黑龍江省無人值守地震臺站利用太陽能結(jié)合風(fēng)力供電的研究

程 可，郭悅立，王 寧

（黑龍江地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

黑龍江省饒河縣隸屬黑龍江省雙鴨山市，位于黑龍江省東北邊陲，地理坐標(biāo)為北緯46°30′44″～47°34′26″，東經(jīng)133°07′26″～134°20′16″。饒河的地理位置介于北回歸線與北極圈之間，一年中太陽高度角的變化以及與之相關(guān)的各季節(jié)太陽輻射量的變化都較大。饒河冬至日7時37分日出，16時20分日落，正午太陽高度角為20°15，夏至日4時19分日出，19時53分日落，正午太陽高度角為67°45′。冬、夏兩季晝長時間相差懸殊，冬至日正午太陽高度不及夏至日的1/3。因此，在黑龍江省境內(nèi)進(jìn)行對無人值守臺站的供電設(shè)計需要包含經(jīng)過測算和多年太陽能安裝經(jīng)驗，黑龍江地區(qū)電池板的安裝角度一般在60°，一是為防止冬季積雪，二是為滿足冬季太陽夾角20°15'的需要，同時也要綜合夏季太陽的夾角規(guī)律，由于夏季光照時間長，色溫比較高，所以角度要向冬季傾斜以滿足冬季充電需要。

由于本項目在野外施工，離縣城有近20 km的路程，施工現(xiàn)場條件惡劣，水電都沒有，又是在山上，交通條件很差而且不通車，施工難度和費(fèi)用高，6 m高度的支架需要搭建高空作業(yè)平臺，又因為安裝基礎(chǔ)為巖石，需混凝土澆筑30 t底座基礎(chǔ)，所有設(shè)備工具及沙石、水泥、水、管材等材料均需人力走2 km運(yùn)到山上，人工和運(yùn)輸成本將成倍高于其他土建項目。

1 發(fā)電控制系統(tǒng)控制器構(gòu)成和風(fēng)電互補(bǔ)設(shè)計思路

此次項目所采用的核心控制部分為跟蹤太陽能最大功率控制器[1]的TriStar MPPT，Morningstar的TrakStar所具備的專利跟蹤技術(shù)又一次成功地應(yīng)用于其典型通用的光伏控制器——TriStar上，最新推出的TriStar MPPT太陽能充電控制器，能夠在功率為3 kW的光伏供電系統(tǒng)中給現(xiàn)場備用蓄電池充電使用，最高峰值電壓效率可達(dá)到99%，相比以往其他AGPT，MPPT類型充電控制器，在功率的損失上KEYI可降到最小。在光伏控制器的內(nèi)部帶有一個非常靈敏的跟蹤計算裝置，此裝置實時按照內(nèi)部固化的計算方法，通過快速瀏覽光伏陣列的IV曲線找到光伏陣列的最大功率點輸出最大值。同時，這款產(chǎn)品是光伏控制器中的第一款能夠進(jìn)行全面的網(wǎng)絡(luò)操作的控制器,并且可以保存并記錄長達(dá)200 d的來自光伏陣列的采集數(shù)據(jù)，其具有以下優(yōu)點：

1.1 最大限度地提高能源轉(zhuǎn)換

龍炎公司擁有專利技術(shù)TrakStar MPPT，它能夠使得其最大功率跟蹤控制器比其他的MPPT控制器能更好的識別器件光伏陣列的峰值最大功率點，并且非常迅速地瀏覽整個器件間的IV曲線，在遮影或混合方陣時也可識別多個功率采樣點，即使在太陽光被遮擋和日照不充足的情況下也能夠發(fā)揮最佳的能源轉(zhuǎn)換表現(xiàn)。

1.2 極端可靠性強(qiáng)

控制器內(nèi)部為了避免溫度過高進(jìn)行了強(qiáng)大的散熱片設(shè)計，而且設(shè)備內(nèi)部取消風(fēng)扇制冷，從而增強(qiáng)了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時并聯(lián)的輔助電路設(shè)計能夠保護(hù)和延長控制器核心電子元件的使用壽命，并且內(nèi)部無機(jī)械性質(zhì)的繼電器和全面的電子保護(hù)措施，這里主要包括光伏陣列的漏電短路保護(hù)。內(nèi)部硬件全部采用環(huán)氧樹脂封裝電路和涂層印刷電路板。

1.3 輸出效率高

利用本身獲得專利的獨特算法為基礎(chǔ)，完成能夠輸出99%的峰值效率，從而最大限度的減少自身功率損耗以達(dá)到非常低的自耗。在現(xiàn)場溫度高達(dá)45℃時也能持續(xù)地全功率工作，無需降低額定功率，其中經(jīng)過精心挑選的高性能電子元器件也能夠減少因為設(shè)備發(fā)熱而帶來的輸出效率的損失。

1.4 全面開放的網(wǎng)絡(luò)和通信功能

通過目前通信領(lǐng)域開放式的通用MODBUS通信協(xié)議和自身配置的可觀察軟件可以對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，采集數(shù)據(jù)錄入和現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置。也可以通過Meterbus協(xié)議實現(xiàn)與Morningstar其他同類產(chǎn)品之間的兼容和通信，設(shè)備采用RS232串口與計算機(jī)直接相連，接口采用485通道實現(xiàn)多個同類產(chǎn)品設(shè)備之間的通信，控制器也可利用以太網(wǎng)口通過外網(wǎng)Web瀏覽器或者發(fā)送E-mail或短信的形式來從局域網(wǎng)或者internet網(wǎng)觀察數(shù)值狀態(tài)和傳輸報警信息。

1.5 觀測儀表和實時數(shù)據(jù)錄入

采用配套可選的Trista儀表和遠(yuǎn)程監(jiān)控儀表能夠提供詳細(xì)的工作數(shù)據(jù)，警報、故障信息和狀態(tài)，3個LED數(shù)碼管燈顯示系統(tǒng)實時狀態(tài)。數(shù)據(jù)記錄長達(dá)200 d左右。主機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

TS-MPPT-45和TS-MPPT-60蓄電池最大供電電流：分別為45 A和60 A。

最大光電池輸入額定的電壓為12 V時功率為600 W、800 W，電壓為24 V時功率為1 200 W、1 600 W，電壓為48 V時功率為2 400 W、3 200 W。

最高峰值效率為99%。

產(chǎn)生額定的系統(tǒng)電壓：12 V，24 V，36 V或48 V直流。

產(chǎn)生最大的光電池開路電壓：150 V。

連接蓄電池工作電壓范圍：8～72 V。

設(shè)備最大自耗2.7 W。

器件瞬間浪涌保護(hù)：4 500 W/每通道。

在電子保護(hù)方面：

電池板部分：具有防過載、短路、高壓功能。

蓄電池部分：具有防高壓、高溫、雷擊和浪涌以及夜間電流反向流動功能。

蓄電池充電過程具有4級充電方式：快速充電方式、吸收充電方式、浮充方式和均衡充電方式。

溫度補(bǔ)償系數(shù)：-5 mV/℃/cell（25℃參考）。

適用溫度范圍：-30℃～+80℃。設(shè)置點吸收，浮充，均衡，高壓。

備注：內(nèi)部附有遠(yuǎn)程溫度傳感器。

現(xiàn)場使用環(huán)境：現(xiàn)場環(huán)境溫度：-40℃～+45℃，現(xiàn)場儲存溫度：-55℃～+100℃。100%無凝結(jié)。

適應(yīng)熱帶氣候條件：環(huán)氧封裝、涂層電路板和海洋額定端子。設(shè)備安裝在室內(nèi)通風(fēng)處為宜。

整個供電系統(tǒng)的電氣設(shè)計思路：12塊太陽能電池板采用每4塊串聯(lián)作為1組，然后分為3組并聯(lián)作為輸入通道接入避雷裝置的輸入端，避雷裝置的輸出端在和太陽能控制器的輸入端通道的端子相連接，同時風(fēng)力發(fā)電的輸出也接入控制器專門為風(fēng)力輸入的專用通道，這樣供電系統(tǒng)的輸入部分就連接完畢。控制器的輸出和電瓶相連接對電瓶充電，具體參數(shù)設(shè)置要根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)定。電瓶輸出線接入專用監(jiān)控設(shè)備用來遠(yuǎn)程針對現(xiàn)場環(huán)境中的一項進(jìn)行監(jiān)控，最后輸出12 V電源對現(xiàn)場用電設(shè)備供電。

2 室外電池板的選擇、安裝及其基礎(chǔ)建設(shè)

由于此次供電系統(tǒng)的施工安裝地點處于黑龍江省饒河地區(qū)無人值守的地震臺站，臺站位于山區(qū)日照時間較市區(qū)短，另外施工位置處于山谷當(dāng)中，周圍又有樹木遮擋，因此對太陽能板和安裝平臺的建設(shè)都有一定的要求。

項目使用的太陽能電池板是采用碲化鎘[2]薄膜制成，因為碲化鎘是一種高吸收性質(zhì)的化合物半導(dǎo)體，半導(dǎo)體特性是硅的100倍，其中的能隙寬度對于光電轉(zhuǎn)換最為適合，此種結(jié)論是多方論證的結(jié)果。鑒于臺站對于供電的特殊要求，定制的這種薄膜太陽能電池溫度系數(shù)小，弱光效果及穩(wěn)定性好、能量回收時間短、安全環(huán)保。

太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安裝在一個鋼結(jié)構(gòu)制成的平臺上，使用角鋼做成的支架將太陽能板與平臺底座利用螺絲緊緊固定。支架的坡度可調(diào)整到能夠讓太陽能電池板保持傾斜60°左右，平臺周圍使用不銹鋼管做成圍欄，在圍欄角落用立柱安裝風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。

平臺支撐立柱采用直徑為120 cm粗的鋼管支撐，表面鍍鋅。底座與混凝土預(yù)埋件用錨栓連接在一起，做到牢固耐用，按照避雷要求以及規(guī)范將接地扁鋼與地網(wǎng)焊接。地面采用混凝土澆筑埋深1 m左右使其達(dá)到抗震標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

在黑龍江省北部山區(qū)的無人值守臺站為設(shè)備供電一直是困擾項目建設(shè)的重要問題，每次采用市電供電就會出現(xiàn)征地、線路建設(shè)、維護(hù)等一系列困難以致延誤工期，如果采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)就會很好地解決這個問題，按照以上研究思路通過在黑龍江省饒河地震臺具體施工應(yīng)用可以證明本設(shè)計完全能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行供電，如果在無人值守臺站增加大功率設(shè)備時，需要相應(yīng)增加太陽能電池板和較大容量電瓶才能滿足現(xiàn)場需要。

問題：（1）由于無人值守地震臺站地處偏僻并且多為山地，地面多為巖石構(gòu)成，因條件所限對電纜的預(yù)埋造成困難，在沒有辦法的情況下只能采用立桿懸空架線。如果臺站處于雷災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)容易引起雷擊造成避雷設(shè)備損壞，嚴(yán)重時還會損毀現(xiàn)場設(shè)備，因此對避雷的要求和等級有著較高的要求。

（2）山區(qū)在8月屬于雨季頻發(fā)期，在此期間陽光照射時間短，而且在風(fēng)力較弱的情況下會對發(fā)電、供電有影響。但目前就饒河地震臺站現(xiàn)有的低功率設(shè)備運(yùn)行情況來看一切正常，沒有發(fā)生電源故障。