無人地震臺站太陽能供電電源的使用與維護

韓曉飛

（陜西省地震局，陜西西安 710068）

從無人地震臺站的基本地形環境不難分析，無論是地貌、交通還是傳輸距離都相對偏遠，市電供應的缺乏導致無人地震臺站的供電質量較差，甚至還會出現停電和斷電問題。從儀器設備角度分析，無人值守的地震臺站的設備功率消耗較小，以低壓直流電為主，針對這一基本情況，若是單純使用有線供電的方式則極易導致供電電源在使用和維護方面出現偏差，加之高昂的架設成本也存在著潛在的雷擊風險。隨著能源消耗問題的日益嚴重，太陽能供電憑借其噪聲小、清潔無污染等特點在無人地震臺站電源使用中充分體現出自身的優勢，因此對于無交流電地區而言，穩定的太陽能必然成為其供電電源的首選。

1 無人地震臺站的太陽能供電問題

1.1 蓄電池組的容量計算

作為無人地震臺站太陽能供電的核心環節，蓄電池的容量計算至關重要。由于負載電量的差異性，關于蓄電池組的容量計算需要建立在必要的氣象條件以及負載耗能計算基礎之上。針對蓄電池核定負載時間內容量大小的計算，天氣狀況的優勢勢必是其中的關鍵原因。與此同時，不同階段時間內的電池發電量也不盡相同。在遇到方陣發電量不足的問題時，就需要依靠蓄電池的補給來及時供電，這就需要注意對多余電能的及時儲存。此外，如遇陰雨天氣也需要針對蓄電池的核定負載量問題進行準確計算。因此，核定時間內蓄電池的耗電量就成為了影響電池總容量的主要因素，其基本計算公式為:

式中，A作為安全系數其可控值被限制在1.1～1.4，而QL即電源負載的日平均耗電量，是核定工作電流與工作時間的乘積;NL是指最長陰雨狀況的天氣數量，而TO則是指針對溫度的修正系數，這一數值從1～1.2。CC是指蓄電池整體的放電深度，其中鉛酸蓄電池的數值為0.75，而堿性鎳鎘蓄電池的數值則為0.85。

1.2 蓄電池的使用與保護

與太陽能電池相配套的蓄電池種類很多，而當前主要有鉛酸型免維護蓄電池、堿性鎳鎘蓄電池以及普通的鉛酸蓄電池使用較為廣泛。鉛酸免維護型蓄電池由于對環境污染較小而深得用電系統青睞，因此被廣泛應用于太陽能電源系統當中，尤其是在無人地震臺站的使用就更加普及。而堿性鎳鎘蓄電池雖然在溫度及過放性能方面表現較好，然而其高昂的價格顯然不適于大范圍使用。普通鉛酸型蓄電池常見于稍低檔的用電場合，這是由于這一類型的蓄電池本身需要經常維護，并且對于周遭環境的污染也相對嚴重。太陽能充放電控制系統是對蓄電池的客觀防護，控制器的存在是為了更好地實現對太陽能供電板的過放保護，在遇到嚴重溫差問題時控制器往往能夠起到溫度補償的作用。此外，由于電壓變化導致的蓄電池單位體積變化也可以通過串并聯方式的組合來有效延長蓄電池的供電時間，這對延緩蓄電池的衰竭有著積極的作用。由此可見，解決無人地震臺站太陽能蓄電池的使用及維護等問題，需要通過監控設備來對蓄電池單位時間內的充放電電壓進行實時測量，穩定蓄電池的充放電電壓指標，以此來保證蓄電池的使用壽命，提升太陽能供電系統的可靠性與安全性。

2 無人地震臺站太陽能供電電源的使用與維護

2.1 太陽能電池組件的串聯與并聯數目

(1)串聯數Ns

無人地震臺站太陽能電池組件工作電壓的獲得需要將組件進行串聯連接，因此準確計算電池組件的串聯數就顯得尤為重要。過少的串聯數會導致蓄電池浮充電壓與串聯電壓之間形成一定的方陣對立，而若是串聯數過多也會造成輸出電壓與浮充電壓之間的數值偏差過大，因此最佳的充電狀態應當是太陽能電池組件內的浮充電壓與串聯電壓相同，其計算方法如下:

式中，UR是指電池方陣的最小輸出電壓;而Uf則是浮充電壓;Ud的數值一般是0.7 V，是二極管的壓降范圍。

(2)并聯數Np

關于太陽能供電電源中的并聯數確立需要先從相關量的計算著手，首先需要計算太陽能電池方陣在標準光強下平均日輻射時數值，準確計算公式為:

所計算得到的H數值是指標準光強下電源的日輻射參照系數。而具體的太陽能電池組件單位時間內發電量的計算則是:

其中無人地震臺站的標準工作狀態下的電池組件電流記作Ioc，而Kop和Cz分別表示斜面修正系數以及修正系數，Cz的取值一般在0.8左右。而關于連續陰雨天氣的最短間隔天數則需要通過對虧損蓄電池電量的補給來進行有效核算，其公式為:

無人地震臺站太陽能電池組件的并聯數確定方法是通過公式來計算，這就意味著太陽能電池組數在陰雨天最短間隔之內為負載提供核定電量，同時也能夠通過對虧損電量的計算來及時對蓄電池電量進行補給。從太陽能電池組件的串并聯情況分析，其核定范圍內的電池方陣功率計算公式為:

式中，Po是電池組件額定功率。

2.2 太陽能供電電源的技術性能分析

無人地震臺站一般光照條件都比較充足，這就為太陽能電源供電提供了充沛的地域條件。太陽能供電電源主要是由電池極板、穩壓器以及電瓶等部分構成。太能能供電電源的基本工作原理:太陽光照射在電池極板硅光電池之上，在專用線路及穩壓器的操控下實現對供電設備及時供電。無人地震臺站基于充足的光照條件，一般持續光照時間為上午的十時到下午的四時，若是太陽能電池板的額定充電量為20 Ah，則電池峰值過大就可能實現對光照條件的全天候供給。經過測試分析，太陽能電源在使用過程中應當充分考慮到此類電源與短周期地震儀之間的關系，通常一臺U73地震儀或是CR69垂直磁力儀就能滿足太陽能發電的基本使用需求。在脫離了對交流電的依賴之后，像是COMS數字鐘這樣的儀器在防止交流電電壓過高以及雷電損壞等方面都將產生積極促進作用。

2.3 太陽能供電電源的日常維護問題

無人地震臺站太陽能供電電源的日常維護，需要從以下幾方面得以體現:第一，一般相對于酸性電瓶而言，堿性電瓶的使用周期都相對較長，加上電瓶儲存電量較大的特點使得在電解液蒸發方面相對較大;第二，在遇到連續陰雨天氣時，充電量不足所導致的問題就更加嚴重，因此可針對實際情況對電瓶進行定期充電;第三，由于太陽能電源供電及線路長短不一等問題，做好穩壓元件的散熱工作至關重要;第四，對于正負電源的區分也是極為重要的，針對正負電源的及時隔離能夠有效防止儀器短路等問題的產生。此外，及時關注天氣變化對于無人地震臺站逆變電源的影響也同樣不容忽視，這對降低酸霧對設備的腐蝕極為有利。因此，太陽能供電電源日常維護工作的開展應當立足于基本的蓄電瓶保護、充電設備維護以及觀測系統構建等方面，切實提升太陽能供電的穩定性。

1993年以后，關于無人地震臺站太陽能資源的開發與利用成為了新時期對新能源的有效應用，這一舉措不僅使得傳統監測工作缺電問題被有效解決，同時也大大降低了交流電不足對于無人地震臺站的不良影響，無論是電源供電的質量還是效果都明顯提升。由于無人地震臺站的數字化觀測工作正全面展開，因此針對后備直流電源的開發與利用工作也應當在臺站觀測工作內容中有所體現，這是對臺站工作管理質量的有效保障。

3 結束語

綜上所述，無人地震臺站的太陽能供電系統作為地震臺站觀測的主要構成元素，在當前集成化及智能化背景下顯得越發重要。從歷史原因考慮，由于對電源系統的認知不夠深入或是電源系統故障出現的頻率過高，都直接影響到了儀器的正常能量供給，降低了監測儀器的使用壽命。從地震本身的突發特性分析，地震監測的實時性是不容忽視的，這就對當前太陽能供電系統提出了更高的要求，無論是針對其中電源系統的建設還是數據資料的搜集都從根本上保證了太陽能供電的及時與可靠。

［1］王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［2］趙爭鳴.太陽能光伏電及其應用［M］.北京:科學出版社，2005.

［3］何希才，張明莉.新型穩壓電源及應用實例［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［4］曲學基，王福增.穩定電源電路設計手冊［M］.北京:電子工業出版社，2003.