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摘要：自然資源調(diào)查的特點(diǎn)是野外環(huán)境復(fù)雜多變，而野外作業(yè)大都采用精密先進(jìn)的電子儀器設(shè)備,遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)供電設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。電源在各種野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的角色相當(dāng)于人體心臟的作用，這些精密電子設(shè)備對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、持久性要求高，一旦電源出現(xiàn)問題，系統(tǒng)就會中止工作。因此選用超續(xù)航穩(wěn)定供電系統(tǒng)是野外作業(yè)時(shí)要首先要保障和解決的問題。本文列舉在野外工作期間常用且穩(wěn)定高效的3種供電系統(tǒng)，并進(jìn)行比較分析。

關(guān)鍵詞：鐵鋰電池電源分配單元精密穩(wěn)壓芯片風(fēng)光互補(bǔ)供電便攜式UPS電源

引言

我國自然資源豐富，自然資源調(diào)查是指利用現(xiàn)代化的精密儀器設(shè)備，對山林草湖等自然資源進(jìn)行從地表到地下的全方位探測。由于自然資源調(diào)查的工作特點(diǎn)，經(jīng)常要深入西部無人區(qū)、海島等電網(wǎng)匱乏的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，儀器設(shè)備的供電問題就十分關(guān)鍵。因此選用超續(xù)航穩(wěn)定的電源供電系統(tǒng)，對保障自然資源調(diào)查工作的順利完成具有十分重要的意義。

1風(fēng)光互補(bǔ)電源供電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)適應(yīng)于光照、風(fēng)能資源豐富的西部偏遠(yuǎn)山區(qū)、無人區(qū)、海島等地區(qū)的勘探調(diào)查。基于自然資源調(diào)查的特點(diǎn)，選用大容量小巧輕便的鐵鋰電池作為儲能設(shè)備，利用光能，風(fēng)能等綠色自然能源發(fā)電，取之自然，用之于自然，選用性能穩(wěn)定的開關(guān)電源為高功耗設(shè)備供電，同時(shí)配備好防雷保護(hù)措施，風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)原理框圖如圖1.1所示。

1.1發(fā)電部分

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池組是該系統(tǒng)的發(fā)電部分。風(fēng)力發(fā)電部分是先利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,再通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能;光伏發(fā)電部分是利用太陽能電池板的光伏效應(yīng),將光能轉(zhuǎn)換成電能。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)能和太陽能可以獨(dú)立發(fā)電也可以混合共同發(fā)電,具體要采用哪種發(fā)電形式,主要取決于當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源條件和發(fā)電的綜合成本。需要提前收集自然資源勘查區(qū)的歷史天氣狀況，選擇效率最優(yōu)的發(fā)電形式。通常情況下,在風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)宜采用風(fēng)能發(fā)電,而在光照較好的地區(qū)宜采用光伏發(fā)電。就成本而言,風(fēng)能發(fā)電的綜合成本要遠(yuǎn)低于太陽能光伏發(fā)電的綜合成本。所以,根據(jù)風(fēng)能和太陽能在時(shí)間和地域上的互補(bǔ)性,合理地將二者進(jìn)行最佳匹配,既可實(shí)現(xiàn)供電的可靠性,又能降低發(fā)電系統(tǒng)的綜合成本。

1.2儲能部分

由于風(fēng)能和太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性,供電時(shí)會出現(xiàn)忽高忽低、時(shí)有時(shí)無的現(xiàn)象。為了保證系統(tǒng)供電的可靠性,應(yīng)該在系統(tǒng)中設(shè)置儲能環(huán)節(jié),把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來,以備供電不足時(shí)使用。考慮到野外作業(yè)的特點(diǎn)，一般選用能量密度大重量輕的磷酸鐵鋰電池作為儲能電池，磷酸鐵鋰電池具有安全性好、使用能量密度高、體積小、質(zhì)量輕、壽命長、使用溫度范圍寬等優(yōu)勢，磷酸鐵鋰電池是一款能循環(huán)使用2000次以上，可在-20-60攝氏度下正常工作，不含重金屬的無污染環(huán)保電池，續(xù)航時(shí)間長，廣泛應(yīng)用于野外勘探中。目前市場上各種電池的能量密度如圖1.2所示，從圖1.2可看出，在已知的電池材料中鋰離子電池的體積能量密度和重量能量密度都是最高的。

1.3控制部分

控制部分主要是根據(jù)風(fēng)力大小、光照強(qiáng)度及負(fù)載變化情況,不斷地對蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，同時(shí)加入天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)天氣狀況選用風(fēng)能還是光能發(fā)電，提高資源的最大利用效率，減輕電源設(shè)備的空間和重量。風(fēng)光互補(bǔ)控制器,是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的核心部件,一般采用PWM無極卸載方式對蓄電池進(jìn)行管理與控制,利用單片微處理器處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制。一方面把調(diào)節(jié)后的電能直接送往直流或交流負(fù)載,現(xiàn)在還有有采用MPPT方法，能夠有效的提高風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，另一方面把多余的電能送往蓄電池組儲存起來,當(dāng)發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí),控制器把蓄電池儲存的電能送給負(fù)載。在這一過程中,控制器要控制蓄電池不被過充或過放,從而保證蓄電池的使用壽命,同時(shí)也保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。常見的控制部分的電路以TL431精密穩(wěn)壓芯片構(gòu)成誤差放大器，以PC817(或替代型號)光耦進(jìn)行隔離的電路結(jié)構(gòu)，如圖1.3所示，由TL431單芯片實(shí)現(xiàn)了電壓基準(zhǔn)、限流穩(wěn)壓、誤差放大、光耦驅(qū)動等功能，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠。

1.4電源分配單元

由于蓄電池輸出的是直流電,因此只能給直流負(fù)載供電，而在實(shí)際自然資源調(diào)查生產(chǎn)中,用電負(fù)載有直流負(fù)載和交流負(fù)載兩種。電源分配單元將蓄電池輸出的電壓轉(zhuǎn)換成用電負(fù)載需要的電源形式，當(dāng)給交流負(fù)載供電時(shí),必須將直流電轉(zhuǎn)換成交流電提供給用電負(fù)載，電源分配單元中的逆變器就是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置,也是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。同時(shí)電源分配單元還具有防雷擊、電涌防護(hù)，電路過載保護(hù)，保障勘察設(shè)備供電穩(wěn)定。此外,電源分配單元還具有自動穩(wěn)壓的功能,可有效地改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

2大容量便攜式UPS電源系統(tǒng)

大容量便攜式UPS電源系統(tǒng)適用于能接入市電的觀測基地。如圖2.1所示，便攜式電源系統(tǒng)裝在拉桿箱中，攜帶移動方便，便于適應(yīng)野外勘探機(jī)動靈活的特點(diǎn)。勘探測量所用的都是精密儀器，對電源穩(wěn)定度要求高。由于市電的紋波干擾大，采用UPS電源可以避免勘探儀器來自市電的紋波干擾。UPS采用了IGBT逆變技術(shù)和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，不論市電輸入是否正常，都按照市電輸入——整流——逆變輸出負(fù)載的流程進(jìn)行，將輸入的市電進(jìn)行整流濾波后，把能量存入到鋰電池組中，同時(shí)UPS系統(tǒng)配備電池管理系統(tǒng)(BMS)對電池進(jìn)行管理，由微處理器、傳感器、開關(guān)及其相關(guān)電路自動收集和報(bào)告所需的數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確了解電池系統(tǒng)的健康狀況，延長系統(tǒng)的使用時(shí)間。UPS電源系統(tǒng)按其應(yīng)用的功率可分為大、中、小三個(gè)類別。小功率UPS電源系統(tǒng)為功率小于3kVA的UPS電源產(chǎn)品，小功率電源系統(tǒng)在勘探基站設(shè)備供電系統(tǒng)使用較為廣泛;中等功率UPS電源系統(tǒng)為大于等于3kVA同時(shí)小于10kVA的UPS電源產(chǎn)品，一些大型高功率的勘探設(shè)備，如地質(zhì)雷達(dá);大功率UPS電源系統(tǒng)為大于或等于10kVA的UPS電源產(chǎn)品，超大功率的勘探設(shè)備使用大功率的UPS電源系統(tǒng)，如地震儀等設(shè)備。應(yīng)根據(jù)勘探設(shè)備對電源的功率要求選擇合理的供電系統(tǒng)。

3大功率發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)

適用于大功率勘探系統(tǒng)，由于季節(jié)變換、天氣惡劣或線路故障等原因電網(wǎng)停止供電。發(fā)電機(jī)組不含市電中的高次諧波，輸出效率高，發(fā)電機(jī)輸出的電壓，進(jìn)行變相輸出，輸出220v市電，然后經(jīng)開關(guān)電源進(jìn)行電壓整流濾波，輸出設(shè)備需要的電壓。發(fā)電機(jī)組功率必須能夠滿足在停電時(shí)，輸出功率可以達(dá)到所有用電設(shè)備及勘探設(shè)備的輸出功率總和。發(fā)電機(jī)組必須具備自動啟動、自動切換功能。一旦遇到緊急停電時(shí)，發(fā)電機(jī)組必須能在30秒之內(nèi)自動啟動、自動發(fā)電，自動合閘，不影響勘探設(shè)備的正常使用。勘探使用的發(fā)電機(jī)組的還必須達(dá)到一定的環(huán)保要求，特別是噪音。一般的開架式發(fā)電機(jī)組的噪音都在105分貝以上，如果正常發(fā)電，完全不能達(dá)到噪音的環(huán)保要求，所以必須進(jìn)行降噪處理。勘探作業(yè)的地點(diǎn)隨時(shí)變換，需要發(fā)電機(jī)組具有靈活的移動性，輕便性。

4三種電源系統(tǒng)比較

以上三種供電電源系統(tǒng)的比較如表1.1所示，風(fēng)光互補(bǔ)供電電源系統(tǒng)的能量來源于自然界的風(fēng)能和光能，可持續(xù)循環(huán)給設(shè)備供電，缺點(diǎn)是發(fā)電功率小，發(fā)電效率低。UPS電源系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)適用于大功率供電系統(tǒng)，系統(tǒng)效率也很高。結(jié)論自然資源調(diào)查中所需供電系統(tǒng)需要適應(yīng)惡劣自然環(huán)境，供電系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間長，工作穩(wěn)定，在備用供電系統(tǒng)切換迅速，滿足野外作業(yè)的要求。應(yīng)當(dāng)根據(jù)野外實(shí)際環(huán)境，選擇適宜的電源配置方案，保障野外勘探的順利進(jìn)行。

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作者：朱自強(qiáng) 李兆亮 李冰 周錫華 姜作喜 何輝 單位：中國國土資源航空物探遙感中心