用于北斗設備的應急多電源自供電系統(tǒng)研究

劉紅旺，馬智杰，楊澤明，付勛波，王永超，鄂春良

（1.天津水科機電有限公司，天津 301900；2.中國水利水電科學研究院，北京 100089；3.北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司，北京 102200）

1 概述

智能水網的建設離不開各種類型傳感器、檢測和監(jiān)測儀器儀表持續(xù)、實時的工作，這些裝置都使用電能，持續(xù)供電是儀器設備能夠持續(xù)工作的基礎條件。在有電網的地區(qū)，可以采用電網供電，而智能水網覆蓋全國，因此在偏遠地區(qū)、無人區(qū)及其他沒有電網地區(qū)的水文、水質、大壩安全、堤防、滑坡、山洪等傳感器、檢測和監(jiān)測儀器儀表的持續(xù)供電問題，對智能水網的使用范圍和建設有深遠影響。而且因為網絡通訊信號不能覆蓋無人生活的水源區(qū)，通過北斗衛(wèi)星進行定位和數(shù)據(jù)實時傳輸是唯一的選擇，因此解決以上地區(qū)北斗數(shù)據(jù)傳輸設備的供電問題有利于智能水網的建設。

傳統(tǒng)的應急供電系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機組和蓄電池組組成，而現(xiàn)代應急供電主要有UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）不間斷電源和EPS（Emergency Power Supply）消防應急電源，工作原理類似，都是由整流充電器、蓄電池組、逆變器和系統(tǒng)控制器等組成。傳統(tǒng)的應急供電系統(tǒng)和現(xiàn)代應急供電都存在體積大、攜帶不便、消耗能源、智能化程度低、成本高等問題。太陽能光伏發(fā)電過程簡單，太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不歇，太陽能光伏產品的應用具有廣泛性，在諸多領域其應用均有高效性、經濟性與可持續(xù)性的特點?，F(xiàn)今市場上的光伏應急電源普遍傾向于光伏手機充電器及民用應急照明方向，用于北斗設備的應急多電源自供電系統(tǒng)的研究主要傾向于解決偏遠地區(qū)、無人區(qū)的檢測和監(jiān)測儀器儀表供電需求，及地震、洪水應急救災等地區(qū)應急設備的供電需求，還可解決以上地區(qū)北斗數(shù)據(jù)傳輸設備的供電問題。

2 供電系統(tǒng)組成

用于北斗設備的應急多電源自供電系統(tǒng)主要用于為北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)提供電能，其原理主要是市電、光伏發(fā)電組件、汽車點煙器、水力發(fā)電設備及風力發(fā)電組件產生的電能經充放電控制系統(tǒng)儲存到蓄電池中，可提供直流電源供直流負載使用，也可以經過逆變器轉換成交流電供交流負載使用，為保證實時傳輸?shù)目煽啃裕瑢嶋H應用中需要采用兩種及以上發(fā)電方式提供電能，見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

3 基于光伏發(fā)電技術的應急供電設備的設計

3.1 設計思路

太陽能作為目前最潔凈的能源，依托光伏發(fā)電技術設計一種高可靠性、可監(jiān)視性、免維護性、系統(tǒng)簡單、控制方便的便捷式應急光伏電源箱，并且具備EPS和UPS的某些功能。要求其可在市電或電源充足的地方進行儲存電能，也可在野外無市電的情況下，利用其他形式能量轉換成電能，蓄存高效；同時還增加汽車點煙器充電功能，高質量地滿足對時間切換要求高的重要設備，保證其安全可靠地為負載不間斷地輸出穩(wěn)定的電能。便捷式應急光伏電源箱內置傻瓜式輸入輸出裝置，能夠全方位輸入、多種方式輸出，無需安裝調試，簡單操作且方便快捷，能滿足各類傳感器、檢測設備、監(jiān)測儀器儀表和北斗數(shù)據(jù)傳輸設備的供電需求，和各種無電應急場景，如地震、洪水等救災用電，地質勘探野外應急電源和野外旅行用電源等。

3.2 設計要求

(1)箱體：需采用防水箱體，底部帶萬向移動滾輪（可固定），背部帶推拉桿、側面帶提手；箱體外置接口設防雨罩或其他防水措施。

(2)尺寸：高小于700 mm,長、寬小于500 mm。

(3)供電要求：自供電整流電壓DC 5～24 V，無充電情況下電池連續(xù)使用72 h。

(4)電池板要求：太陽能電池組件結構采用折疊或層疊式，易于攜帶最好可裝入箱中或另配箱包，并易于固定在砂石地面，與控制箱連接電纜5 m；功率不小于150 W。

(5)箱體外置接口：AC 220 V輸出插座1個，USB插座2個，市電AC 220 V充電插座（內配電池充電器）1個，汽車點煙器充電插座1個，光伏輸入插座1個，DC 12 V輸出插座1個，DC 24 V輸出插座1個，DC 36 V輸出插座1個，AC 220 V輸出插座1個。

(6)電池要求：容量不小于100 AH，采用磷酸鐵鋰電池或膠體蓄電池。

(7)控制要求：內部配有過充、過放保護裝置，具有過載保護、高溫保護、斷路保護等功能。箱體面板設運行指示燈、故障燈、電量顯示燈等；內部元器件安裝須緊固，滿足長途物流運輸要求。

4 便攜式應急光伏電源箱的研制

便攜式應急光伏電源箱分為2個部分，分別為拉桿供電箱和太陽能電池組件折疊包。拉桿供電箱主要包括箱體、控制面板、電池、各種控制器、電能輸出輸出接口等；太陽能電池組件折疊包主要包括太陽能電池組件、折疊包兩部分。

4.1 拉桿供電箱的設計

箱體整體設計含防水功能，帶伸縮拉桿和腳輪，方便攜帶運輸，見圖2所示。整個拉桿式供電箱采用框架結構設計，箱體拆卸方便，箱蓋邊緣處嵌有橡膠密封條，箱蓋扣合后將密封條加緊，起到防水作用。箱體正面設有帶鎖控制面板，面板上設有開關、光伏輸入接口、市電輸入接口、直流輸出接口、交流輸出接口、狀態(tài)指示燈等元器件。蓄電池固定在拉桿供電箱底部，用來儲藏電能。箱體內橫梁固定有升壓模塊、降壓模塊、逆變器和充放電控制器等元器件；其中逆變器是將直流電轉換為交流電的裝置，充放電控制器用來控制蓄電池充放電，兩者配合以供交流負載使用。箱體側面板和背面板設有通風散熱網，可起到散熱效果，防止設備過熱。拉桿供電箱后面板安裝加強可伸縮拉桿， 拉桿可上下伸縮，方便運輸；底部安裝萬向輪，萬向輪設有自鎖裝置，移動更加便捷；兩側配有手提拉手，當路面崎嶇時，方便兩人手抬通過，提高其野外運行能力。

圖2 拉桿供電箱外觀

4.2 太陽能電池組件折疊包的設計

將小功率的薄膜太陽能電池片按陣列鑲嵌在一塊耐用耐高溫纖維基布上，內部串聯(lián)/并聯(lián)達到設計功率的要求，將其制做成一塊“太陽光伏布”，見圖3所示。

圖3 太陽能電池組件折疊包樣式

太陽能電池組件折疊包在野外使用時可將其隨意展開在開闊之地，或者將其附著在墻面或戶外設備上，用專用插頭與控制電源箱連接并為其供電。不用時可將其折疊成公事包形式，以便野外攜行。為了減小整個組件體積，使支架部分內嵌折疊包內，不占用多余空間。

5 功能特點

便攜式應急光伏電源箱支持多種充電方式，多種輸出電源形式，具有以下功能特點：

（1）巨能量移動小電站，電池容量大；

（2）多種輸出，超廣兼容多種用電設備；

（3）同時供電多種設備，即插即用；

（4）充電方式多樣化，不受場景局限，可隨應用場景選擇充電方式；

（5）具備過溫保護、過放保護、過流保護、過載保護等功能；

（6）具備智能溫控散熱；

（7）裝備萬向輪、可伸縮拉桿、拉手，方便攜帶，適合戶外工作。

6 總結

太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不歇，其應用也隨之更加廣泛，特別是在邊遠山區(qū)和廣大的游牧區(qū)的應用，優(yōu)勢非常明顯，用戶對便攜 、耐用 、高效的獨立供電系統(tǒng)需求強烈。用于北斗設備的應急多電源自供電系統(tǒng)的研究，有利于智能水網的建設。而基于光伏發(fā)電技術研制的便攜式應急光伏電源箱具有高效、節(jié)能、功能全面的特點，能滿足各類傳感器、檢測設備、監(jiān)測儀器儀表和北斗數(shù)據(jù)傳輸設備的供電需求；并可廣泛應用于各種無電應急場景，如地震、洪水等救災用電源，地質勘探野外應急電源和野外旅行用電源等，為今后應急供電產品的研發(fā)提供借鑒與參考。