diǎn)之后隨著時(shí)間供電電壓下降，到18 點(diǎn)后電壓穩(wěn)定在12.4V 左右。變化規(guī)律符合光伏電池板供電規(guī)律，早上7 點(diǎn)后隨著太陽(yáng)升高，氣溫上升，光伏電池板開始發(fā)電，系統(tǒng)供電由光伏電池板提供，供電電壓隨之上升；下午15 點(diǎn)之后隨著太陽(yáng)西落，氣溫降低，光伏電池板供電電壓下降。夜間18 點(diǎn)到次日早上7 點(diǎn)，光伏電池板不工作，系統(tǒng)供電由蓄電池提供，電壓維持在蓄電池的額定輸出電壓。由圖4 可以看出，白天隨著供電電壓的升高，供電電流會(huì)隨之減小，夜間供電電流趨于額定值。由此可以看出地震臺(tái)站負(fù)載設(shè)備工作穩(wěn)定，功耗穩(wěn)定。

根據(jù)式（7）計(jì)算蓄電池的配置容量，I 取平均日平均工作電流，查閱歷史氣象數(shù)據(jù)連續(xù)陰雨天數(shù)d 取6 天，放電深度α 取80%，自放電率η 取5%，放電效率φ 取80%。計(jì)算得到蓄電池的安時(shí)容量為339Ah，計(jì)算得到蓄電池的安時(shí)容量后，可根據(jù)式（8）計(jì)算得到蓄電池的瓦時(shí)容量。

根據(jù)式（9）計(jì)算光伏電池板容量Qg，光伏電池板在有效工作時(shí)間內(nèi)既要滿足負(fù)載用電量也要給蓄電池充電。蓄電池充滿電時(shí)間可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件進(jìn)行設(shè)定，若當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天較少，充滿電時(shí)間可設(shè)定較長(zhǎng)，如果當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天較多，則充滿電時(shí)間應(yīng)設(shè)定較短。牛首山地區(qū)連續(xù)陰雨天較少，設(shè)定蓄電池充滿時(shí)間為3 天，則T1為3×24h，由圖1 可以看出光伏電池板一天內(nèi)有效工作時(shí)間為8h，則Tg為3×8h。B 取 1.1，β1取 0.95，β2取 0.9，β3取 0.9，β4取0.95。計(jì)算得到光伏電池板容量為331W。

3.2 實(shí)例二

以寧夏磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)站為例對(duì)容量進(jìn)行配置。磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)位于靈武市磁窯堡鎮(zhèn)。磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)負(fù)載主要有強(qiáng)震設(shè)備和通訊設(shè)備。負(fù)載1 為強(qiáng)震設(shè)備，負(fù)載2 為通訊設(shè)備。圖5 為一天內(nèi)磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)供電電壓的變化曲線圖，圖6 為一天內(nèi)磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)負(fù)載電流的變化曲線圖。

圖5 磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)供電電壓的變化曲線圖Fig. 5 Variation curve of power supply voltage of Ciyaobao strong seismic station

圖6 磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)供電電流的變化曲線圖Fig. 6 Variation curve of power supply current of Ciyaobao strong seismic station

由圖5、6 可以看出，磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)供電電壓和電流變化趨勢(shì)與牛首山測(cè)震臺(tái)供電電壓和電流變化趨勢(shì)相類似。從充電到放電符合光伏供電系統(tǒng)工作規(guī)律。根據(jù)式（7）計(jì)算磁窯堡蓄電池的配置容量，I 取1A，連續(xù)陰雨天數(shù)d 為3天，放電深度α 取80%，自放電率η 取5%，放電效率φ 取80%，計(jì)算得磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)蓄電池容量為118Ah。根據(jù)式（9）計(jì)算光伏電池板容量 Qg，B 取 1.1，β1取 0.95，β2取 0.9，β3取0.9，β4取0.95；計(jì)算得到磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)光伏電池板容量為146W。

實(shí)例計(jì)算結(jié)果如表1 所示。表1 給出了牛首山測(cè)震臺(tái)和磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)蓄電池和光伏電池板容量的計(jì)算結(jié)果。

表1 容量配置計(jì)算結(jié)果

實(shí)際應(yīng)用中牛首山測(cè)震臺(tái)可以選用4 塊100Ah 的蓄電池和兩塊額定輸出功率為180W 的光伏電池板分別并聯(lián)組成供電系統(tǒng)；磁窯堡強(qiáng)震臺(tái)可以選用一塊120Ah 的蓄電池和一塊額定輸出功率為180W 的光伏電池板組成供電系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)為在偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)地震觀測(cè)臺(tái)站提供了有力的供電保障。根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜照諚l件，負(fù)載的用電特性等合理配置光伏電池板和蓄電池容量不僅可以為地震觀測(cè)設(shè)備提供連續(xù)穩(wěn)定的電源，還可以提高設(shè)備使用率，增加設(shè)備使用的壽命，節(jié)約成本。隨著國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的實(shí)施，為今后在偏遠(yuǎn)地震臺(tái)站架設(shè)供電設(shè)備提供容量計(jì)算參考模型。