丁大業(yè)

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；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)

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·技術交流·

無人值守測震臺站風光互補發(fā)電系統的設計

丁大業(yè)1，2

(1.山西省地震局，山西太原030021；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)

摘要：我國測震臺站大多數地處偏遠山區(qū)，電網覆蓋面有限，解決臺站設備供電問題勢在必行。文章結合山西省風能及太陽能資源的分布情況，提出風光互補發(fā)電系統供電方式，并根據山西省內測震臺站所用設備情況，設計出風光互補發(fā)電系統，以解決無人值守臺站設備的供電問題。該系統既可提高臺站設備供電的可靠性，又實現了節(jié)能減排的效果。

關鍵詞：測震臺站；風光互補；供電系統

0引言

當今世界，電能已經成為人們生活、生產中所必需的能源之一。與此同時，資源匱乏、環(huán)境污染等問題愈發(fā)突出，能源生產發(fā)展與環(huán)境保護的矛盾日益突出。低成本、規(guī)?；每稍偕茉词墙鉀Q此類問題的有效出路。近年來，像風力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源利用技術得到迅速發(fā)展。

我國有豐富的可再生能源，近年來加快了風電、太陽能發(fā)電的發(fā)展。風能、太陽能等可再生能源具有資源充足、安全清潔、分布廣泛、用之不竭的特點，但存在不穩(wěn)定、受季節(jié)性影響變化大等不足。風能是由太陽能轉化而來，其轉換過程受到季節(jié)、地理及天氣等諸多因素影響。太陽能與風能在時間和地域上都具有很強的互補性，白天陽光最強時，風很小，晚上光照很弱時，地表溫差變化大，使風能加強。在夏季，光照強而風小；冬季，光照弱，風大。太陽能與風能相互配合利用，可充分發(fā)揮二者最大的作用。

測震臺站建設按照《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》，大多是無人值守臺站，分布在野外干擾小、晝夜溫差大、氣候惡劣的偏遠地區(qū)。此類地區(qū)地廣人稀，電網覆蓋能力有限，一般情況下供電情況都不太好[1]。所以，解決無人值守測震臺站的供電問題勢在必行。

1山西風光資源概況

山西地處黃河中游，大部分地區(qū)海拔在1 000 m以上，氣候具有四季分明、雨熱同步、光照充足、冬夏氣溫差別懸殊、晝夜溫差大的特點。各地風向、風速差異較大，形成各地特色的地方性風[2]。山西省風速的季節(jié)變化比較明顯，一般春季風速最大，其次為冬季。由圖1可知，山西省各地年平均風速基本在1.0～4.0 m/s，其中大部分地區(qū)年平均風速在1.5～2.5 m/s之間。據統計，山西大部分地區(qū)的太陽能資源較豐富，每年日照時間超過3 000 h[3](見表1)。因此，山西的這兩種資源有很好的利用前景。

圖1　山西省年平均風速分布圖Fig.1　Distribution of annual average wind speed in Shanxi Province

表1　中國太陽能資源分布表

2風光互補發(fā)電系統特點

風光互補發(fā)電系統是風力發(fā)電機和太陽能電池方陣兩種發(fā)電設備共同發(fā)電，通過風光互補控制器給蓄電池充電，同時供電給直流負載。另外，輸出的直流電可通過DC-AC逆變器轉換成220 V交流電，供給無人臺站的交流負載。風光互補發(fā)電系統根據天氣狀況，在有風的夜間或陰雨天，風力發(fā)電機單獨向負載供電；無風的晴天，光伏發(fā)電系統單獨向負載供電；有風的晴天，風力發(fā)電機和光伏發(fā)電系統聯合向負載供電。

風光互補發(fā)電系統的優(yōu)點如下：

(1) 充分利用綠色清潔能源，該系統無空氣污染、無噪音、不產生廢棄物。(2) 風光互補發(fā)電系統可以根據用電負荷情況和資源條件，進行系統容量的合理配置，既保證系統供電的可靠性，又降低發(fā)電系統的造價。(3) 利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統有較高的穩(wěn)定性和可靠性。(4) 能有效避免通過市電線路引入雷電流，導致設備雷擊[4]。(5) 風光互補發(fā)電系統維護工作量及費用大大降低。

典型12 V風光互補發(fā)電系統由風力發(fā)電機、太陽能發(fā)電板、風光互補控制器、蓄電池組和逆變器等部分組成(見圖2)。

3風光互補發(fā)電技術系統的設計

山西地區(qū)無人值守測震臺站主要設備為EDAS-24IP/GN數據采集器、BBVS-60/120地震計、3G無線路由器，使用DC12 V或者AC220 V供電，全部專業(yè)設備的功耗約為40 W。根據設備的用電量及當地風光資源情況設計風光互補發(fā)電系統，主要設備見表2。第15頁圖3為供電系統示意圖，主要的組成部分如下。

(1) 發(fā)電部分。安裝1臺功率300 W、12/24 V三相交流永磁風力發(fā)電機和兩組功率150 W、12 V太陽能電池板，風機啟動風速為2 m/s，額定風速13 m/s。當風機工作時，產生的三相交流電通過控制器降壓、整流，對直流負載提供電力，并對蓄電池進行恒流充電；當太陽能板工作時，產生的電能通過互補控制器對直流負載提供電力，并對蓄電池進行充電。

圖2　典型12 V風光互補發(fā)電系統Fig.2　Typical 12 V wind and solar power generation system

序號設備名稱規(guī)格數量1風力發(fā)電機300W12太陽能板12V、150W23蓄電池12V、100Ah44風光互補控制器12V、24V15DC-AC逆變器12V～220V16其他附件12V～220V1

(2) 控制部分。由風光互補控制器組成，完成風能—電能、太陽能—電能的轉換，并完成對蓄電池組的充電工作?？刂破鞑捎孟冗M的MPPT功率跟蹤技術，保證風能和太陽能的最高利用。具有自動識別12 V系統能力，根據蓄電池電壓自動調用相應參數進行充電管理?？刂破骺煽刂骑L力發(fā)電機對蓄電池進行自動充電，在蓄電池已充滿的情況下，通過內部電路自動控制，使風機剎車；當蓄電池電壓下降到恢復電壓時，風機恢復對蓄電池充電，從而保護了風機和蓄電池。

圖3　風光互補發(fā)電系統示意圖Fig.3　Sketch map of wind and solar power generation system

(3) 蓄電部分。由4塊12 V、100 Ah蓄電池組成，可完成電能的儲備任務。

(4) 供電部分。蓄電池連接到風光互補控制器上，可以直接供電給地震儀系統及3G無線路由器。另外，輸出的12 V直流電可通過DC-AC逆變器轉換成220 V交流電，供給臺站的交流負載。如日光燈及通信傳輸設備等。

另外，當風機在轉動時，由于機械本身部分摩擦及空氣擾動會產生一定的噪聲，此類噪聲低于日?；顒釉胍羲?，對地脈動噪聲的記錄影響很小。安裝風機時，可以加裝橡膠、軟木等減振材料，將噪聲影響降到最低。

4結論

綜上所述，風光互補發(fā)電系統可以很好地解決野外測震臺站及流動測震臺站的供電問題。同時，避免了因市電引雷致使設備遭受雷擊的可能。由于風光資源存在能量密度低、間歇性、不穩(wěn)定性的缺點，限制了風光互補系統的推廣。在實際工作中，需要根據當地的氣候資源情況及臺站所用儀器等負荷的功率，設計出安全可靠的供電方式。風光互補系統的投資相對較低，有望應用于風光資源豐富地區(qū)的臺站。

參考文獻：

[1]沃野.我國太陽能產業(yè)現狀分析及政策建議[J].當代經濟(下半月)，2008(4):90.

[2]張向東.山西風能資源及風力發(fā)電發(fā)展概述[J].山西電力，2009(5)：48-51.

[3]張峰.山西太陽能光伏技術現狀和對策研究[J].科技情報開發(fā)與經濟，2011(21)：175-178.

[4]盧化濱，付振常.風光互補發(fā)電系統在工程中應用的可行性分析[J].山西建筑，2011(10)：126-127.

Design of Wind and Solar Power Generation System of Unattended Seismic Stations

DING Da-ye1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021,China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Abstract:Most seismic stations in China locates in remote mountainous areas, network coverage is limited. To solve the power supply problem of equipments in stations is imperative. The Power supply mode of wind and solar power generation system is proposed according to the distribution of wind energy and solar energy resources in Shanxi Province. According to the equipments used in seismic stations in Shanxi province, wind and solar power generation system is designed to solve the problem of power supply of equipments in unattended stations. The system can improve the reliability of power supply of the equipments, and achieve the effect of energy conservation and emission reduction.

Key words:Seismic station; Wind and solar power generation; Power supply system

中圖分類號：P315.62

文獻標志碼：A

作者簡介：第一丁大業(yè)(1985—)，男，山西省大同市人。2013年畢業(yè)于太原科技大學，碩士研究生，助理工程師。

收稿日期：2015-10-11

文章編號：1000-6265(2016)01-0013-03