太阳能供电系统在多分量钻孔形变台站的应用

2018-03-23刘庆红窦立婷

山西地震 2018年1期

成诚，刘庆红，窦立婷，耿伟，李云，平旗

(1.山西省地震局长治中心地震台，山西长治 046000；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原 030025)

0 引言

长治中心地震台钻孔形变台是“钻孔应变组网观测实验与应变实时监视系统”项目新建台站之一，使用鹤壁生产的YRY-4多分量应变仪。台站自2014年6月负责运维，仪器运行稳定，数据产出良好。由于原设备配套用防雷隔离电源频出故障，影响观测资料的连续性。经与设备主产方、数据使用方、台站维护方三方沟通，决定改用太阳能直流供电。文章对改用太阳能供电系统后，仪器运行及观测资料连续率进行简要分析。

1 防雷隔离供电系统

防雷隔离电源系统的供电系统由220 V交流电驱动电机带动高绝缘皮带，将电能转为机械能再转换为电能，然后输出12 V和5 V直流给分量式钻孔应变仪和光纤接收器供电，同时给蓄电池充电。停电时，由电瓶直接给设备供电。

自长治台负责运维以来，发现该供电系统存在较大的设计缺陷，统计故障原因(见表1)，发现防雷隔离电源的故障主要有：

(1) 防雷隔离电源系统内的绝缘皮带因老化使皮带断裂，引起供电电压不稳定或供电中断[1]。

(2) 沁源台交流电为农电，电压不稳，启动时冲击电流大，防雷隔离电源电机会烧坏。

(3) 沁源台停电较多，仅由一个12 V直流电瓶供电，由皮带带动电机工作发电进行转换供电，电能损耗较大，供电时间有限，恢复供电，防雷隔离电源发电机功率无法给电瓶充电的同时保证数据采集器和光纤收发器[2]。

表1 2014年分量钻孔应变仪故障分析Table 1 Failure analysis of component boreholestrain gauge in 2014

2 太阳能供电系统

2.1 太阳能供电系统设计

2.1.1 设备功耗分析

沁源台分量钻孔应变观测系统负载包括光纤收发器、数据采集器、井下传感器等，全部负载功率约为5 W，观测系统24 h运行，日均耗能约120 WH。根据电功率公式，计算出理论负载电流约为0.5 A。

2.1.2 蓄电池容量的计算与选取

蓄电池容量主要考虑最大连续无日照时间负载功耗，在沁源台地区，为确保负载正常运转，考虑到充分的余量，假定最大连续无日照天数为8天。

蓄电池放电深度为防止蓄电池过充和过放，一般充电到90%左右，放电余留5%～20%左右，考虑到蓄电池容量周期性的降落和老化，通常选为0.7[3]。

计算蓄电池容量：

C=每日总耗电瓦时×最大连续无日照天数/蓄电池放电深度/蓄电池电压=5 W×24 h×8 d/0.7/12 V=114.3 AH。

根据计算理论值得出，选取两只12 V/100 AH蓄电池并联成12 V/200 AH蓄电池组，可满足工作需要。

2.1.3 太阳能供电系统功率设计

太阳能电池板的作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用[4]。太阳能电池板容量设计主要考虑的因素有负载耗能量、功率转化因子、当地平均日照值等。

(1) 蓄电池组充电效率Kc(0.98)。

(2) 太阳能蓄电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数K×(0.9)。

(3) 太阳电池方阵组合损耗系数KZ(0.96)。

(4) 控制器的转换效率Kn(0.88)。

(5) 系统综合效率=Kc×K×KZ×Kn×0.98×0.9×0.95×0.88×24(蓄电池电压)/35(太阳能蓄电池组件压)=50%。

(6) 取30°倾斜面峰值日照时数，平均日照时数Ht=1 580/365=4.3 h。

综上，监控设备日耗电量理论值为120 Wh，根据日照时数和系统效率计算出需要组件功率为120 Wh/4.3 h/0.5=55.8 W。

按计算结果，选用单块200 W多晶体太阳能板即可满足要求。

2.1.4 太阳能控制器选择

太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电，及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备[5]。太阳能控制器选用LB01系列PWM型，其最大的优点是：采用IGBT模块开关，内阻更低、过载、过流、欠压短路自动保护、LCD图形符号，简洁的按键操作，电池种类设置、8～72 V电压自动识别、可设置负载工作模式等。

对太阳能控制器的参数设置，截止充电电压为13.5 V，低压恢复电压12 V，低压保护电压11.4 V，光控24 h，电池种类为铅酸类蓄电池(见图1)。

2.2 太阳能供电系统安装

沁源台太阳能板采用200 W多晶体硅太阳能板，放置于台站屋顶正南方向，支架四角通过钢丝与房屋四角连接，能够承受4级以上风力。太阳能板的倾角角度能较好接收太阳光辐射，沁源台倾角采用屯留某公司的光伏发电场建设项目计算出的角度，即当地纬度35°①长治市屯能光伏发电科技有限公司.长治屯留30 MW光伏发电项目可研报告，2011.。

太阳能供电整体方案如图2所示。