太阳能蓄电匹配效率研究在业务化运行浮标上的应用

吴文彬，隋洪波，周辉云，曹丹丹

（1.国家海洋局东海预报中心，上海 200135；2.国家海洋局海洋赤潮灾害立体监测技术及应用重点实验室，上海 200137）

太阳能蓄电匹配效率研究在业务化运行浮标上的应用

吴文彬1,2，隋洪波1,2，周辉云1,2，曹丹丹1,2

（1.国家海洋局东海预报中心，上海 200135；2.国家海洋局海洋赤潮灾害立体监测技术及应用重点实验室，上海 200137）

通过对集成系统工况、电理、光伏转化再生能力源的研究，进一步优化系统匹配能力，这对于目前海上长期化无人值守移动平台是具有重要意义。海上移动平台的运行过程中，固态直流输出设备是核心部件。若其契合能力不良，将影响其所支撑的观测系统的电流环境，产生欠压、过载等不良工况，进而影响观测平台的整体性能、影响设备使用效率和工作寿命，同时也会大大增加其维护成本。以3m标为例，基于SYMONS经典假设所提出控制策略，尝试梳理了各部件使用功耗并进行简化计算。文中研究结果便于为现有平台快速加载传感器，或为提高采集器收集与传输频率提供后续支持，以及提供业务化、可量化分析的计算模型。

浮标；蓄电池；太阳能；功耗

20世纪80年代以来，海洋观测呈现出“多要素、立体化、实时化、智能化、高频次”的发展趋势，特别是近十几年来我国各类浮标的数量已由个位数发展到近百位数。由此，对浮标系统供电的合理配置提出了前所未有的要求。

自2011年以来，锚系浮标海上观测手段的应用，在中国已经越来频繁。但由于海上移动平台工作环境的限制，对其维护的难度一直很高。为了提高平台的使用效率，须降低二次维护成本，提高可量化的数据依托。

1 电源分配

本文以3 m多参数浮标为研究对象，重点关注浮标长期不间断充放过程中，电源供给系统的生态环境。目前，在东海区布放的浮标主要的监测要素有：风速、风向、气温、湿度、气压、波浪等参数。表1给出了本文浮标一些关键部件的功耗情况。各要素传感器连续工况时工作电流以及电压较为稳定，远小于设备的启动值，而在真实情况下,传感器并非24 h连续工作，为了充分保证海洋工作的电量，本文研究时取各负载的单次启动峰值数据用以计算，以提高系统的安全性能。

CDMA模块为在线式传输，因此在计算其功耗的时候需要加上30%的余量估算。北斗传输每个数据包长度为76字节，在海上实验时发现其瞬时电流电压和当地的信号环境有关，一般延迟速率较大的情况下北斗通讯发送数据需要消耗更多的功，在极端天气下它可能造成系统不必要的深度放电。以下给出3 m标工作的功耗计算。

总功耗计算:

系统功率0.54 A×12 V=6.48W，以上给出的是系统的理论最低功耗，而在实际的应用中，通讯系统在信号环境不佳的情况下会出现余量损耗现象。本文取值最高1.2的线损作为损耗功率，得出本系统的基本功耗为13W。本系统的电源供给部分由实际情况给出4 800 AH，理论上的计算可以得到4 800 AH×12 V×0.8/13W=3 545 H，其中0.8为该电池的放电效率。由此处给出实际工作小时数。

真实工作状况来看，实际测得系统工作电压为13.13 V，该电压数值是由每一节蓄电池的出厂体质决定，在实际工况中与浮充电压和浮充电流有关。

表1 3m参数浮标功耗状况一栏表

2 影响VRLA蓄电池使用寿命的各种因素及解决办法

2.1 浮充电压

浮充电压（系统工作时的实际充电电压）与板栅材料有关，在普通防酸蓄电池中，板栅含有锑，锑透过隔板转移到负极时，使负极过电位降低，所以浮充电压选为2.15～2.18 V/只[7]。由于锑对负极的污染程度在一组电池中并不是相对均匀的，所以会引起单体电池浮充电压的偏差，其偏差值约为0.05～0.06 V[8]。然而VRLA蓄电池的板栅主要由多元PbCa合金组成，板栅中锑含量极小，因而不存在锑对负极的污染问题，因此浮电电压一般选为2.23～2.28 V/只[7]，浮充电压的偏差大约为0.01 V/只。浮充电压的大小对VRLA蓄电池寿命具有很大影响，这是由于VRLA蓄电池负极的极化作用，浮充电压反映的主要是正极极化作用，就是VRLA蓄电池的正极比富液电池的正极使用条件恶劣，在相同的浮充电压条件下，正极腐蚀程度加大，这意味着蓄电池中水转移。因此，对VRLA蓄电池浮充电压的选取，应选用厂家推荐的浮充电压低限值。另外，在同样的浮充电压情况下，温度条件对VRLA蓄电池的使用寿命也具有很大的影响。图1反映了VRLA蓄电池的寿命与浮充电压的关系，当浮充电压为2.30 V时，VRLA蓄电池寿命为10.1 a；当浮充电压为2.40 V时，VRLA蓄电池寿命只有7.8 a。在同样的环境温度条件下，虽然浮充电压只差0.1 V，但VRLA蓄电池寿命却差2.3 a[10]。

实际使用情况表明，在夏季海上使用的温度条件下，当浮充电压达到平均每个单体为2.29 V时，5 a后将使用VRLA蓄电池正极板栅发生严重腐蚀并伸长变形。由上述分析可见：采用低限浮充电压（2.23 V）和降低环境温度是提高VRLA蓄电池使用的有效方法。

图1 VRLA蓄电池浮充寿命与浮充电压和温度的关系曲线

图2 VRLA蓄电池使用寿命与温度补偿关系曲线

2.2 环境温度

从图1可以清晰地看到温度对VRLA蓄电池使用寿命的影响。例如，在浮充电压为2.30 V，环境温度为26℃[7-9]时，VRLA蓄电池寿命为11 a；环境温度为56℃时，VRLA蓄电池寿命只有5 a。因此，在VRLA蓄电池工作时，应使环境温度保持在25℃左右为佳。由于在实际情况下，没有合适温度，因此建议采用带有自动温度补偿功能的整流器。0～50℃的温度补偿是线性的，在规定零补偿的温度（如25℃）基础上，温度每升高一个单位，浮充电压补偿系数为3～3.6mV，即温度每升高一个单位，浮充电压降低3～3.6mV，反之亦然。温度补偿系数与蓄电池的制造情况有关，不同制造商补偿值略有差异。图2为VRLA蓄电池理想使用寿命规定为20 a的比值百分数对温度补偿的关系。从图2可以看出温度补偿的好处，但环境温度较高（>35℃）时，缩短VRLA蓄电池寿命的程度仍然很严重。所以延长VRLA蓄电池使用寿命最有效的方式是减低浮充电压和环境温度（图1）。

在充电设备上没有温度补偿装置的情况下，蓄电池温度增加，将引起过充电流增加。表2给出了某厂VRLA蓄电池（100 AH，密度为1.27 g/cm3）的浮充电流与温度及浮充电压的关系。从表2可以看出：100 AH在2.3 V浮充电压条件下，25℃时浮充电流为70mA；45℃时浮充电流为300mA；65℃时浮充电流为1 500mA。大约温度每增加10℃，浮充电流加倍。

表2 VRLA蓄电池浮充电流与温度、电压的关系

3 实际应用

太阳能电池板是太阳能供电系统中的核心部件。太阳能电池板的质量直接决定整个系统的好坏。海洋仪器通常工作在湿度大、盐度高的强腐蚀环境下，浮标上安装的太阳能电池板还会被海水溅上，故要求对太阳能电池板引线处理要格外注意，引线端子焊接牢固后最好灌注防水胶，浮标上的太阳能电池板引出线可选择使用水密电缆以防止海水通过电缆表皮渗入。

根据系统布放位置，由图3可以确定安置的年总辐射量，由式（1）可将年总辐射量（MJ/m2）换算为峰值日照数[1-3]。表3和图3中各分界的年总辐射量与峰值日照时数的对应表。

表3 年总辐射量与日平均峰值日照时数对应关系表

3.1 计算太阳能电池的功率

根据式（2）[3]计算需要配置的太阳能电池板的功率，算式中“用电功率”为负载设备的平均用电功率；用电时间为负载在一天中运行的小时数，如全天运行则为24 h；当地峰值日照时数为安装位置的峰值日照时数；损耗系统是由组合、衰减、灰尘、充电效率等引起的损耗在1.6～2.0之间，为安全起见本文配置成2.0。

3.2 计算电池容量

蓄电池的容量与安装位置的最长阴雨天数有关，可根据表4来选择安装位置的最长阴雨天数，最好能咨询当地用户来确定最长阴雨天数。根据式（3）计算蓄电池的容量。算式中用电功率和用电时间同上文所述；系统电压为负载工作电压，海洋仪器中常用12 V；安全系数在1.4～1.8之间，为了规避意外阴雨给设备造成影响，充分保证电池的充电效率，本文取1.8。

图3 中国全年太阳总辐射图

表4 我国太阳能资源区域划分

3.3 计算蓄电池耗尽后再次充满需要增加的太阳能电池功率

在两次连续阴雨天之间的间隔天数内，太阳能电池板不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。

需要的总太阳能电池板的功率为式（2）中确定的太阳能电池功率A与式（5）中确定的太阳能电池功率B之和。

3.4 太阳能电池板的安装角度

太阳能电池朝向正南，可根据表5确定太阳能电池板与水平面的安装角度；对海洋浮标，由于浮标处于晃动与旋转状态，太阳能电池板通常环绕浮标安装一圈，电池板与水平面的夹角可采用与陆地相同的安装角度，也可水平安装。

表5 我国部分主要城市太阳能电池板安装角度

3.5 浮标实际应用

根据前面章节的计算，3 m标系统平均功耗为13W，实际工作电压13.13 V，布放在佘山岛屿以西南方向24 h连续工作，通过图3可知布放位置的年总辐射量在4 500～5 000 MJ/m2，取下限值4 500 MJ/m2，根据表3可知布放位置的日平均峰值日照时数为3.02 h；根据式（2）计算太阳能电池功率A，损耗系数取为2.0。

由表4可知布放位置的最长阴雨天数为5 d，留有余量取7 d；根据式（3）计算蓄电池容量，系统安全系数为2.0。目前，选用的12 V 40 Ah的蓄电池4块，共

160 Ah；设两次最长阴雨天的间隔为20 d，因蓄电池的放电深度达不到100%，所以需要补足的安时数达不到160 Ah，但为了简化计算，取160 Ah，根据式（4）～（5）计算电池耗尽后再次充满需要增加的太阳能电池功率，损耗系数取为2.0。

系统需要的总太阳能电池功率为252.83W，建议选用26W的太阳能电池板10块。

3.6 充放电控制策略

目前在光伏系统中，常用的控制方法有两种：一种是设定一个充电终止电压和放电终止电压，当蓄电池端电压达到设定电压时，控制器切断蓄电池与光伏电池阵列或负载连接，防止蓄电池过充或者供方，这种控制方法通常应用于小型光伏系统。

基于上述对光伏系统影响蓄电池寿命因素的分析，结合研究团队的实际操作，在此提出只能化充放电控制策略，该控制策略包含两种充电制度。

（1）深度放电后的充电制度

深度放电后，如得不到再充，将造成电池容量损失并难以恢复。为了确保蓄电池容量在最大范围内恢复，在深度放电后的再充时，将根据放电深度和蓄电池处于微量过充状态且该过程未能完成时禁止放电。

（2）常规充电制度

此时，充电过程分为两个阶段:充电阶段和脉冲充电阶段。在蓄电池放电后，控制策略允许光伏电池所提供的全部电流对蓄电池进行充电，一直到电池端电压达到充电终止电压，这是蓄电池几乎已经充满电。充电终止电压的大小和环境温度、充电电流大小以及电池容量等因素有关。由于充电终止电压和这些因素的关系难以用一个确切的数学模型描述，在此采用模糊逻辑技术建立模型，其输入为电池的容量和充电电流的大小，输出为充电终止电压。然后蓄电池进入脉冲充电阶段，脉冲阶段控制电压在一定范围内波动，其最大值和最小值根据蓄电池的SOC（充电状态）值对电池的浮充电压修正而得。动态设置脉冲阶段的控制电压能确保蓄电池在最短的时间内充满电；同时当蓄电池处于低SOC时，能对蓄电池起均衡充电作用，而在高SOC时减少过充。上述两个阶段的控制电压都将根据环境温度进行修正。

4 结论

虽然SYMOMS假设复杂计算能得到较为精准的数据，但该理论的适应性数据大多在现场，其获取难度较大。因此，可通过简易公式计算得太阳能电池板功率和蓄电池容量，虽然通过其他复杂公式计算得到的数值可能有少许偏差，但在海洋工程实际应用过程中通过这种方式进行的太阳能供电系统设计能很好地满足仪器供电要求。

为了确保在线固直流输出设备质量，以微电流控策略作为匹配枢纽，在线连续调控直流生态，是现有技术可实现且成本较低的方案。同时，控制中枢为今后的智能逻辑切换提出了新的可能性，使其能够在复杂多变的工况下，较为准确地掌握蓄电池的使用寿命，以及二次维护成本。这将为今后移动平台加载传感器、提高采获取频率和传输频率提供后续支持。

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Application of Solar Energy Storage Efficiency in Operational Buoys

WUWen-bin1,2,SUIHong-bo1,2,ZHOU Hui-yun1,2,CAO Dan-dan1,2
1.East China Sea Forecast Center,State Oceanic Administration,Shanghai200135,China; 2.Key Laboratory of Red Tide Stereoscopic Monitoring Technology and Application of the State Oceanic Administration,Shanghai 200137,China

In order to further optimize the system matching capability,research has been conducted on the integrated system conditions,electric principles and renewable sources for photovoltaic conversion,which is of great significance for current long-term unattended mobile platforms deployed in themarine environment.During themotion of the offshoremobile platform,the solid state of DC output device is a core component.Inappropriate coupling capability will affect the current environment of the observing system it supports,producing bad working conditions like undervoltage and overloading,thus leading to adverse effect on the overall performance,efficiency and operating life of the observing platform,with themaintenance costs also substantially increased.Taking the 3 m buoy for instance,this paper attempts to ascertain the power assumption of each part and conduct simplified calculation based on the controlling strategy proposed by the SYMONS classical hypothesis.It can strengthen the follow-up support for the sensors on current platforms and the performance of collectors,and provide an operational calculationmodel for quantitative analysis.

buoy;storage battery;solar energy;power consumption

P715.2

A

1003-2029（2017）01-0103-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.019

2016-06-17

高频地波雷达海上适用性比测现场调查项目资助

吴文彬（1984-），男，助理工程师，主要从事海洋观测类传感器以及系统集成研究。E-mail：120714960@qq.com