地震台站新型太阳能供电系统设计

郭德顺， 李 敬， 赖细华， 邓 金

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.新丰江中心地震台，广东 河源 517021）

0 前言

在地震监测台网的建设过程中，为了台网的合理布局，很多台站只能建在不具备交流电供电条件的荒山野岭地区，日常及仪器用电需要结合实际情况综合考虑。虎门地震综合观测站位于东莞市虎门镇鲫鱼岗水库尾，地处偏僻，没有市电供应。台站有强震、测震和GPS等观测项目，为有人值守台，日常用电主要是仪器设备所需的直流电和工作人员照明灯具、电视机等所需的交流电。

1 智能供电系统设计过程

1.1 总体设计要求及系统构成

按照虎门地震综合观测站的日常用电需求，直流用电包括：地震仪器设备，全天24 h运行，直流12 V，用电功率50 W。交流用电包括：照明灯具50 W，每日照明时间6 h，电视机100W，每日工作时间10 h。每日总计用电量按2 500瓦时计算。

图1 太阳能供电系统构成Fig.1 The composition of solar power supply system

台站的供电系统以太阳能为主，汽油发电机为辅，两者相互补充。同时配备48V储能蓄电池组，其容量必须保证4 d阴雨天的连续供电。整个系统的核心控制元件为控制逆变一体化电源，由它完成各种检测、控制指令和太阳能、发电机的切换工作，保证在正常情况下由太阳能对外供电，在蓄电池欠压情况下自动启动汽油发电机对外供电[2、3]。 系统构成如图1 所示。

1.2 东莞市气候条件

东莞市濒临南海，地处北回归线以南，属亚热带季风气候。具有夏长无冬、阳光充足、雨量充沛、热量丰富、气候温和、温差振幅小及季风明显等特点。但也常受台风、暴雨、春秋干旱、寒露风及冻害的侵袭。按候（5 d为一候）平均气温≤10℃为冬季， ＞10℃～＜22℃为春秋季， ≥22℃为夏季的气候特征划分季节，则东莞市没有气候意义上的冬季[1]。 年降雨量1 788.6 mm，有84%集中出现在4～9月的雨季中，以5月为多（288.2 mm），5～9月的降雨量都在200 mm以上；月最少降雨量，出现在12月（25.8 mm）。年降雨日数有147 d，以6月为多，有18.5 d；12月最少，不足5 d。年暴雨日数为7.7 d，有91%的暴雨集中出现在雨季期间。平均相对湿度为79%，以5和6月份最大（85%）。年平均风速为1.9 m/s，6～7月稍大（2.1m/s）， 11～12 月较小（1.7 m/s）。 年平均大风日数有4 d，主要出现在7～9月。盛行东风，大约10月开始至次年2月转成东北偏北风。常受台风、暴雨、春秋干旱、寒露风及冻害的侵袭。年雷暴日数为83天，5～9月各月的雷暴日数均在10天以上，其中尤以8月为最多，达到17 d。东莞市处于北纬 22°39′～23°09′， 东经 113°31′～114°15′区域，太阳高度角较大，太阳总辐射量与日照时数充足，东莞地区阳光充足，太阳辐射每年平均为109 884KWh/cm2， 每月平均为 6240～124 88.4KWh/cm2。年平均日照时数为1 967.1 h，平均日照率达45%。最多时1963年达2 320.8 h，最少时1961年为1 570 h。一年中日照以7月最盛，平均232.1 h，2月和3月最少，平均分别为91.3 h和91 h。

从气候条件看，虎门地震综合观测站符合采用太阳能光伏电池供电的设计要求。

1.3 东莞地区峰值日照条件

通过中国各省市峰值日照时数表，可知东莞市各月水平面峰值日照时数，见表1。

根据以下公式， 选择不同的方阵倾角，峰值日照小时将有所变化，见表2。计算方阵系统β倾角下的辐射量：

表1 东莞市各月水平面峰值日照时数（KWh/m2.d)Table 1 Sunshine hours of horizontal peak in each month of Dongguan

式中，Sβ：β倾角方阵太阳直接辐射分量；α：中午时太阳高度角；S：水平面太阳直接辐射量。

式中，Φ：当地纬度；δ：太阳直射点纬度，北半球取+号。

式中，n：从一年开头算起第n天的太阳直射点纬度（°）

根据以上数据，综合考虑系统的可靠性和效率，我们选择25°的系统倾角。一般情况下，独立系统的峰值日照时数考虑最小值，在日照最少的季节恰好能够供电，而在日照好的季节会有盈余，因不能完全利用会有很小的浪费。而本系统有汽油发电机作为补充，在计算装机容量时，考虑大部分季节光伏系统供电正常，而在很少的月份会亏电，亏电部分由汽油发电机发电补充，这样负载既能正常用电，也节省了成本。本系统峰值日照时数我们选3.5 h，在2～4月份出现亏电时由汽油发电机发电补充。

表2 东莞地区不同方阵倾斜角峰值日照时数 （KWh/m2.d)Table 2 Sunshine hours of bevel peak in different array tilt angle of Dongguan

1.4 供电系统设计过程

1.4.1 负载消耗电能估算

根据台站的用电要求，交直流总负载每日消耗电能为： 50 W×24 h＋50 W×6 h＋100 W×10 h＝2 500 Wh，见表3。

1.4.2 蓄电池容量计算

如表2每日所需总安时数，连续阴雨天工作天数按4 d计算，同时考虑必须容量余量，本系统需配备12个规格为12 V 100 Ah的蓄电池，见表4。

表3 系统负载能力估算Table 3 The load capacity estimation of system

1.4.3 太阳能光伏电池功率计算

按负载每日消耗电能计算，本系统所需规格为85W/24V的太阳能光伏电池板12块，太阳能电池方阵功率为1 020 Wp，见表5。

1.4.4 控制器组件选择

按本系统太阳能光伏电池功率要求，同时考虑成本控制，采用PWM（Pulse Width Modulation脉冲宽度调制）控制方式的太阳能控制器，技术指标如表6所示。

1.4.5 交流逆变器组件选择

按本系统交流负载的设计要求，同时考虑功率余量，交流逆变器组件选型的技术指标如表7所示。

表4 蓄电池容量计算Table 4 The capacity calculation of battery

表5 太阳能光伏电池发电功率计算Table 5 The power generation calculation of solarphotovoltaic battery

表6 太阳能控制器组件选择Table 6 Component selection of solar controller

1.5 控制逆变一体化电源设计

虎门地震综合观测站既有12V直流负载，又有220V交流负载，优先由太阳能光伏电池供电，在蓄电池组欠压时节又要启动汽油发电机发电作为补充，整个系统较复杂。我们将直流智能控制单元、交流逆变器、直流转换模块、降压模块、整流模块、自动控制模块、切换模块和可控延时开关等整合为一台设备，称之为控制逆变一体化电源，核心部件是直流智能控制单元，其不但设计有太阳能控制器的功能，同时通过对内部的单片机编程，使各相关模块高效、有序的工作，逻辑控制流程如图2所示。

表7 交流逆变器组件选择Table 7 Component selection of AC inverte

一体化电源系统设计说明：

（1）白天正常情况下，太阳能电池组件通过智能控制单元、交流逆变器和直流转换模块输出220 V交流电和12 V直流电，分别为交流负载和直流负载供电，同时对蓄电池组充电。

（2）系统为光、油互补控制系统，光伏逆变部分优先工作，油机作为互补，在蓄电池组欠压的情况下，自动切换到油机给负载供电，并且同时通过降压和整流模块为蓄电池组进行充电。

图2 一体化电源系统逻辑控制流程Fig.2 The logical control process of integrated power system

（3）采用一组具有联动功能的切换模块在光、油系统之间进行切换。当发电机启动发电时，切换模块交流线圈通电吸合切换开关，为交直流负载供电，同时断开逆变器开关，减少不必要的功耗。当发电机停止工作时，自动合上逆变器开关。

（4）发电机启动后通过可控延时开关预热3分钟，待电压稳压后再向负载供电，避免开始时电压过高烧坏设备。

2 结语

在偏僻山区建设地震台站，由于通常没有市电到达，首要解决的就是设备的用电问题。太阳能是一种可持续利用的清洁能源，通过对控制系统进行良好的设计，既能满足设备的用电需求，对于有人值守台站，还能满足工作人员的日常生活用电需要。虎门地震综合观测站的太阳能供电系统设计具有参考价值。

[1]黄进.雅砻江中下游地震监测系统台站机房布设技术设计[J].华南地震， 2012， 32 （S1）： 110-118.

[2]陈智群，刘吉平，李敬.河源台地电专用电源和外线路故障查修方法[J].华南地震，2013，33（2）：117-123.

[3]东莞市地方志编纂委员会.东莞市志 （上）[M].广州：广东人民出版社，1995.