用于北斗设备的应急多电源自供电系统研究

刘红旺，马智杰，杨泽明，付勋波，王永超，鄂春良

（1.天津水科机电有限公司，天津 301900；2.中国水利水电科学研究院，北京 100089；3.北京科诺伟业科技股份有限公司，北京 102200）

1 概述

智能水网的建设离不开各种类型传感器、检测和监测仪器仪表持续、实时的工作，这些装置都使用电能，持续供电是仪器设备能够持续工作的基础条件。在有电网的地区，可以采用电网供电，而智能水网覆盖全国，因此在偏远地区、无人区及其他没有电网地区的水文、水质、大坝安全、堤防、滑坡、山洪等传感器、检测和监测仪器仪表的持续供电问题，对智能水网的使用范围和建设有深远影响。而且因为网络通讯信号不能覆盖无人生活的水源区，通过北斗卫星进行定位和数据实时传输是唯一的选择，因此解决以上地区北斗数据传输设备的供电问题有利于智能水网的建设。

传统的应急供电系统主要由柴油发电机组和蓄电池组组成，而现代应急供电主要有UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）不间断电源和EPS（Emergency Power Supply）消防应急电源，工作原理类似，都是由整流充电器、蓄电池组、逆变器和系统控制器等组成。传统的应急供电系统和现代应急供电都存在体积大、携带不便、消耗能源、智能化程度低、成本高等问题。太阳能光伏发电过程简单，太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不歇，太阳能光伏产品的应用具有广泛性，在诸多领域其应用均有高效性、经济性与可持续性的特点。现今市场上的光伏应急电源普遍倾向于光伏手机充电器及民用应急照明方向，用于北斗设备的应急多电源自供电系统的研究主要倾向于解决偏远地区、无人区的检测和监测仪器仪表供电需求，及地震、洪水应急救灾等地区应急设备的供电需求，还可解决以上地区北斗数据传输设备的供电问题。

2 供电系统组成

用于北斗设备的应急多电源自供电系统主要用于为北斗卫星数据实时传输系统提供电能，其原理主要是市电、光伏发电组件、汽车点烟器、水力发电设备及风力发电组件产生的电能经充放电控制系统储存到蓄电池中，可提供直流电源供直流负载使用，也可以经过逆变器转换成交流电供交流负载使用，为保证实时传输的可靠性，实际应用中需要采用两种及以上发电方式提供电能，见图1所示。

图1 系统组成

3 基于光伏发电技术的应急供电设备的设计

3.1 设计思路

太阳能作为目前最洁净的能源，依托光伏发电技术设计一种高可靠性、可监视性、免维护性、系统简单、控制方便的便捷式应急光伏电源箱，并且具备EPS和UPS的某些功能。要求其可在市电或电源充足的地方进行储存电能，也可在野外无市电的情况下，利用其他形式能量转换成电能，蓄存高效；同时还增加汽车点烟器充电功能，高质量地满足对时间切换要求高的重要设备，保证其安全可靠地为负载不间断地输出稳定的电能。便捷式应急光伏电源箱内置傻瓜式输入输出装置，能够全方位输入、多种方式输出，无需安装调试，简单操作且方便快捷，能满足各类传感器、检测设备、监测仪器仪表和北斗数据传输设备的供电需求，和各种无电应急场景，如地震、洪水等救灾用电，地质勘探野外应急电源和野外旅行用电源等。

3.2 设计要求

(1)箱体：需采用防水箱体，底部带万向移动滚轮（可固定），背部带推拉杆、侧面带提手；箱体外置接口设防雨罩或其他防水措施。

(2)尺寸：高小于700 mm,长、宽小于500 mm。

(3)供电要求：自供电整流电压DC 5～24 V，无充电情况下电池连续使用72 h。

(4)电池板要求：太阳能电池组件结构采用折叠或层叠式，易于携带最好可装入箱中或另配箱包，并易于固定在砂石地面，与控制箱连接电缆5 m；功率不小于150 W。

(5)箱体外置接口：AC 220 V输出插座1个，USB插座2个，市电AC 220 V充电插座（内配电池充电器）1个，汽车点烟器充电插座1个，光伏输入插座1个，DC 12 V输出插座1个，DC 24 V输出插座1个，DC 36 V输出插座1个，AC 220 V输出插座1个。

(6)电池要求：容量不小于100 AH，采用磷酸铁锂电池或胶体蓄电池。

(7)控制要求：内部配有过充、过放保护装置，具有过载保护、高温保护、断路保护等功能。箱体面板设运行指示灯、故障灯、电量显示灯等；内部元器件安装须紧固，满足长途物流运输要求。

4 便携式应急光伏电源箱的研制

便携式应急光伏电源箱分为2个部分，分别为拉杆供电箱和太阳能电池组件折叠包。拉杆供电箱主要包括箱体、控制面板、电池、各种控制器、电能输出输出接口等；太阳能电池组件折叠包主要包括太阳能电池组件、折叠包两部分。

4.1 拉杆供电箱的设计

箱体整体设计含防水功能，带伸缩拉杆和脚轮，方便携带运输，见图2所示。整个拉杆式供电箱采用框架结构设计，箱体拆卸方便，箱盖边缘处嵌有橡胶密封条，箱盖扣合后将密封条加紧，起到防水作用。箱体正面设有带锁控制面板，面板上设有开关、光伏输入接口、市电输入接口、直流输出接口、交流输出接口、状态指示灯等元器件。蓄电池固定在拉杆供电箱底部，用来储藏电能。箱体内横梁固定有升压模块、降压模块、逆变器和充放电控制器等元器件；其中逆变器是将直流电转换为交流电的装置，充放电控制器用来控制蓄电池充放电，两者配合以供交流负载使用。箱体侧面板和背面板设有通风散热网，可起到散热效果，防止设备过热。拉杆供电箱后面板安装加强可伸缩拉杆， 拉杆可上下伸缩，方便运输；底部安装万向轮，万向轮设有自锁装置，移动更加便捷；两侧配有手提拉手，当路面崎岖时，方便两人手抬通过，提高其野外运行能力。

图2 拉杆供电箱外观

4.2 太阳能电池组件折叠包的设计

将小功率的薄膜太阳能电池片按阵列镶嵌在一块耐用耐高温纤维基布上，内部串联/并联达到设计功率的要求，将其制做成一块“太阳光伏布”，见图3所示。

图3 太阳能电池组件折叠包样式

太阳能电池组件折叠包在野外使用时可将其随意展开在开阔之地，或者将其附着在墙面或户外设备上，用专用插头与控制电源箱连接并为其供电。不用时可将其折叠成公事包形式，以便野外携行。为了减小整个组件体积，使支架部分内嵌折叠包内，不占用多余空间。

5 功能特点

便携式应急光伏电源箱支持多种充电方式，多种输出电源形式，具有以下功能特点：

（1）巨能量移动小电站，电池容量大；

（2）多种输出，超广兼容多种用电设备；

（3）同时供电多种设备，即插即用；

（4）充电方式多样化，不受场景局限，可随应用场景选择充电方式；

（5）具备过温保护、过放保护、过流保护、过载保护等功能；

（6）具备智能温控散热；

（7）装备万向轮、可伸缩拉杆、拉手，方便携带，适合户外工作。

6 总结

太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不歇，其应用也随之更加广泛，特别是在边远山区和广大的游牧区的应用，优势非常明显，用户对便携 、耐用 、高效的独立供电系统需求强烈。用于北斗设备的应急多电源自供电系统的研究，有利于智能水网的建设。而基于光伏发电技术研制的便携式应急光伏电源箱具有高效、节能、功能全面的特点，能满足各类传感器、检测设备、监测仪器仪表和北斗数据传输设备的供电需求；并可广泛应用于各种无电应急场景，如地震、洪水等救灾用电源，地质勘探野外应急电源和野外旅行用电源等，为今后应急供电产品的研发提供借鉴与参考。