偏遠地震臺站光伏供電系統容量配置研究

唐 浩，白曉川，李鴻庭，常 明，馬 瑞

（寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，地震監測工作有了長足的發展。隨著國家地震烈度速報與預警工程的實施，在全國范圍內將建設一大批地震觀測臺站。臺站的建設將為地震監測工作提供實時、準確、可靠的監測數據，這些數據為地震預警和烈度速報的準確性和及時性打下了堅實的基礎。保證臺站儀器設備的正常穩定運行顯得至關重要，而保障臺站供電的持續可靠是關鍵。太陽能光伏供電有效的解決了偏遠地震臺站市電供給困難，供電成本高昂等問題；但是由于太陽能的間歇性、隨機性、不確定性使得供電的持續性和可靠性難以得到保障[1]。合理配置偏遠地震臺站中光伏電池板和蓄電池的容量可有效的提高供電的可靠性和穩定性，保證地震監測數據的實時連續。

目前，針對獨立光伏供電系統的容量配置已有了較為深入的研究，針對地震臺站供電系統的研究也有一些，但是針對地震臺站光伏供電容量配置的研究還比較少[2-4]。在實際應用中存在光伏電池板容量和蓄電池容量配置不合理，造成陰雨天斷電，蓄電池過速老化等問題。基于此，本文對偏遠地震臺站光伏供電容量配置進行研究，考慮臺站儀器功耗，當地的日照條件以及蓄電池的充放電特性等，搭建蓄電池和光伏電池板容量配置模型，給出計算公式，通過實例計算驗證容量配置模型的實用性。

1 偏遠地震臺站供電模型

偏遠地震臺站往往建在人煙稀少的山區中，受人為活動干擾小，具有地動背景噪聲低，記錄地震清晰等優點，為分析地震波提供了優質的數據波形。但是正因為其偏遠也存在供電困難，供電成本高昂等缺點。隨著光伏發電技術的成熟，運用光伏供電有效的解決了偏遠地震臺站供電困難的問題。

偏遠地震臺站供電系統主要由光伏電池板，蓄電池組和用電設備組成。其供電系統模型如圖1 所示。

圖1 偏遠地震臺站供電模型Fig.1 Power supply model of faraway seismic station

2 偏遠地震臺站供電容量配置

2.1 負載

地震臺站用電設備主要以測震設備和通訊設備為主，直流12V 供電，具有功耗低，工作電流穩定等特點。記測震設備的負載功率為Pz，通訊設備負載功率為Pt，則總負載功率P 為：

偏遠地震臺站一般都為無人值守臺站，這里不考慮照明負載。

2.2 光伏電池板

光伏電池板將太陽能轉化為電能。其輸出功率主要受光照強度和溫度的影響。其功率輸出的簡化模型如式（2） 所示[5]。

式中：G 為光照強度，G0為標準測試環境下的光照強度；t 為環境溫度，t0為標準測試環境下的環境溫度；K 為溫度系數；P 為額定電壓。

圖2 給出了標況下光伏電池板的伏安特性曲線[5]。

圖2 標況下光伏電池板的P-V 曲線Fig.2 P-V curve of photovoltaic panel under standard conditions

2.3 蓄電池

臺站一般使用鉛酸電池，主要關注蓄電池的輸出電壓和容量。蓄電池的容量表征蓄電池儲存電能的能力大小，用安時容量（A·h） 或瓦時容量（W·h） 表征。

安時容量=放電時間×放電電流；

瓦時容量=安時容量×平均放電電壓；

蓄電池放電過程中受放電深度和蓄電池自身荷電狀態等因素的影響，一般蓄電池的放電深度最大為90%，為了避免過放影響蓄電池的使用壽命，一般放電深度為30%～80%。蓄電池的荷電狀態是蓄電池充放電的重要約束指標[5-6]。

蓄電池放電時，t 時刻的荷電狀態為：

蓄電池充電時，t 時刻的荷電狀態為：

式中：η 為實蓄電池的自放電率，ηc為充電效率，ηf為放電效率，Pc（t）為充電功率，Pf（t）為放電功率，E 為額定容量，Δt 取1h。

蓄電池放電時的功率輸出模型可表示為[5]：

2.4 容量配置

偏遠地區地震臺站供電系統容量配置主要分為兩部分：蓄電池容量配置和光伏電池板容量配置。蓄電池容量配置是在考慮蓄電池放電深度，負荷缺電率等約束條件下以滿足負載連續運行為目標；光伏電池板容量配置是在考慮光伏電池板的輸出效率，當地的光照條件等約束條件下以滿足負荷用電和蓄電池充電為目標。

2.4.1 蓄電池容量配置

容量配置以保證負載連續可靠運行為目標，即負載缺電率為零。負載缺電率指一定時間內發電系統不能滿足負荷功率需求的概率用flpsp表示[6-7]。

蓄電池容量配置首先要滿足負載連續可靠運行，其次應根據負載大小合理配置蓄電池容量，蓄電池容量配置過小難以保證負載連續可靠運行，容量配置過大會增加投入成本，加速蓄電池老化。因為光伏電池板供電受日照時間、氣象條件等因素影響較大，所以在容量配置過程中要充分考慮這些因素。另外，由于蓄電池充放電過程中受放電深度，荷電狀態，自放電率等因素的影響，所以在容量配置過程中也應充分考慮這些因素的影響。

蓄電池容量用安時容量（A·h） 表示，用蓄電池放電電流乘以工作時間即可得到它的容量大小。考慮到連續陰雨天氣情況，蓄電池充電電流為零，需連續放電，所以蓄電池放電時間應為最大陰雨天數乘以24 小時。另外，考慮蓄電池的放電深度，自放電率和放電效率即可得到蓄電池容量配置的計算公式為：

得到蓄電池的安時容量QAh后乘以額定工作電壓即可得到蓄電池的瓦時容量QWh，即：

式中，QAh為蓄電池的安時容量，QWh為蓄電池的瓦時容量，U 為蓄電池工作電壓，I 為蓄電池工作電流，T 取24h，d 為最大陰雨天數，α 為放電深度，η 為自放電率，φ 為放電效率。

2.4.2 光伏電池板容量配置

確定了蓄電池容量后，需要合理配置光伏電池板的容量，光伏電池板的容量過小會導致蓄電池浮充，難以保證蓄電池在夜間和陰雨天連續可靠供電；光伏電池板容量過大會增加設備成本，造成資源的浪費。

光伏電池板工作時間段需要能夠在保證設備用電的基礎上給蓄電池充電。光伏電池板的輸出功率受溫度和光照強度等因素的影響，所以在配置光伏電池板容量時應考慮當地的溫度和光照強度。由于地震臺站設備需要保證其連續可靠運行，所以溫度取該地區近五年來的最低日平均氣溫。光伏電池板容量大小應滿足在有效發電時間內發電量滿足負載消耗電量和給蓄電池組充電的電量[2，8]。光伏電池板容量配置計算公式為:

式中，Ul為負載工作電壓；Il為負載工作電流；Tl為負載工作時間；B 為容量系數；容量系數的選取與電池板的冗余量成正比；β 為總的損耗因子。

式中，β1為光伏電池板系統損耗因子，β2為溫度損耗因子，β3為光照強度損耗因子，β4為充放電損耗因子。

3 實例分析

3.1 實例一

以寧夏牛首山測震臺站為例對容量進行配置。牛首山測震臺位于青銅峽市，地處偏僻，四周開闊無遮擋，適宜架設太陽能供電。牛首山測震臺負載主要有測震設備、強震設備和通訊設備。負載1 為測震設備，負載2 為通訊設備，負載3 為強震設備。圖3 為一天內牛首山測震臺供電電壓的變化曲線圖，圖4 為一天內牛首山測震臺供電電流的變化曲線圖。

圖3 牛首山測震臺供電電壓的變化曲線圖Fig.3 Variation curve of power supply voltage of Niushoushan Seismic Station

圖4 牛首山測震臺供電電流的變化曲線圖Fig. 4 Change curve of power supply current of Niushoushan Seismic Station

由圖3 可以看出，早上7 點后供電電壓隨著時間逐漸升高，在15 點之后隨著時間供電電壓下降，到18 點后電壓穩定在12.4V 左右。變化規律符合光伏電池板供電規律，早上7 點后隨著太陽升高，氣溫上升，光伏電池板開始發電，系統供電由光伏電池板提供，供電電壓隨之上升；下午15 點之后隨著太陽西落，氣溫降低，光伏電池板供電電壓下降。夜間18 點到次日早上7 點，光伏電池板不工作，系統供電由蓄電池提供，電壓維持在蓄電池的額定輸出電壓。由圖4 可以看出，白天隨著供電電壓的升高，供電電流會隨之減小，夜間供電電流趨于額定值。由此可以看出地震臺站負載設備工作穩定，功耗穩定。

根據式（7）計算蓄電池的配置容量，I 取平均日平均工作電流，查閱歷史氣象數據連續陰雨天數d 取6 天，放電深度α 取80%，自放電率η 取5%，放電效率φ 取80%。計算得到蓄電池的安時容量為339Ah，計算得到蓄電池的安時容量后，可根據式（8）計算得到蓄電池的瓦時容量。

根據式（9）計算光伏電池板容量Qg，光伏電池板在有效工作時間內既要滿足負載用電量也要給蓄電池充電。蓄電池充滿電時間可根據當地氣象條件進行設定，若當地連續陰雨天較少，充滿電時間可設定較長，如果當地連續陰雨天較多，則充滿電時間應設定較短。牛首山地區連續陰雨天較少，設定蓄電池充滿時間為3 天，則T1為3×24h，由圖1 可以看出光伏電池板一天內有效工作時間為8h，則Tg為3×8h。B 取 1.1，β1取 0.95，β2取 0.9，β3取 0.9，β4取0.95。計算得到光伏電池板容量為331W。

3.2 實例二

以寧夏磁窯堡強震臺站為例對容量進行配置。磁窯堡強震臺位于靈武市磁窯堡鎮。磁窯堡強震臺負載主要有強震設備和通訊設備。負載1 為強震設備，負載2 為通訊設備。圖5 為一天內磁窯堡強震臺供電電壓的變化曲線圖，圖6 為一天內磁窯堡強震臺負載電流的變化曲線圖。

圖5 磁窯堡強震臺供電電壓的變化曲線圖Fig. 5 Variation curve of power supply voltage of Ciyaobao strong seismic station

圖6 磁窯堡強震臺供電電流的變化曲線圖Fig. 6 Variation curve of power supply current of Ciyaobao strong seismic station

由圖5、6 可以看出，磁窯堡強震臺供電電壓和電流變化趨勢與牛首山測震臺供電電壓和電流變化趨勢相類似。從充電到放電符合光伏供電系統工作規律。根據式（7）計算磁窯堡蓄電池的配置容量，I 取1A，連續陰雨天數d 為3天，放電深度α 取80%，自放電率η 取5%，放電效率φ 取80%，計算得磁窯堡強震臺蓄電池容量為118Ah。根據式（9）計算光伏電池板容量 Qg，B 取 1.1，β1取 0.95，β2取 0.9，β3取0.9，β4取0.95；計算得到磁窯堡強震臺光伏電池板容量為146W。

實例計算結果如表1 所示。表1 給出了牛首山測震臺和磁窯堡強震臺蓄電池和光伏電池板容量的計算結果。

表1 容量配置計算結果

實際應用中牛首山測震臺可以選用4 塊100Ah 的蓄電池和兩塊額定輸出功率為180W 的光伏電池板分別并聯組成供電系統；磁窯堡強震臺可以選用一塊120Ah 的蓄電池和一塊額定輸出功率為180W 的光伏電池板組成供電系統。

4 結語

獨立光伏供電系統為在偏遠地區建設地震觀測臺站提供了有力的供電保障。根據當地的日照條件，負載的用電特性等合理配置光伏電池板和蓄電池容量不僅可以為地震觀測設備提供連續穩定的電源，還可以提高設備使用率，增加設備使用的壽命，節約成本。隨著國家地震烈度速報與預警工程的實施，為今后在偏遠地震臺站架設供電設備提供容量計算參考模型。