太陽能供電系統在多分量鉆孔形變臺站的應用

2018-03-23 06:01:05劉慶紅竇立婷

山西地震 2018年1期

成誠，劉慶紅，竇立婷，耿偉，李云，平旗

(1.山西省地震局長治中心地震臺，山西長治 046000；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西太原 030025)

0 引言

長治中心地震臺鉆孔形變臺是“鉆孔應變組網觀測實驗與應變實時監視系統”項目新建臺站之一，使用鶴壁生產的YRY-4多分量應變儀。臺站自2014年6月負責運維，儀器運行穩定，數據產出良好。由于原設備配套用防雷隔離電源頻出故障，影響觀測資料的連續性。經與設備主產方、數據使用方、臺站維護方三方溝通，決定改用太陽能直流供電。文章對改用太陽能供電系統后，儀器運行及觀測資料連續率進行簡要分析。

1 防雷隔離供電系統

防雷隔離電源系統的供電系統由220 V交流電驅動電機帶動高絕緣皮帶，將電能轉為機械能再轉換為電能，然后輸出12 V和5 V直流給分量式鉆孔應變儀和光纖接收器供電，同時給蓄電池充電。停電時，由電瓶直接給設備供電。

自長治臺負責運維以來，發現該供電系統存在較大的設計缺陷，統計故障原因(見表1)，發現防雷隔離電源的故障主要有：

(1) 防雷隔離電源系統內的絕緣皮帶因老化使皮帶斷裂，引起供電電壓不穩定或供電中斷[1]。

(2) 沁源臺交流電為農電，電壓不穩，啟動時沖擊電流大，防雷隔離電源電機會燒壞。

(3) 沁源臺停電較多，僅由一個12 V直流電瓶供電，由皮帶帶動電機工作發電進行轉換供電，電能損耗較大，供電時間有限，恢復供電，防雷隔離電源發電機功率無法給電瓶充電的同時保證數據采集器和光纖收發器[2]。

表1 2014年分量鉆孔應變儀故障分析Table 1 Failure analysis of component boreholestrain gauge in 2014

2 太陽能供電系統

2.1 太陽能供電系統設計

2.1.1 設備功耗分析

沁源臺分量鉆孔應變觀測系統負載包括光纖收發器、數據采集器、井下傳感器等，全部負載功率約為5 W，觀測系統24 h運行，日均耗能約120 WH。根據電功率公式，計算出理論負載電流約為0.5 A。

2.1.2 蓄電池容量的計算與選取

蓄電池容量主要考慮最大連續無日照時間負載功耗，在沁源臺地區，為確保負載正常運轉，考慮到充分的余量，假定最大連續無日照天數為8天。

蓄電池放電深度為防止蓄電池過充和過放，一般充電到90%左右，放電余留5%～20%左右，考慮到蓄電池容量周期性的降落和老化，通常選為0.7[3]。

計算蓄電池容量：

C=每日總耗電瓦時×最大連續無日照天數/蓄電池放電深度/蓄電池電壓=5 W×24 h×8 d/0.7/12 V=114.3 AH。

根據計算理論值得出，選取兩只12 V/100 AH蓄電池并聯成12 V/200 AH蓄電池組，可滿足工作需要。

2.1.3 太陽能供電系統功率設計

太陽能電池板的作用是將太陽能直接轉換成電能，供負載使用或存貯于蓄電池內備用[4]。太陽能電池板容量設計主要考慮的因素有負載耗能量、功率轉化因子、當地平均日照值等。

(1) 蓄電池組充電效率Kc(0.98)。

(2) 太陽能蓄電池組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數K×(0.9)。

(3) 太陽電池方陣組合損耗系數KZ(0.96)。

(4) 控制器的轉換效率Kn(0.88)。

(5) 系統綜合效率=Kc×K×KZ×Kn×0.98×0.9×0.95×0.88×24(蓄電池電壓)/35(太陽能蓄電池組件壓)=50%。

(6) 取30°傾斜面峰值日照時數，平均日照時數Ht=1 580/365=4.3 h。

綜上，監控設備日耗電量理論值為120 Wh，根據日照時數和系統效率計算出需要組件功率為120 Wh/4.3 h/0.5=55.8 W。

按計算結果，選用單塊200 W多晶體太陽能板即可滿足要求。

2.1.4 太陽能控制器選擇

太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，用于太陽能發電系統中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電，及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備[5]。太陽能控制器選用LB01系列PWM型，其最大的優點是：采用IGBT模塊開關，內阻更低、過載、過流、欠壓短路自動保護、LCD圖形符號，簡潔的按鍵操作，電池種類設置、8～72 V電壓自動識別、可設置負載工作模式等。

對太陽能控制器的參數設置，截止充電電壓為13.5 V，低壓恢復電壓12 V，低壓保護電壓11.4 V，光控24 h，電池種類為鉛酸類蓄電池(見圖1)。

2.2 太陽能供電系統安裝

沁源臺太陽能板采用200 W多晶體硅太陽能板，放置于臺站屋頂正南方向，支架四角通過鋼絲與房屋四角連接，能夠承受4級以上風力。太陽能板的傾角角度能較好接收太陽光輻射，沁源臺傾角采用屯留某公司的光伏發電場建設項目計算出的角度，即當地緯度35°①長治市屯能光伏發電科技有限公司.長治屯留30 MW光伏發電項目可研報告，2011.。

太陽能供電整體方案如圖2所示。