用于北斗設(shè)備的應(yīng)急多電源自供電系統(tǒng)研究

劉紅旺，馬智杰，楊澤明，付勛波，王永超，鄂春良

（1.天津水科機(jī)電有限公司，天津 301900；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100089；3.北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司，北京 102200）

1 概述

智能水網(wǎng)的建設(shè)離不開各種類型傳感器、檢測和監(jiān)測儀器儀表持續(xù)、實(shí)時(shí)的工作，這些裝置都使用電能，持續(xù)供電是儀器設(shè)備能夠持續(xù)工作的基礎(chǔ)條件。在有電網(wǎng)的地區(qū)，可以采用電網(wǎng)供電，而智能水網(wǎng)覆蓋全國，因此在偏遠(yuǎn)地區(qū)、無人區(qū)及其他沒有電網(wǎng)地區(qū)的水文、水質(zhì)、大壩安全、堤防、滑坡、山洪等傳感器、檢測和監(jiān)測儀器儀表的持續(xù)供電問題，對(duì)智能水網(wǎng)的使用范圍和建設(shè)有深遠(yuǎn)影響。而且因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通訊信號(hào)不能覆蓋無人生活的水源區(qū)，通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸是唯一的選擇，因此解決以上地區(qū)北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的供電問題有利于智能水網(wǎng)的建設(shè)。

傳統(tǒng)的應(yīng)急供電系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池組組成，而現(xiàn)代應(yīng)急供電主要有UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）不間斷電源和EPS（Emergency Power Supply）消防應(yīng)急電源，工作原理類似，都是由整流充電器、蓄電池組、逆變器和系統(tǒng)控制器等組成。傳統(tǒng)的應(yīng)急供電系統(tǒng)和現(xiàn)代應(yīng)急供電都存在體積大、攜帶不便、消耗能源、智能化程度低、成本高等問題。太陽能光伏發(fā)電過程簡單，太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不歇，太陽能光伏產(chǎn)品的應(yīng)用具有廣泛性，在諸多領(lǐng)域其應(yīng)用均有高效性、經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性的特點(diǎn)?，F(xiàn)今市場上的光伏應(yīng)急電源普遍傾向于光伏手機(jī)充電器及民用應(yīng)急照明方向，用于北斗設(shè)備的應(yīng)急多電源自供電系統(tǒng)的研究主要傾向于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、無人區(qū)的檢測和監(jiān)測儀器儀表供電需求，及地震、洪水應(yīng)急救災(zāi)等地區(qū)應(yīng)急設(shè)備的供電需求，還可解決以上地區(qū)北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的供電問題。

2 供電系統(tǒng)組成

用于北斗設(shè)備的應(yīng)急多電源自供電系統(tǒng)主要用于為北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)提供電能，其原理主要是市電、光伏發(fā)電組件、汽車點(diǎn)煙器、水力發(fā)電設(shè)備及風(fēng)力發(fā)電組件產(chǎn)生的電能經(jīng)充放電控制系統(tǒng)儲(chǔ)存到蓄電池中，可提供直流電源供直流負(fù)載使用，也可以經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供交流負(fù)載使用，為保證實(shí)時(shí)傳輸?shù)目煽啃?，?shí)際應(yīng)用中需要采用兩種及以上發(fā)電方式提供電能，見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

3 基于光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)急供電設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

太陽能作為目前最潔凈的能源，依托光伏發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)一種高可靠性、可監(jiān)視性、免維護(hù)性、系統(tǒng)簡單、控制方便的便捷式應(yīng)急光伏電源箱，并且具備EPS和UPS的某些功能。要求其可在市電或電源充足的地方進(jìn)行儲(chǔ)存電能，也可在野外無市電的情況下，利用其他形式能量轉(zhuǎn)換成電能，蓄存高效；同時(shí)還增加汽車點(diǎn)煙器充電功能，高質(zhì)量地滿足對(duì)時(shí)間切換要求高的重要設(shè)備，保證其安全可靠地為負(fù)載不間斷地輸出穩(wěn)定的電能。便捷式應(yīng)急光伏電源箱內(nèi)置傻瓜式輸入輸出裝置，能夠全方位輸入、多種方式輸出，無需安裝調(diào)試，簡單操作且方便快捷，能滿足各類傳感器、檢測設(shè)備、監(jiān)測儀器儀表和北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的供電需求，和各種無電應(yīng)急場景，如地震、洪水等救災(zāi)用電，地質(zhì)勘探野外應(yīng)急電源和野外旅行用電源等。

3.2 設(shè)計(jì)要求

(1)箱體：需采用防水箱體，底部帶萬向移動(dòng)滾輪（可固定），背部帶推拉桿、側(cè)面帶提手；箱體外置接口設(shè)防雨罩或其他防水措施。

(2)尺寸：高小于700 mm,長、寬小于500 mm。

(3)供電要求：自供電整流電壓DC 5～24 V，無充電情況下電池連續(xù)使用72 h。

(4)電池板要求：太陽能電池組件結(jié)構(gòu)采用折疊或?qū)盈B式，易于攜帶最好可裝入箱中或另配箱包，并易于固定在砂石地面，與控制箱連接電纜5 m；功率不小于150 W。

(5)箱體外置接口：AC 220 V輸出插座1個(gè)，USB插座2個(gè)，市電AC 220 V充電插座（內(nèi)配電池充電器）1個(gè)，汽車點(diǎn)煙器充電插座1個(gè)，光伏輸入插座1個(gè)，DC 12 V輸出插座1個(gè)，DC 24 V輸出插座1個(gè)，DC 36 V輸出插座1個(gè)，AC 220 V輸出插座1個(gè)。

(6)電池要求：容量不小于100 AH，采用磷酸鐵鋰電池或膠體蓄電池。

(7)控制要求：內(nèi)部配有過充、過放保護(hù)裝置，具有過載保護(hù)、高溫保護(hù)、斷路保護(hù)等功能。箱體面板設(shè)運(yùn)行指示燈、故障燈、電量顯示燈等；內(nèi)部元器件安裝須緊固，滿足長途物流運(yùn)輸要求。

4 便攜式應(yīng)急光伏電源箱的研制

便攜式應(yīng)急光伏電源箱分為2個(gè)部分，分別為拉桿供電箱和太陽能電池組件折疊包。拉桿供電箱主要包括箱體、控制面板、電池、各種控制器、電能輸出輸出接口等；太陽能電池組件折疊包主要包括太陽能電池組件、折疊包兩部分。

4.1 拉桿供電箱的設(shè)計(jì)

箱體整體設(shè)計(jì)含防水功能，帶伸縮拉桿和腳輪，方便攜帶運(yùn)輸，見圖2所示。整個(gè)拉桿式供電箱采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，箱體拆卸方便，箱蓋邊緣處嵌有橡膠密封條，箱蓋扣合后將密封條加緊，起到防水作用。箱體正面設(shè)有帶鎖控制面板，面板上設(shè)有開關(guān)、光伏輸入接口、市電輸入接口、直流輸出接口、交流輸出接口、狀態(tài)指示燈等元器件。蓄電池固定在拉桿供電箱底部，用來儲(chǔ)藏電能。箱體內(nèi)橫梁固定有升壓模塊、降壓模塊、逆變器和充放電控制器等元器件；其中逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，充放電控制器用來控制蓄電池充放電，兩者配合以供交流負(fù)載使用。箱體側(cè)面板和背面板設(shè)有通風(fēng)散熱網(wǎng)，可起到散熱效果，防止設(shè)備過熱。拉桿供電箱后面板安裝加強(qiáng)可伸縮拉桿， 拉桿可上下伸縮，方便運(yùn)輸；底部安裝萬向輪，萬向輪設(shè)有自鎖裝置，移動(dòng)更加便捷；兩側(cè)配有手提拉手，當(dāng)路面崎嶇時(shí)，方便兩人手抬通過，提高其野外運(yùn)行能力。

圖2 拉桿供電箱外觀

4.2 太陽能電池組件折疊包的設(shè)計(jì)

將小功率的薄膜太陽能電池片按陣列鑲嵌在一塊耐用耐高溫纖維基布上，內(nèi)部串聯(lián)/并聯(lián)達(dá)到設(shè)計(jì)功率的要求，將其制做成一塊“太陽光伏布”，見圖3所示。

圖3 太陽能電池組件折疊包樣式

太陽能電池組件折疊包在野外使用時(shí)可將其隨意展開在開闊之地，或者將其附著在墻面或戶外設(shè)備上，用專用插頭與控制電源箱連接并為其供電。不用時(shí)可將其折疊成公事包形式，以便野外攜行。為了減小整個(gè)組件體積，使支架部分內(nèi)嵌折疊包內(nèi)，不占用多余空間。

5 功能特點(diǎn)

便攜式應(yīng)急光伏電源箱支持多種充電方式，多種輸出電源形式，具有以下功能特點(diǎn)：

（1）巨能量移動(dòng)小電站，電池容量大；

（2）多種輸出，超廣兼容多種用電設(shè)備；

（3）同時(shí)供電多種設(shè)備，即插即用；

（4）充電方式多樣化，不受場景局限，可隨應(yīng)用場景選擇充電方式；

（5）具備過溫保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)等功能；

（6）具備智能溫控散熱；

（7）裝備萬向輪、可伸縮拉桿、拉手，方便攜帶，適合戶外工作。

6 總結(jié)

太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不歇，其應(yīng)用也隨之更加廣泛，特別是在邊遠(yuǎn)山區(qū)和廣大的游牧區(qū)的應(yīng)用，優(yōu)勢非常明顯，用戶對(duì)便攜 、耐用 、高效的獨(dú)立供電系統(tǒng)需求強(qiáng)烈。用于北斗設(shè)備的應(yīng)急多電源自供電系統(tǒng)的研究，有利于智能水網(wǎng)的建設(shè)。而基于光伏發(fā)電技術(shù)研制的便攜式應(yīng)急光伏電源箱具有高效、節(jié)能、功能全面的特點(diǎn)，能滿足各類傳感器、檢測設(shè)備、監(jiān)測儀器儀表和北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的供電需求；并可廣泛應(yīng)用于各種無電應(yīng)急場景，如地震、洪水等救災(zāi)用電源，地質(zhì)勘探野外應(yīng)急電源和野外旅行用電源等，為今后應(yīng)急供電產(chǎn)品的研發(fā)提供借鑒與參考。