太陽(yáng)能蓄電匹配效率研究在業(yè)務(wù)化運(yùn)行浮標(biāo)上的應(yīng)用

吳文彬，隋洪波，周輝云，曹丹丹

（1.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200135；2.國(guó)家海洋局海洋赤潮災(zāi)害立體監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200137）

太陽(yáng)能蓄電匹配效率研究在業(yè)務(wù)化運(yùn)行浮標(biāo)上的應(yīng)用

吳文彬1,2，隋洪波1,2，周輝云1,2，曹丹丹1,2

（1.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200135；2.國(guó)家海洋局海洋赤潮災(zāi)害立體監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200137）

通過(guò)對(duì)集成系統(tǒng)工況、電理、光伏轉(zhuǎn)化再生能力源的研究，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)匹配能力，這對(duì)于目前海上長(zhǎng)期化無(wú)人值守移動(dòng)平臺(tái)是具有重要意義。海上移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)行過(guò)程中，固態(tài)直流輸出設(shè)備是核心部件。若其契合能力不良，將影響其所支撐的觀測(cè)系統(tǒng)的電流環(huán)境，產(chǎn)生欠壓、過(guò)載等不良工況，進(jìn)而影響觀測(cè)平臺(tái)的整體性能、影響設(shè)備使用效率和工作壽命，同時(shí)也會(huì)大大增加其維護(hù)成本。以3m標(biāo)為例，基于SYMONS經(jīng)典假設(shè)所提出控制策略，嘗試梳理了各部件使用功耗并進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。文中研究結(jié)果便于為現(xiàn)有平臺(tái)快速加載傳感器，或?yàn)樘岣卟杉魇占c傳輸頻率提供后續(xù)支持，以及提供業(yè)務(wù)化、可量化分析的計(jì)算模型。

浮標(biāo)；蓄電池；太陽(yáng)能；功耗

20世紀(jì)80年代以來(lái)，海洋觀測(cè)呈現(xiàn)出“多要素、立體化、實(shí)時(shí)化、智能化、高頻次”的發(fā)展趨勢(shì)，特別是近十幾年來(lái)我國(guó)各類浮標(biāo)的數(shù)量已由個(gè)位數(shù)發(fā)展到近百位數(shù)。由此，對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)供電的合理配置提出了前所未有的要求。

自2011年以來(lái)，錨系浮標(biāo)海上觀測(cè)手段的應(yīng)用，在中國(guó)已經(jīng)越來(lái)頻繁。但由于海上移動(dòng)平臺(tái)工作環(huán)境的限制，對(duì)其維護(hù)的難度一直很高。為了提高平臺(tái)的使用效率，須降低二次維護(hù)成本，提高可量化的數(shù)據(jù)依托。

1 電源分配

本文以3 m多參數(shù)浮標(biāo)為研究對(duì)象，重點(diǎn)關(guān)注浮標(biāo)長(zhǎng)期不間斷充放過(guò)程中，電源供給系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境。目前，在東海區(qū)布放的浮標(biāo)主要的監(jiān)測(cè)要素有：風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、氣壓、波浪等參數(shù)。表1給出了本文浮標(biāo)一些關(guān)鍵部件的功耗情況。各要素傳感器連續(xù)工況時(shí)工作電流以及電壓較為穩(wěn)定，遠(yuǎn)小于設(shè)備的啟動(dòng)值，而在真實(shí)情況下,傳感器并非24 h連續(xù)工作，為了充分保證海洋工作的電量，本文研究時(shí)取各負(fù)載的單次啟動(dòng)峰值數(shù)據(jù)用以計(jì)算，以提高系統(tǒng)的安全性能。

CDMA模塊為在線式傳輸，因此在計(jì)算其功耗的時(shí)候需要加上30%的余量估算。北斗傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為76字節(jié)，在海上實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其瞬時(shí)電流電壓和當(dāng)?shù)氐男盘?hào)環(huán)境有關(guān)，一般延遲速率較大的情況下北斗通訊發(fā)送數(shù)據(jù)需要消耗更多的功，在極端天氣下它可能造成系統(tǒng)不必要的深度放電。以下給出3 m標(biāo)工作的功耗計(jì)算。

總功耗計(jì)算:

系統(tǒng)功率0.54 A×12 V=6.48W，以上給出的是系統(tǒng)的理論最低功耗，而在實(shí)際的應(yīng)用中，通訊系統(tǒng)在信號(hào)環(huán)境不佳的情況下會(huì)出現(xiàn)余量損耗現(xiàn)象。本文取值最高1.2的線損作為損耗功率，得出本系統(tǒng)的基本功耗為13W。本系統(tǒng)的電源供給部分由實(shí)際情況給出4 800 AH，理論上的計(jì)算可以得到4 800 AH×12 V×0.8/13W=3 545 H，其中0.8為該電池的放電效率。由此處給出實(shí)際工作小時(shí)數(shù)。

真實(shí)工作狀況來(lái)看，實(shí)際測(cè)得系統(tǒng)工作電壓為13.13 V，該電壓數(shù)值是由每一節(jié)蓄電池的出廠體質(zhì)決定，在實(shí)際工況中與浮充電壓和浮充電流有關(guān)。

表1 3m參數(shù)浮標(biāo)功耗狀況一欄表

2 影響VRLA蓄電池使用壽命的各種因素及解決辦法

2.1 浮充電壓

浮充電壓（系統(tǒng)工作時(shí)的實(shí)際充電電壓）與板柵材料有關(guān)，在普通防酸蓄電池中，板柵含有銻，銻透過(guò)隔板轉(zhuǎn)移到負(fù)極時(shí)，使負(fù)極過(guò)電位降低，所以浮充電壓選為2.15～2.18 V/只[7]。由于銻對(duì)負(fù)極的污染程度在一組電池中并不是相對(duì)均勻的，所以會(huì)引起單體電池浮充電壓的偏差，其偏差值約為0.05～0.06 V[8]。然而VRLA蓄電池的板柵主要由多元PbCa合金組成，板柵中銻含量極小，因而不存在銻對(duì)負(fù)極的污染問(wèn)題，因此浮電電壓一般選為2.23～2.28 V/只[7]，浮充電壓的偏差大約為0.01 V/只。浮充電壓的大小對(duì)VRLA蓄電池壽命具有很大影響，這是由于VRLA蓄電池負(fù)極的極化作用，浮充電壓反映的主要是正極極化作用，就是VRLA蓄電池的正極比富液電池的正極使用條件惡劣，在相同的浮充電壓條件下，正極腐蝕程度加大，這意味著蓄電池中水轉(zhuǎn)移。因此，對(duì)VRLA蓄電池浮充電壓的選取，應(yīng)選用廠家推薦的浮充電壓低限值。另外，在同樣的浮充電壓情況下，溫度條件對(duì)VRLA蓄電池的使用壽命也具有很大的影響。圖1反映了VRLA蓄電池的壽命與浮充電壓的關(guān)系，當(dāng)浮充電壓為2.30 V時(shí)，VRLA蓄電池壽命為10.1 a；當(dāng)浮充電壓為2.40 V時(shí)，VRLA蓄電池壽命只有7.8 a。在同樣的環(huán)境溫度條件下，雖然浮充電壓只差0.1 V，但VRLA蓄電池壽命卻差2.3 a[10]。

實(shí)際使用情況表明，在夏季海上使用的溫度條件下，當(dāng)浮充電壓達(dá)到平均每個(gè)單體為2.29 V時(shí)，5 a后將使用VRLA蓄電池正極板柵發(fā)生嚴(yán)重腐蝕并伸長(zhǎng)變形。由上述分析可見(jiàn)：采用低限浮充電壓（2.23 V）和降低環(huán)境溫度是提高VRLA蓄電池使用的有效方法。

圖1 VRLA蓄電池浮充壽命與浮充電壓和溫度的關(guān)系曲線

圖2 VRLA蓄電池使用壽命與溫度補(bǔ)償關(guān)系曲線

2.2 環(huán)境溫度

從圖1可以清晰地看到溫度對(duì)VRLA蓄電池使用壽命的影響。例如，在浮充電壓為2.30 V，環(huán)境溫度為26℃[7-9]時(shí)，VRLA蓄電池壽命為11 a；環(huán)境溫度為56℃時(shí)，VRLA蓄電池壽命只有5 a。因此，在VRLA蓄電池工作時(shí)，應(yīng)使環(huán)境溫度保持在25℃左右為佳。由于在實(shí)際情況下，沒(méi)有合適溫度，因此建議采用帶有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能的整流器。0～50℃的溫度補(bǔ)償是線性的，在規(guī)定零補(bǔ)償?shù)臏囟龋ㄈ?5℃）基礎(chǔ)上，溫度每升高一個(gè)單位，浮充電壓補(bǔ)償系數(shù)為3～3.6mV，即溫度每升高一個(gè)單位，浮充電壓降低3～3.6mV，反之亦然。溫度補(bǔ)償系數(shù)與蓄電池的制造情況有關(guān)，不同制造商補(bǔ)償值略有差異。圖2為VRLA蓄電池理想使用壽命規(guī)定為20 a的比值百分?jǐn)?shù)對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)系。從圖2可以看出溫度補(bǔ)償?shù)暮锰?，但環(huán)境溫度較高（>35℃）時(shí)，縮短VRLA蓄電池壽命的程度仍然很嚴(yán)重。所以延長(zhǎng)VRLA蓄電池使用壽命最有效的方式是減低浮充電壓和環(huán)境溫度（圖1）。

在充電設(shè)備上沒(méi)有溫度補(bǔ)償裝置的情況下，蓄電池溫度增加，將引起過(guò)充電流增加。表2給出了某廠VRLA蓄電池（100 AH，密度為1.27 g/cm3）的浮充電流與溫度及浮充電壓的關(guān)系。從表2可以看出：100 AH在2.3 V浮充電壓條件下，25℃時(shí)浮充電流為70mA；45℃時(shí)浮充電流為300mA；65℃時(shí)浮充電流為1 500mA。大約溫度每增加10℃，浮充電流加倍。

表2 VRLA蓄電池浮充電流與溫度、電壓的關(guān)系

3 實(shí)際應(yīng)用

太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中的核心部件。太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量直接決定整個(gè)系統(tǒng)的好壞。海洋儀器通常工作在濕度大、鹽度高的強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，浮標(biāo)上安裝的太陽(yáng)能電池板還會(huì)被海水濺上，故要求對(duì)太陽(yáng)能電池板引線處理要格外注意，引線端子焊接牢固后最好灌注防水膠，浮標(biāo)上的太陽(yáng)能電池板引出線可選擇使用水密電纜以防止海水通過(guò)電纜表皮滲入。

根據(jù)系統(tǒng)布放位置，由圖3可以確定安置的年總輻射量，由式（1）可將年總輻射量（MJ/m2）換算為峰值日照數(shù)[1-3]。表3和圖3中各分界的年總輻射量與峰值日照時(shí)數(shù)的對(duì)應(yīng)表。

表3 年總輻射量與日平均峰值日照時(shí)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3.1 計(jì)算太陽(yáng)能電池的功率

根據(jù)式（2）[3]計(jì)算需要配置的太陽(yáng)能電池板的功率，算式中“用電功率”為負(fù)載設(shè)備的平均用電功率；用電時(shí)間為負(fù)載在一天中運(yùn)行的小時(shí)數(shù)，如全天運(yùn)行則為24 h；當(dāng)?shù)胤逯等照諘r(shí)數(shù)為安裝位置的峰值日照時(shí)數(shù)；損耗系統(tǒng)是由組合、衰減、灰塵、充電效率等引起的損耗在1.6～2.0之間，為安全起見(jiàn)本文配置成2.0。

3.2 計(jì)算電池容量

蓄電池的容量與安裝位置的最長(zhǎng)陰雨天數(shù)有關(guān)，可根據(jù)表4來(lái)選擇安裝位置的最長(zhǎng)陰雨天數(shù)，最好能咨詢當(dāng)?shù)赜脩魜?lái)確定最長(zhǎng)陰雨天數(shù)。根據(jù)式（3）計(jì)算蓄電池的容量。算式中用電功率和用電時(shí)間同上文所述；系統(tǒng)電壓為負(fù)載工作電壓，海洋儀器中常用12 V；安全系數(shù)在1.4～1.8之間，為了規(guī)避意外陰雨給設(shè)備造成影響，充分保證電池的充電效率，本文取1.8。

圖3 中國(guó)全年太陽(yáng)總輻射圖

表4 我國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)域劃分

3.3 計(jì)算蓄電池耗盡后再次充滿需要增加的太陽(yáng)能電池功率

在兩次連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)內(nèi)，太陽(yáng)能電池板不僅供負(fù)載使用，還需補(bǔ)足蓄電池在最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。

需要的總太陽(yáng)能電池板的功率為式（2）中確定的太陽(yáng)能電池功率A與式（5）中確定的太陽(yáng)能電池功率B之和。

3.4 太陽(yáng)能電池板的安裝角度

太陽(yáng)能電池朝向正南，可根據(jù)表5確定太陽(yáng)能電池板與水平面的安裝角度；對(duì)海洋浮標(biāo)，由于浮標(biāo)處于晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，太陽(yáng)能電池板通常環(huán)繞浮標(biāo)安裝一圈，電池板與水平面的夾角可采用與陸地相同的安裝角度，也可水平安裝。

表5 我國(guó)部分主要城市太陽(yáng)能電池板安裝角度

3.5 浮標(biāo)實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)前面章節(jié)的計(jì)算，3 m標(biāo)系統(tǒng)平均功耗為13W，實(shí)際工作電壓13.13 V，布放在佘山島嶼以西南方向24 h連續(xù)工作，通過(guò)圖3可知布放位置的年總輻射量在4 500～5 000 MJ/m2，取下限值4 500 MJ/m2，根據(jù)表3可知布放位置的日平均峰值日照時(shí)數(shù)為3.02 h；根據(jù)式（2）計(jì)算太陽(yáng)能電池功率A，損耗系數(shù)取為2.0。

由表4可知布放位置的最長(zhǎng)陰雨天數(shù)為5 d，留有余量取7 d；根據(jù)式（3）計(jì)算蓄電池容量，系統(tǒng)安全系數(shù)為2.0。目前，選用的12 V 40 Ah的蓄電池4塊，共

160 Ah；設(shè)兩次最長(zhǎng)陰雨天的間隔為20 d，因蓄電池的放電深度達(dá)不到100%，所以需要補(bǔ)足的安時(shí)數(shù)達(dá)不到160 Ah，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取160 Ah，根據(jù)式（4）～（5）計(jì)算電池耗盡后再次充滿需要增加的太陽(yáng)能電池功率，損耗系數(shù)取為2.0。

系統(tǒng)需要的總太陽(yáng)能電池功率為252.83W，建議選用26W的太陽(yáng)能電池板10塊。

3.6 充放電控制策略

目前在光伏系統(tǒng)中，常用的控制方法有兩種：一種是設(shè)定一個(gè)充電終止電壓和放電終止電壓，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，控制器切斷蓄電池與光伏電池陣列或負(fù)載連接，防止蓄電池過(guò)充或者供方，這種控制方法通常應(yīng)用于小型光伏系統(tǒng)。

基于上述對(duì)光伏系統(tǒng)影響蓄電池壽命因素的分析，結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)際操作，在此提出只能化充放電控制策略，該控制策略包含兩種充電制度。

（1）深度放電后的充電制度

深度放電后，如得不到再充，將造成電池容量損失并難以恢復(fù)。為了確保蓄電池容量在最大范圍內(nèi)恢復(fù)，在深度放電后的再充時(shí)，將根據(jù)放電深度和蓄電池處于微量過(guò)充狀態(tài)且該過(guò)程未能完成時(shí)禁止放電。

（2）常規(guī)充電制度

此時(shí)，充電過(guò)程分為兩個(gè)階段:充電階段和脈沖充電階段。在蓄電池放電后，控制策略允許光伏電池所提供的全部電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，一直到電池端電壓達(dá)到充電終止電壓，這是蓄電池幾乎已經(jīng)充滿電。充電終止電壓的大小和環(huán)境溫度、充電電流大小以及電池容量等因素有關(guān)。由于充電終止電壓和這些因素的關(guān)系難以用一個(gè)確切的數(shù)學(xué)模型描述，在此采用模糊邏輯技術(shù)建立模型，其輸入為電池的容量和充電電流的大小，輸出為充電終止電壓。然后蓄電池進(jìn)入脈沖充電階段，脈沖階段控制電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，其最大值和最小值根據(jù)蓄電池的SOC（充電狀態(tài)）值對(duì)電池的浮充電壓修正而得。動(dòng)態(tài)設(shè)置脈沖階段的控制電壓能確保蓄電池在最短的時(shí)間內(nèi)充滿電；同時(shí)當(dāng)蓄電池處于低SOC時(shí)，能對(duì)蓄電池起均衡充電作用，而在高SOC時(shí)減少過(guò)充。上述兩個(gè)階段的控制電壓都將根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行修正。

4 結(jié)論

雖然SYMOMS假設(shè)復(fù)雜計(jì)算能得到較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，但該理論的適應(yīng)性數(shù)據(jù)大多在現(xiàn)場(chǎng)，其獲取難度較大。因此，可通過(guò)簡(jiǎn)易公式計(jì)算得太陽(yáng)能電池板功率和蓄電池容量，雖然通過(guò)其他復(fù)雜公式計(jì)算得到的數(shù)值可能有少許偏差，但在海洋工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)這種方式進(jìn)行的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)能很好地滿足儀器供電要求。

為了確保在線固直流輸出設(shè)備質(zhì)量，以微電流控策略作為匹配樞紐，在線連續(xù)調(diào)控直流生態(tài)，是現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)且成本較低的方案。同時(shí)，控制中樞為今后的智能邏輯切換提出了新的可能性，使其能夠在復(fù)雜多變的工況下，較為準(zhǔn)確地掌握蓄電池的使用壽命，以及二次維護(hù)成本。這將為今后移動(dòng)平臺(tái)加載傳感器、提高采獲取頻率和傳輸頻率提供后續(xù)支持。

[1]太陽(yáng)能發(fā)電協(xié)會(huì).太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

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Application of Solar Energy Storage Efficiency in Operational Buoys

WUWen-bin1,2,SUIHong-bo1,2,ZHOU Hui-yun1,2,CAO Dan-dan1,2
1.East China Sea Forecast Center,State Oceanic Administration,Shanghai200135,China; 2.Key Laboratory of Red Tide Stereoscopic Monitoring Technology and Application of the State Oceanic Administration,Shanghai 200137,China

In order to further optimize the system matching capability,research has been conducted on the integrated system conditions,electric principles and renewable sources for photovoltaic conversion,which is of great significance for current long-term unattended mobile platforms deployed in themarine environment.During themotion of the offshoremobile platform,the solid state of DC output device is a core component.Inappropriate coupling capability will affect the current environment of the observing system it supports,producing bad working conditions like undervoltage and overloading,thus leading to adverse effect on the overall performance,efficiency and operating life of the observing platform,with themaintenance costs also substantially increased.Taking the 3 m buoy for instance,this paper attempts to ascertain the power assumption of each part and conduct simplified calculation based on the controlling strategy proposed by the SYMONS classical hypothesis.It can strengthen the follow-up support for the sensors on current platforms and the performance of collectors,and provide an operational calculationmodel for quantitative analysis.

buoy;storage battery;solar energy;power consumption

P715.2

A

1003-2029（2017）01-0103-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.019

2016-06-17

高頻地波雷達(dá)海上適用性比測(cè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查項(xiàng)目資助

吳文彬（1984-），男，助理工程師，主要從事海洋觀測(cè)類傳感器以及系統(tǒng)集成研究。E-mail：120714960@qq.com