偏远地震台站光伏供电系统容量配置研究

唐 浩，白晓川，李鸿庭，常 明，马 瑞

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

随着社会经济的不断发展，地震监测工作有了长足的发展。随着国家地震烈度速报与预警工程的实施，在全国范围内将建设一大批地震观测台站。台站的建设将为地震监测工作提供实时、准确、可靠的监测数据，这些数据为地震预警和烈度速报的准确性和及时性打下了坚实的基础。保证台站仪器设备的正常稳定运行显得至关重要，而保障台站供电的持续可靠是关键。太阳能光伏供电有效的解决了偏远地震台站市电供给困难，供电成本高昂等问题；但是由于太阳能的间歇性、随机性、不确定性使得供电的持续性和可靠性难以得到保障[1]。合理配置偏远地震台站中光伏电池板和蓄电池的容量可有效的提高供电的可靠性和稳定性，保证地震监测数据的实时连续。

目前，针对独立光伏供电系统的容量配置已有了较为深入的研究，针对地震台站供电系统的研究也有一些，但是针对地震台站光伏供电容量配置的研究还比较少[2-4]。在实际应用中存在光伏电池板容量和蓄电池容量配置不合理，造成阴雨天断电，蓄电池过速老化等问题。基于此，本文对偏远地震台站光伏供电容量配置进行研究，考虑台站仪器功耗，当地的日照条件以及蓄电池的充放电特性等，搭建蓄电池和光伏电池板容量配置模型，给出计算公式，通过实例计算验证容量配置模型的实用性。

1 偏远地震台站供电模型

偏远地震台站往往建在人烟稀少的山区中，受人为活动干扰小，具有地动背景噪声低，记录地震清晰等优点，为分析地震波提供了优质的数据波形。但是正因为其偏远也存在供电困难，供电成本高昂等缺点。随着光伏发电技术的成熟，运用光伏供电有效的解决了偏远地震台站供电困难的问题。

偏远地震台站供电系统主要由光伏电池板，蓄电池组和用电设备组成。其供电系统模型如图1 所示。

图1 偏远地震台站供电模型Fig.1 Power supply model of faraway seismic station

2 偏远地震台站供电容量配置

2.1 负载

地震台站用电设备主要以测震设备和通讯设备为主，直流12V 供电，具有功耗低，工作电流稳定等特点。记测震设备的负载功率为Pz，通讯设备负载功率为Pt，则总负载功率P 为：

偏远地震台站一般都为无人值守台站，这里不考虑照明负载。

2.2 光伏电池板

光伏电池板将太阳能转化为电能。其输出功率主要受光照强度和温度的影响。其功率输出的简化模型如式（2） 所示[5]。

式中：G 为光照强度，G0为标准测试环境下的光照强度；t 为环境温度，t0为标准测试环境下的环境温度；K 为温度系数；P 为额定电压。

图2 给出了标况下光伏电池板的伏安特性曲线[5]。

图2 标况下光伏电池板的P-V 曲线Fig.2 P-V curve of photovoltaic panel under standard conditions

2.3 蓄电池

台站一般使用铅酸电池，主要关注蓄电池的输出电压和容量。蓄电池的容量表征蓄电池储存电能的能力大小，用安时容量（A·h） 或瓦时容量（W·h） 表征。

安时容量=放电时间×放电电流；

瓦时容量=安时容量×平均放电电压；

蓄电池放电过程中受放电深度和蓄电池自身荷电状态等因素的影响，一般蓄电池的放电深度最大为90%，为了避免过放影响蓄电池的使用寿命，一般放电深度为30%～80%。蓄电池的荷电状态是蓄电池充放电的重要约束指标[5-6]。

蓄电池放电时，t 时刻的荷电状态为：

蓄电池充电时，t 时刻的荷电状态为：

式中：η 为实蓄电池的自放电率，ηc为充电效率，ηf为放电效率，Pc（t）为充电功率，Pf（t）为放电功率，E 为额定容量，Δt 取1h。

蓄电池放电时的功率输出模型可表示为[5]：

2.4 容量配置

偏远地区地震台站供电系统容量配置主要分为两部分：蓄电池容量配置和光伏电池板容量配置。蓄电池容量配置是在考虑蓄电池放电深度，负荷缺电率等约束条件下以满足负载连续运行为目标；光伏电池板容量配置是在考虑光伏电池板的输出效率，当地的光照条件等约束条件下以满足负荷用电和蓄电池充电为目标。

2.4.1 蓄电池容量配置

容量配置以保证负载连续可靠运行为目标，即负载缺电率为零。负载缺电率指一定时间内发电系统不能满足负荷功率需求的概率用flpsp表示[6-7]。

蓄电池容量配置首先要满足负载连续可靠运行，其次应根据负载大小合理配置蓄电池容量，蓄电池容量配置过小难以保证负载连续可靠运行，容量配置过大会增加投入成本，加速蓄电池老化。因为光伏电池板供电受日照时间、气象条件等因素影响较大，所以在容量配置过程中要充分考虑这些因素。另外，由于蓄电池充放电过程中受放电深度，荷电状态，自放电率等因素的影响，所以在容量配置过程中也应充分考虑这些因素的影响。

蓄电池容量用安时容量（A·h） 表示，用蓄电池放电电流乘以工作时间即可得到它的容量大小。考虑到连续阴雨天气情况，蓄电池充电电流为零，需连续放电，所以蓄电池放电时间应为最大阴雨天数乘以24 小时。另外，考虑蓄电池的放电深度，自放电率和放电效率即可得到蓄电池容量配置的计算公式为：

得到蓄电池的安时容量QAh后乘以额定工作电压即可得到蓄电池的瓦时容量QWh，即：

式中，QAh为蓄电池的安时容量，QWh为蓄电池的瓦时容量，U 为蓄电池工作电压，I 为蓄电池工作电流，T 取24h，d 为最大阴雨天数，α 为放电深度，η 为自放电率，φ 为放电效率。

2.4.2 光伏电池板容量配置

确定了蓄电池容量后，需要合理配置光伏电池板的容量，光伏电池板的容量过小会导致蓄电池浮充，难以保证蓄电池在夜间和阴雨天连续可靠供电；光伏电池板容量过大会增加设备成本，造成资源的浪费。

光伏电池板工作时间段需要能够在保证设备用电的基础上给蓄电池充电。光伏电池板的输出功率受温度和光照强度等因素的影响，所以在配置光伏电池板容量时应考虑当地的温度和光照强度。由于地震台站设备需要保证其连续可靠运行，所以温度取该地区近五年来的最低日平均气温。光伏电池板容量大小应满足在有效发电时间内发电量满足负载消耗电量和给蓄电池组充电的电量[2，8]。光伏电池板容量配置计算公式为:

式中，Ul为负载工作电压；Il为负载工作电流；Tl为负载工作时间；B 为容量系数；容量系数的选取与电池板的冗余量成正比；β 为总的损耗因子。

式中，β1为光伏电池板系统损耗因子，β2为温度损耗因子，β3为光照强度损耗因子，β4为充放电损耗因子。

3 实例分析

3.1 实例一

以宁夏牛首山测震台站为例对容量进行配置。牛首山测震台位于青铜峡市，地处偏僻，四周开阔无遮挡，适宜架设太阳能供电。牛首山测震台负载主要有测震设备、强震设备和通讯设备。负载1 为测震设备，负载2 为通讯设备，负载3 为强震设备。图3 为一天内牛首山测震台供电电压的变化曲线图，图4 为一天内牛首山测震台供电电流的变化曲线图。

图3 牛首山测震台供电电压的变化曲线图Fig.3 Variation curve of power supply voltage of Niushoushan Seismic Station

图4 牛首山测震台供电电流的变化曲线图Fig. 4 Change curve of power supply current of Niushoushan Seismic Station

由图3 可以看出，早上7 点后供电电压随着时间逐渐升高，在15 点之后随着时间供电电压下降，到18 点后电压稳定在12.4V 左右。变化规律符合光伏电池板供电规律，早上7 点后随着太阳升高，气温上升，光伏电池板开始发电，系统供电由光伏电池板提供，供电电压随之上升；下午15 点之后随着太阳西落，气温降低，光伏电池板供电电压下降。夜间18 点到次日早上7 点，光伏电池板不工作，系统供电由蓄电池提供，电压维持在蓄电池的额定输出电压。由图4 可以看出，白天随着供电电压的升高，供电电流会随之减小，夜间供电电流趋于额定值。由此可以看出地震台站负载设备工作稳定，功耗稳定。

根据式（7）计算蓄电池的配置容量，I 取平均日平均工作电流，查阅历史气象数据连续阴雨天数d 取6 天，放电深度α 取80%，自放电率η 取5%，放电效率φ 取80%。计算得到蓄电池的安时容量为339Ah，计算得到蓄电池的安时容量后，可根据式（8）计算得到蓄电池的瓦时容量。

根据式（9）计算光伏电池板容量Qg，光伏电池板在有效工作时间内既要满足负载用电量也要给蓄电池充电。蓄电池充满电时间可根据当地气象条件进行设定，若当地连续阴雨天较少，充满电时间可设定较长，如果当地连续阴雨天较多，则充满电时间应设定较短。牛首山地区连续阴雨天较少，设定蓄电池充满时间为3 天，则T1为3×24h，由图1 可以看出光伏电池板一天内有效工作时间为8h，则Tg为3×8h。B 取 1.1，β1取 0.95，β2取 0.9，β3取 0.9，β4取0.95。计算得到光伏电池板容量为331W。

3.2 实例二

以宁夏磁窑堡强震台站为例对容量进行配置。磁窑堡强震台位于灵武市磁窑堡镇。磁窑堡强震台负载主要有强震设备和通讯设备。负载1 为强震设备，负载2 为通讯设备。图5 为一天内磁窑堡强震台供电电压的变化曲线图，图6 为一天内磁窑堡强震台负载电流的变化曲线图。

图5 磁窑堡强震台供电电压的变化曲线图Fig. 5 Variation curve of power supply voltage of Ciyaobao strong seismic station

图6 磁窑堡强震台供电电流的变化曲线图Fig. 6 Variation curve of power supply current of Ciyaobao strong seismic station

由图5、6 可以看出，磁窑堡强震台供电电压和电流变化趋势与牛首山测震台供电电压和电流变化趋势相类似。从充电到放电符合光伏供电系统工作规律。根据式（7）计算磁窑堡蓄电池的配置容量，I 取1A，连续阴雨天数d 为3天，放电深度α 取80%，自放电率η 取5%，放电效率φ 取80%，计算得磁窑堡强震台蓄电池容量为118Ah。根据式（9）计算光伏电池板容量 Qg，B 取 1.1，β1取 0.95，β2取 0.9，β3取0.9，β4取0.95；计算得到磁窑堡强震台光伏电池板容量为146W。

实例计算结果如表1 所示。表1 给出了牛首山测震台和磁窑堡强震台蓄电池和光伏电池板容量的计算结果。

表1 容量配置计算结果

实际应用中牛首山测震台可以选用4 块100Ah 的蓄电池和两块额定输出功率为180W 的光伏电池板分别并联组成供电系统；磁窑堡强震台可以选用一块120Ah 的蓄电池和一块额定输出功率为180W 的光伏电池板组成供电系统。

4 结语

独立光伏供电系统为在偏远地区建设地震观测台站提供了有力的供电保障。根据当地的日照条件，负载的用电特性等合理配置光伏电池板和蓄电池容量不仅可以为地震观测设备提供连续稳定的电源，还可以提高设备使用率，增加设备使用的寿命，节约成本。随着国家地震烈度速报与预警工程的实施，为今后在偏远地震台站架设供电设备提供容量计算参考模型。