黑龙江省无人值守地震台站利用太阳能结合风力供电的研究

程 可，郭悦立，王 宁

（黑龙江地震局，黑龙江 哈尔滨 150090）

黑龙江省饶河县隶属黑龙江省双鸭山市，位于黑龙江省东北边陲，地理坐标为北纬46°30′44″～47°34′26″，东经133°07′26″～134°20′16″。饶河的地理位置介于北回归线与北极圈之间，一年中太阳高度角的变化以及与之相关的各季节太阳辐射量的变化都较大。饶河冬至日7时37分日出，16时20分日落，正午太阳高度角为20°15，夏至日4时19分日出，19时53分日落，正午太阳高度角为67°45′。冬、夏两季昼长时间相差悬殊，冬至日正午太阳高度不及夏至日的1/3。因此，在黑龙江省境内进行对无人值守台站的供电设计需要包含经过测算和多年太阳能安装经验，黑龙江地区电池板的安装角度一般在60°，一是为防止冬季积雪，二是为满足冬季太阳夹角20°15'的需要，同时也要综合夏季太阳的夹角规律，由于夏季光照时间长，色温比较高，所以角度要向冬季倾斜以满足冬季充电需要。

由于本项目在野外施工，离县城有近20 km的路程，施工现场条件恶劣，水电都没有，又是在山上，交通条件很差而且不通车，施工难度和费用高，6 m高度的支架需要搭建高空作业平台，又因为安装基础为岩石，需混凝土浇筑30 t底座基础，所有设备工具及沙石、水泥、水、管材等材料均需人力走2 km运到山上，人工和运输成本将成倍高于其他土建项目。

1 发电控制系统控制器构成和风电互补设计思路

此次项目所采用的核心控制部分为跟踪太阳能最大功率控制器[1]的TriStar MPPT，Morningstar的TrakStar所具备的专利跟踪技术又一次成功地应用于其典型通用的光伏控制器——TriStar上，最新推出的TriStar MPPT太阳能充电控制器，能够在功率为3 kW的光伏供电系统中给现场备用蓄电池充电使用，最高峰值电压效率可达到99%，相比以往其他AGPT，MPPT类型充电控制器，在功率的损失上KEYI可降到最小。在光伏控制器的内部带有一个非常灵敏的跟踪计算装置，此装置实时按照内部固化的计算方法，通过快速浏览光伏阵列的IV曲线找到光伏阵列的最大功率点输出最大值。同时，这款产品是光伏控制器中的第一款能够进行全面的网络操作的控制器,并且可以保存并记录长达200 d的来自光伏阵列的采集数据，其具有以下优点：

1.1 最大限度地提高能源转换

龙炎公司拥有专利技术TrakStar MPPT，它能够使得其最大功率跟踪控制器比其他的MPPT控制器能更好的识别器件光伏阵列的峰值最大功率点，并且非常迅速地浏览整个器件间的IV曲线，在遮影或混合方阵时也可识别多个功率采样点，即使在太阳光被遮挡和日照不充足的情况下也能够发挥最佳的能源转换表现。

1.2 极端可靠性强

控制器内部为了避免温度过高进行了强大的散热片设计，而且设备内部取消风扇制冷，从而增强了整个控制系统的稳定性，同时并联的辅助电路设计能够保护和延长控制器核心电子元件的使用寿命，并且内部无机械性质的继电器和全面的电子保护措施，这里主要包括光伏阵列的漏电短路保护。内部硬件全部采用环氧树脂封装电路和涂层印刷电路板。

1.3 输出效率高

利用本身获得专利的独特算法为基础，完成能够输出99%的峰值效率，从而最大限度的减少自身功率损耗以达到非常低的自耗。在现场温度高达45℃时也能持续地全功率工作，无需降低额定功率，其中经过精心挑选的高性能电子元器件也能够减少因为设备发热而带来的输出效率的损失。

1.4 全面开放的网络和通信功能

通过目前通信领域开放式的通用MODBUS通信协议和自身配置的可观察软件可以对系统进行现场监控，采集数据录入和现场参数设置。也可以通过Meterbus协议实现与Morningstar其他同类产品之间的兼容和通信，设备采用RS232串口与计算机直接相连，接口采用485通道实现多个同类产品设备之间的通信，控制器也可利用以太网口通过外网Web浏览器或者发送E-mail或短信的形式来从局域网或者internet网观察数值状态和传输报警信息。

1.5 观测仪表和实时数据录入

采用配套可选的Trista仪表和远程监控仪表能够提供详细的工作数据，警报、故障信息和状态，3个LED数码管灯显示系统实时状态。数据记录长达200 d左右。主机的技术参数如下：

TS-MPPT-45和TS-MPPT-60蓄电池最大供电电流：分别为45 A和60 A。

最大光电池输入额定的电压为12 V时功率为600 W、800 W，电压为24 V时功率为1 200 W、1 600 W，电压为48 V时功率为2 400 W、3 200 W。

最高峰值效率为99%。

产生额定的系统电压：12 V，24 V，36 V或48 V直流。

产生最大的光电池开路电压：150 V。

连接蓄电池工作电压范围：8～72 V。

设备最大自耗2.7 W。

器件瞬间浪涌保护：4 500 W/每通道。

在电子保护方面：

电池板部分：具有防过载、短路、高压功能。

蓄电池部分：具有防高压、高温、雷击和浪涌以及夜间电流反向流动功能。

蓄电池充电过程具有4级充电方式：快速充电方式、吸收充电方式、浮充方式和均衡充电方式。

温度补偿系数：-5 mV/℃/cell（25℃参考）。

适用温度范围：-30℃～+80℃。设置点吸收，浮充，均衡，高压。

备注：内部附有远程温度传感器。

现场使用环境：现场环境温度：-40℃～+45℃，现场储存温度：-55℃～+100℃。100%无凝结。

适应热带气候条件：环氧封装、涂层电路板和海洋额定端子。设备安装在室内通风处为宜。

整个供电系统的电气设计思路：12块太阳能电池板采用每4块串联作为1组，然后分为3组并联作为输入通道接入避雷装置的输入端，避雷装置的输出端在和太阳能控制器的输入端通道的端子相连接，同时风力发电的输出也接入控制器专门为风力输入的专用通道，这样供电系统的输入部分就连接完毕。控制器的输出和电瓶相连接对电瓶充电，具体参数设置要根据现场需要设定。电瓶输出线接入专用监控设备用来远程针对现场环境中的一项进行监控，最后输出12 V电源对现场用电设备供电。

2 室外电池板的选择、安装及其基础建设

由于此次供电系统的施工安装地点处于黑龙江省饶河地区无人值守的地震台站，台站位于山区日照时间较市区短，另外施工位置处于山谷当中，周围又有树木遮挡，因此对太阳能板和安装平台的建设都有一定的要求。

项目使用的太阳能电池板是采用碲化镉[2]薄膜制成，因为碲化镉是一种高吸收性质的化合物半导体，半导体特性是硅的100倍，其中的能隙宽度对于光电转换最为适合，此种结论是多方论证的结果。鉴于台站对于供电的特殊要求，定制的这种薄膜太阳能电池温度系数小，弱光效果及稳定性好、能量回收时间短、安全环保。

太阳能电池板和风力发电设备安装在一个钢结构制成的平台上，使用角钢做成的支架将太阳能板与平台底座利用螺丝紧紧固定。支架的坡度可调整到能够让太阳能电池板保持倾斜60°左右，平台周围使用不锈钢管做成围栏，在围栏角落用立柱安装风力发电设备。

平台支撑立柱采用直径为120 cm粗的钢管支撑，表面镀锌。底座与混凝土预埋件用锚栓连接在一起，做到牢固耐用，按照避雷要求以及规范将接地扁钢与地网焊接。地面采用混凝土浇筑埋深1 m左右使其达到抗震标准。

3 结束语

在黑龙江省北部山区的无人值守台站为设备供电一直是困扰项目建设的重要问题，每次采用市电供电就会出现征地、线路建设、维护等一系列困难以致延误工期，如果采用风光互补供电系统就会很好地解决这个问题，按照以上研究思路通过在黑龙江省饶河地震台具体施工应用可以证明本设计完全能够实现对现有设备进行供电，如果在无人值守台站增加大功率设备时，需要相应增加太阳能电池板和较大容量电瓶才能满足现场需要。

问题：（1）由于无人值守地震台站地处偏僻并且多为山地，地面多为岩石构成，因条件所限对电缆的预埋造成困难，在没有办法的情况下只能采用立杆悬空架线。如果台站处于雷灾害频发地区容易引起雷击造成避雷设备损坏，严重时还会损毁现场设备，因此对避雷的要求和等级有着较高的要求。

（2）山区在8月属于雨季频发期，在此期间阳光照射时间短，而且在风力较弱的情况下会对发电、供电有影响。但目前就饶河地震台站现有的低功率设备运行情况来看一切正常，没有发生电源故障。