黑龍江省無人值守地震臺站利用太陽能結合風力供電的研究

程 可，郭悅立，王 寧

（黑龍江地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

黑龍江省饒河縣隸屬黑龍江省雙鴨山市，位于黑龍江省東北邊陲，地理坐標為北緯46°30′44″～47°34′26″，東經133°07′26″～134°20′16″。饒河的地理位置介于北回歸線與北極圈之間，一年中太陽高度角的變化以及與之相關的各季節太陽輻射量的變化都較大。饒河冬至日7時37分日出，16時20分日落，正午太陽高度角為20°15，夏至日4時19分日出，19時53分日落，正午太陽高度角為67°45′。冬、夏兩季晝長時間相差懸殊，冬至日正午太陽高度不及夏至日的1/3。因此，在黑龍江省境內進行對無人值守臺站的供電設計需要包含經過測算和多年太陽能安裝經驗，黑龍江地區電池板的安裝角度一般在60°，一是為防止冬季積雪，二是為滿足冬季太陽夾角20°15'的需要，同時也要綜合夏季太陽的夾角規律，由于夏季光照時間長，色溫比較高，所以角度要向冬季傾斜以滿足冬季充電需要。

由于本項目在野外施工，離縣城有近20 km的路程，施工現場條件惡劣，水電都沒有，又是在山上，交通條件很差而且不通車，施工難度和費用高，6 m高度的支架需要搭建高空作業平臺，又因為安裝基礎為巖石，需混凝土澆筑30 t底座基礎，所有設備工具及沙石、水泥、水、管材等材料均需人力走2 km運到山上，人工和運輸成本將成倍高于其他土建項目。

1 發電控制系統控制器構成和風電互補設計思路

此次項目所采用的核心控制部分為跟蹤太陽能最大功率控制器[1]的TriStar MPPT，Morningstar的TrakStar所具備的專利跟蹤技術又一次成功地應用于其典型通用的光伏控制器——TriStar上，最新推出的TriStar MPPT太陽能充電控制器，能夠在功率為3 kW的光伏供電系統中給現場備用蓄電池充電使用，最高峰值電壓效率可達到99%，相比以往其他AGPT，MPPT類型充電控制器，在功率的損失上KEYI可降到最小。在光伏控制器的內部帶有一個非常靈敏的跟蹤計算裝置，此裝置實時按照內部固化的計算方法，通過快速瀏覽光伏陣列的IV曲線找到光伏陣列的最大功率點輸出最大值。同時，這款產品是光伏控制器中的第一款能夠進行全面的網絡操作的控制器,并且可以保存并記錄長達200 d的來自光伏陣列的采集數據，其具有以下優點：

1.1 最大限度地提高能源轉換

龍炎公司擁有專利技術TrakStar MPPT，它能夠使得其最大功率跟蹤控制器比其他的MPPT控制器能更好的識別器件光伏陣列的峰值最大功率點，并且非常迅速地瀏覽整個器件間的IV曲線，在遮影或混合方陣時也可識別多個功率采樣點，即使在太陽光被遮擋和日照不充足的情況下也能夠發揮最佳的能源轉換表現。

1.2 極端可靠性強

控制器內部為了避免溫度過高進行了強大的散熱片設計，而且設備內部取消風扇制冷，從而增強了整個控制系統的穩定性，同時并聯的輔助電路設計能夠保護和延長控制器核心電子元件的使用壽命，并且內部無機械性質的繼電器和全面的電子保護措施，這里主要包括光伏陣列的漏電短路保護。內部硬件全部采用環氧樹脂封裝電路和涂層印刷電路板。

1.3 輸出效率高

利用本身獲得專利的獨特算法為基礎，完成能夠輸出99%的峰值效率，從而最大限度的減少自身功率損耗以達到非常低的自耗。在現場溫度高達45℃時也能持續地全功率工作，無需降低額定功率，其中經過精心挑選的高性能電子元器件也能夠減少因為設備發熱而帶來的輸出效率的損失。

1.4 全面開放的網絡和通信功能

通過目前通信領域開放式的通用MODBUS通信協議和自身配置的可觀察軟件可以對系統進行現場監控，采集數據錄入和現場參數設置。也可以通過Meterbus協議實現與Morningstar其他同類產品之間的兼容和通信，設備采用RS232串口與計算機直接相連，接口采用485通道實現多個同類產品設備之間的通信，控制器也可利用以太網口通過外網Web瀏覽器或者發送E-mail或短信的形式來從局域網或者internet網觀察數值狀態和傳輸報警信息。

1.5 觀測儀表和實時數據錄入

采用配套可選的Trista儀表和遠程監控儀表能夠提供詳細的工作數據，警報、故障信息和狀態，3個LED數碼管燈顯示系統實時狀態。數據記錄長達200 d左右。主機的技術參數如下：

TS-MPPT-45和TS-MPPT-60蓄電池最大供電電流：分別為45 A和60 A。

最大光電池輸入額定的電壓為12 V時功率為600 W、800 W，電壓為24 V時功率為1 200 W、1 600 W，電壓為48 V時功率為2 400 W、3 200 W。

最高峰值效率為99%。

產生額定的系統電壓：12 V，24 V，36 V或48 V直流。

產生最大的光電池開路電壓：150 V。

連接蓄電池工作電壓范圍：8～72 V。

設備最大自耗2.7 W。

器件瞬間浪涌保護：4 500 W/每通道。

在電子保護方面：

電池板部分：具有防過載、短路、高壓功能。

蓄電池部分：具有防高壓、高溫、雷擊和浪涌以及夜間電流反向流動功能。

蓄電池充電過程具有4級充電方式：快速充電方式、吸收充電方式、浮充方式和均衡充電方式。

溫度補償系數：-5 mV/℃/cell（25℃參考）。

適用溫度范圍：-30℃～+80℃。設置點吸收，浮充，均衡，高壓。

備注：內部附有遠程溫度傳感器。

現場使用環境：現場環境溫度：-40℃～+45℃，現場儲存溫度：-55℃～+100℃。100%無凝結。

適應熱帶氣候條件：環氧封裝、涂層電路板和海洋額定端子。設備安裝在室內通風處為宜。

整個供電系統的電氣設計思路：12塊太陽能電池板采用每4塊串聯作為1組，然后分為3組并聯作為輸入通道接入避雷裝置的輸入端，避雷裝置的輸出端在和太陽能控制器的輸入端通道的端子相連接，同時風力發電的輸出也接入控制器專門為風力輸入的專用通道，這樣供電系統的輸入部分就連接完畢。控制器的輸出和電瓶相連接對電瓶充電，具體參數設置要根據現場需要設定。電瓶輸出線接入專用監控設備用來遠程針對現場環境中的一項進行監控，最后輸出12 V電源對現場用電設備供電。

2 室外電池板的選擇、安裝及其基礎建設

由于此次供電系統的施工安裝地點處于黑龍江省饒河地區無人值守的地震臺站，臺站位于山區日照時間較市區短，另外施工位置處于山谷當中，周圍又有樹木遮擋，因此對太陽能板和安裝平臺的建設都有一定的要求。

項目使用的太陽能電池板是采用碲化鎘[2]薄膜制成，因為碲化鎘是一種高吸收性質的化合物半導體，半導體特性是硅的100倍，其中的能隙寬度對于光電轉換最為適合，此種結論是多方論證的結果。鑒于臺站對于供電的特殊要求，定制的這種薄膜太陽能電池溫度系數小，弱光效果及穩定性好、能量回收時間短、安全環保。

太陽能電池板和風力發電設備安裝在一個鋼結構制成的平臺上，使用角鋼做成的支架將太陽能板與平臺底座利用螺絲緊緊固定。支架的坡度可調整到能夠讓太陽能電池板保持傾斜60°左右，平臺周圍使用不銹鋼管做成圍欄，在圍欄角落用立柱安裝風力發電設備。

平臺支撐立柱采用直徑為120 cm粗的鋼管支撐，表面鍍鋅。底座與混凝土預埋件用錨栓連接在一起，做到牢固耐用，按照避雷要求以及規范將接地扁鋼與地網焊接。地面采用混凝土澆筑埋深1 m左右使其達到抗震標準。

3 結束語

在黑龍江省北部山區的無人值守臺站為設備供電一直是困擾項目建設的重要問題，每次采用市電供電就會出現征地、線路建設、維護等一系列困難以致延誤工期，如果采用風光互補供電系統就會很好地解決這個問題，按照以上研究思路通過在黑龍江省饒河地震臺具體施工應用可以證明本設計完全能夠實現對現有設備進行供電，如果在無人值守臺站增加大功率設備時，需要相應增加太陽能電池板和較大容量電瓶才能滿足現場需要。

問題：（1）由于無人值守地震臺站地處偏僻并且多為山地，地面多為巖石構成，因條件所限對電纜的預埋造成困難，在沒有辦法的情況下只能采用立桿懸空架線。如果臺站處于雷災害頻發地區容易引起雷擊造成避雷設備損壞，嚴重時還會損毀現場設備，因此對避雷的要求和等級有著較高的要求。

（2）山區在8月屬于雨季頻發期，在此期間陽光照射時間短，而且在風力較弱的情況下會對發電、供電有影響。但目前就饒河地震臺站現有的低功率設備運行情況來看一切正常，沒有發生電源故障。