郭德順， 李 敬， 賴細(xì)華， 鄧 金

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.新豐江中心地震臺，廣東 河源 517021）

0 前言

在地震監(jiān)測臺網(wǎng)的建設(shè)過程中，為了臺網(wǎng)的合理布局，很多臺站只能建在不具備交流電供電條件的荒山野嶺地區(qū)，日常及儀器用電需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮?；㈤T地震綜合觀測站位于東莞市虎門鎮(zhèn)鯽魚崗水庫尾，地處偏僻，沒有市電供應(yīng)。臺站有強(qiáng)震、測震和GPS等觀測項(xiàng)目，為有人值守臺，日常用電主要是儀器設(shè)備所需的直流電和工作人員照明燈具、電視機(jī)等所需的交流電。

1 智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

1.1 總體設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)構(gòu)成

按照虎門地震綜合觀測站的日常用電需求，直流用電包括：地震儀器設(shè)備，全天24 h運(yùn)行，直流12 V，用電功率50 W。交流用電包括：照明燈具50 W，每日照明時間6 h，電視機(jī)100W，每日工作時間10 h。每日總計(jì)用電量按2 500瓦時計(jì)算。

圖1 太陽能供電系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 The composition of solar power supply system

臺站的供電系統(tǒng)以太陽能為主，汽油發(fā)電機(jī)為輔，兩者相互補(bǔ)充。同時配備48V儲能蓄電池組，其容量必須保證4 d陰雨天的連續(xù)供電。整個系統(tǒng)的核心控制元件為控制逆變一體化電源，由它完成各種檢測、控制指令和太陽能、發(fā)電機(jī)的切換工作，保證在正常情況下由太陽能對外供電，在蓄電池欠壓情況下自動啟動汽油發(fā)電機(jī)對外供電[2、3]。 系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

1.2 東莞市氣候條件

東莞市瀕臨南海，地處北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。具有夏長無冬、陽光充足、雨量充沛、熱量豐富、氣候溫和、溫差振幅小及季風(fēng)明顯等特點(diǎn)。但也常受臺風(fēng)、暴雨、春秋干旱、寒露風(fēng)及凍害的侵襲。按候（5 d為一候）平均氣溫≤10℃為冬季， ＞10℃～＜22℃為春秋季， ≥22℃為夏季的氣候特征劃分季節(jié)，則東莞市沒有氣候意義上的冬季[1]。 年降雨量1 788.6 mm，有84%集中出現(xiàn)在4～9月的雨季中，以5月為多（288.2 mm），5～9月的降雨量都在200 mm以上；月最少降雨量，出現(xiàn)在12月（25.8 mm）。年降雨日數(shù)有147 d，以6月為多，有18.5 d；12月最少，不足5 d。年暴雨日數(shù)為7.7 d，有91%的暴雨集中出現(xiàn)在雨季期間。平均相對濕度為79%，以5和6月份最大（85%）。年平均風(fēng)速為1.9 m/s，6～7月稍大（2.1m/s）， 11～12 月較小（1.7 m/s）。 年平均大風(fēng)日數(shù)有4 d，主要出現(xiàn)在7～9月。盛行東風(fēng)，大約10月開始至次年2月轉(zhuǎn)成東北偏北風(fēng)。常受臺風(fēng)、暴雨、春秋干旱、寒露風(fēng)及凍害的侵襲。年雷暴日數(shù)為83天，5～9月各月的雷暴日數(shù)均在10天以上，其中尤以8月為最多，達(dá)到17 d。東莞市處于北緯 22°39′～23°09′， 東經(jīng) 113°31′～114°15′區(qū)域，太陽高度角較大，太陽總輻射量與日照時數(shù)充足，東莞地區(qū)陽光充足，太陽輻射每年平均為109 884KWh/cm2， 每月平均為 6240～124 88.4KWh/cm2。年平均日照時數(shù)為1 967.1 h，平均日照率達(dá)45%。最多時1963年達(dá)2 320.8 h，最少時1961年為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，平均分別為91.3 h和91 h。

從氣候條件看，虎門地震綜合觀測站符合采用太陽能光伏電池供電的設(shè)計(jì)要求。

1.3 東莞地區(qū)峰值日照條件

通過中國各省市峰值日照時數(shù)表，可知東莞市各月水平面峰值日照時數(shù)，見表1。

根據(jù)以下公式， 選擇不同的方陣傾角，峰值日照小時將有所變化，見表2。計(jì)算方陣系統(tǒng)β傾角下的輻射量：

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

式中，Sβ：β傾角方陣太陽直接輻射分量；α：中午時太陽高度角；S：水平面太陽直接輻射量。

式中，Φ：當(dāng)?shù)鼐暥?；δ：太陽直射點(diǎn)緯度，北半球取+號。

式中，n：從一年開頭算起第n天的太陽直射點(diǎn)緯度（°）

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和效率，我們選擇25°的系統(tǒng)傾角。一般情況下，獨(dú)立系統(tǒng)的峰值日照時數(shù)考慮最小值，在日照最少的季節(jié)恰好能夠供電，而在日照好的季節(jié)會有盈余，因不能完全利用會有很小的浪費(fèi)。而本系統(tǒng)有汽油發(fā)電機(jī)作為補(bǔ)充，在計(jì)算裝機(jī)容量時，考慮大部分季節(jié)光伏系統(tǒng)供電正常，而在很少的月份會虧電，虧電部分由汽油發(fā)電機(jī)發(fā)電補(bǔ)充，這樣負(fù)載既能正常用電，也節(jié)省了成本。本系統(tǒng)峰值日照時數(shù)我們選3.5 h，在2～4月份出現(xiàn)虧電時由汽油發(fā)電機(jī)發(fā)電補(bǔ)充。

表2 東莞地區(qū)不同方陣傾斜角峰值日照時數(shù) （KWh/m2.d)Table 2 Sunshine hours of bevel peak in different array tilt angle of Dongguan

1.4 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

1.4.1 負(fù)載消耗電能估算

根據(jù)臺站的用電要求，交直流總負(fù)載每日消耗電能為： 50 W×24 h＋50 W×6 h＋100 W×10 h＝2 500 Wh，見表3。

1.4.2 蓄電池容量計(jì)算

如表2每日所需總安時數(shù)，連續(xù)陰雨天工作天數(shù)按4 d計(jì)算，同時考慮必須容量余量，本系統(tǒng)需配備12個規(guī)格為12 V 100 Ah的蓄電池，見表4。

表3 系統(tǒng)負(fù)載能力估算Table 3 The load capacity estimation of system

1.4.3 太陽能光伏電池功率計(jì)算

按負(fù)載每日消耗電能計(jì)算，本系統(tǒng)所需規(guī)格為85W/24V的太陽能光伏電池板12塊，太陽能電池方陣功率為1 020 Wp，見表5。

1.4.4 控制器組件選擇

按本系統(tǒng)太陽能光伏電池功率要求，同時考慮成本控制，采用PWM（Pulse Width Modulation脈沖寬度調(diào)制）控制方式的太陽能控制器，技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

1.4.5 交流逆變器組件選擇

按本系統(tǒng)交流負(fù)載的設(shè)計(jì)要求，同時考慮功率余量，交流逆變器組件選型的技術(shù)指標(biāo)如表7所示。

表4 蓄電池容量計(jì)算Table 4 The capacity calculation of battery

表5 太陽能光伏電池發(fā)電功率計(jì)算Table 5 The power generation calculation of solarphotovoltaic battery

表6 太陽能控制器組件選擇Table 6 Component selection of solar controller

1.5 控制逆變一體化電源設(shè)計(jì)

虎門地震綜合觀測站既有12V直流負(fù)載，又有220V交流負(fù)載，優(yōu)先由太陽能光伏電池供電，在蓄電池組欠壓時節(jié)又要啟動汽油發(fā)電機(jī)發(fā)電作為補(bǔ)充，整個系統(tǒng)較復(fù)雜。我們將直流智能控制單元、交流逆變器、直流轉(zhuǎn)換模塊、降壓模塊、整流模塊、自動控制模塊、切換模塊和可控延時開關(guān)等整合為一臺設(shè)備，稱之為控制逆變一體化電源，核心部件是直流智能控制單元，其不但設(shè)計(jì)有太陽能控制器的功能，同時通過對內(nèi)部的單片機(jī)編程，使各相關(guān)模塊高效、有序的工作，邏輯控制流程如圖2所示。

表7 交流逆變器組件選擇Table 7 Component selection of AC inverte

一體化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明：

（1）白天正常情況下，太陽能電池組件通過智能控制單元、交流逆變器和直流轉(zhuǎn)換模塊輸出220 V交流電和12 V直流電，分別為交流負(fù)載和直流負(fù)載供電，同時對蓄電池組充電。

（2）系統(tǒng)為光、油互補(bǔ)控制系統(tǒng)，光伏逆變部分優(yōu)先工作，油機(jī)作為互補(bǔ)，在蓄電池組欠壓的情況下，自動切換到油機(jī)給負(fù)載供電，并且同時通過降壓和整流模塊為蓄電池組進(jìn)行充電。

圖2 一體化電源系統(tǒng)邏輯控制流程Fig.2 The logical control process of integrated power system

（3）采用一組具有聯(lián)動功能的切換模塊在光、油系統(tǒng)之間進(jìn)行切換。當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動發(fā)電時，切換模塊交流線圈通電吸合切換開關(guān)，為交直流負(fù)載供電，同時斷開逆變器開關(guān)，減少不必要的功耗。當(dāng)發(fā)電機(jī)停止工作時，自動合上逆變器開關(guān)。

（4）發(fā)電機(jī)啟動后通過可控延時開關(guān)預(yù)熱3分鐘，待電壓穩(wěn)壓后再向負(fù)載供電，避免開始時電壓過高燒壞設(shè)備。

2 結(jié)語

在偏僻山區(qū)建設(shè)地震臺站，由于通常沒有市電到達(dá)，首要解決的就是設(shè)備的用電問題。太陽能是一種可持續(xù)利用的清潔能源，通過對控制系統(tǒng)進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)，既能滿足設(shè)備的用電需求，對于有人值守臺站，還能滿足工作人員的日常生活用電需要?；㈤T地震綜合觀測站的太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價值。

[1]黃進(jìn).雅礱江中下游地震監(jiān)測系統(tǒng)臺站機(jī)房布設(shè)技術(shù)設(shè)計(jì)[J].華南地震， 2012， 32 （S1）： 110-118.

[2]陳智群，劉吉平，李敬.河源臺地電專用電源和外線路故障查修方法[J].華南地震，2013，33（2）：117-123.

[3]東莞市地方志編纂委員會.東莞市志 （上）[M].廣州：廣東人民出版社，1995.