浅谈灯塔太阳能光伏供电系统的智能监控

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浅谈灯塔太阳能光伏供电系统的智能监控

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□ 张临强 王明义 岳建军 《中国学术研究》 2008年第03期

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摘 要:该文简要介绍了我国灯塔太阳能光伏供电系统的现状,论述了对这些系统实行智能化监测控制的必要性和可行性,并根据有关技术规则,结合系统的实际运行特点,对灯塔太阳能光伏供电系统的充放电控制规则进行了初步探讨,同时提出了通过智能化控制的方式实现的技术构想,文中还初步设计了具体的实施方案。

关键词:灯塔·太阳能;供电;智能化。

一、灯塔供电系统概况

灯塔是船舶航行重要的助航设施,稳定充足的电力供应是灯塔正常运行基础。

对于设置在陆地或近海岛屿上的灯塔,可以便利地通过国家电网获得充足可靠的电能供应,但是,对于那些远离城市、位于电网无法覆盖的偏僻地域或海上孤岛灯塔,供电便十分困难。

早期,这些灯塔主要依靠柴油机发电,这给航标管理部门带来了巨大的负担,要在灯塔上建设发电房,配置几台柴油发电机组,配备专门的值班人员实行24小时连续值班,特别是那些位于孤岛的灯塔,还要配备专门的船舶定期运送柴油和生活必需品,不仅消耗大量物力、财力,而且航标工人的工作和生活也十分艰苦。 科学技术的发展,为改变这一局面创造了条件,特别是太阳能、风能等新能源技术的日益成熟,使灯塔的能源供应得到全面改观,目前,绝大多数无法接入电网

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的灯塔供电都采用了太阳能光伏供电系统(简称:灯塔太阳能供电系统),利用太阳能板依靠光照发电,配备达旦蓄电池储存电能在无光照时保证灯塔上的连续地工作。并且,随着蓄电池技术的发展,目前绝大部分都采用了电压稳定、无污染的阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)。新能源的应用,大大解放了劳动力,降低了灯塔的维护成本、提高了设备的运行质量,但同时也带来了灯塔太阳能供电系统的维护问题,科学、及时的维护是灯塔常运行的必要保证。

二、灯塔太阳能供电系统实现智能监控的必要性与可行性

1.必要性

太阳能供电系统的应用,大大解放了劳动力,使许多孤岛灯塔实现了无人值守。但是,同其他任何设备一样,这些供电系统也离不开必要的维护,VRLA蓄电池所谓的"免维护",仅仅是其与传统普通蓄电池相比维护量大大减少而已,并非"不维护",因此,及时、准确地掌握系统运行的技术状况,进行科学的维护十分重要;另一方面, VRLA蓄电池的充放电都有严格的技术规则,而目前灯塔上使用的充放电控制器大都比较简单,难以精确地执行这些技术规则,这就容易导致电池的容量过早降低、寿命大大缩短,不仅造成设备损失、资金浪费,而且直接影响灯塔的正常工作,因此,制定切合灯塔实际、更加科学的太阳能供电系统运行控制方法,并智能化控制精确地实现控制,对于提高灯塔太阳能供电系统的运行质量十分必要。

2.可行性

在技术规则上,随着太阳能光伏发电设备和VRLA蓄电池的普及和大量应用,人们对这些设备的应用经验越来越丰富、相关的论著大量出版,为我们研究制定灯塔太阳能供电系统维护的科学方法提供了充分的理论依据和实践经验。 在技术手段上,一方面,近几年我国在航标灯器智能化研究上已经取得了长足的进步,新型的智能化航标灯器智能控制器不仅实现了航标灯器的精确稳定控制,

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而且具有远程数据通信、数据采集和模拟量监测与控制等先进功能,这为实现灯塔太阳能供电系统的智能化控制作了必要的技术准备;另一方面,蓄电池监测的专用设备和其它智能化自动控制器件也日益成熟,为实现灯塔太阳能供电系统的智能控制提供了充足的设备资源。

由此可见,通过智能化控制实现灯塔太阳能供电系统的科学维护管理,保持其稳定可靠运行,延长使用寿命,保证灯塔设备的良好运行,完全可以实现。

三、灯塔太阳能供电系统智能控制所涉及的主要技术问题

VRLA蓄电池的充放电过程控制有非常明确的技术要求,一般地,充电过程包括主充电、均衡充电和浮充三个阶段,每个阶段中,对电压和电流的值都有严格的技术规定,在放电过程中,为防止出现过放电损坏电池,也有放电终止电压的要求,并且,这些技术要求的数值都要进行温度补偿,放电终止电压的值也随放电电流的大小而变化。

灯塔配备太阳能供电系统的容量一般是保证在连续无光照时间超过足够长的情况下灯塔能够正常运行,不同海区和不同类型灯塔,这个时间长度不相同,一般是10天到20天,对于中型灯塔,灯器不发光时工作电流在1A左右,发光时为5A左右。太阳能板功率一般为1kW左右,电池的容量一般在1kAh以上,有的配备到2kAh或3kAh。

灯塔太阳能供电系统全部为浮充供电方式,其特点:一是由上述系统配置可见,相对负载来说电池容量很大,电池放电电流小、放电率低,在光照充足时容易发生过充而损害电池;二是太阳能发电在时间上随昼夜轮回和阴晴变化呈阶段性特点,并且灯塔上的光照强度和光照时间的变化无法掌握,难以每次都完成完整的三阶段充电过程;三是当遇长时间连续无光照的情况,由蓄电池连续独立放电为设备提供电源供应,此时容易发生过放电。

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根据VRLA蓄电池的技术特性和灯塔太阳能供电系统的特点,实现系统的智能化控制主要应考虑以下几点:

一是充电控制。灯塔上所配备的太阳能板的发电能力有限,发电时间随光照的变化也呈阶段性,要实现严格规范的充电控制十分困难,因此只能采取极限值限定的方法控制其充电过程。即根据电池当前电压确定充电过程应处的阶段,在主充电阶段限制充电电流,不得超过0.15C(C为电池容量),这样可以在确保不损害电池的前提下尽可能最高效率地储存电能;在均充和浮充两个阶段,则限定充电电压,使电池既得到充分的电能存储,又防止过充电。

二是放电控制。在光照不足设备单独依靠电池放电工作时,随时监测放电电流和电池电压,根据实际放电电流科学地设定放电终止电压。

三是负载管理。当电池深度放电至接近所设定的放电终止电压时,要自动切断大负载,及时对电池进行有效的保护,当天气恢复光照后,自动恢复所有设备的正常运行。

四、灯塔太阳能供电系统智能监控的实现方案

1、硬件系统的组成

灯塔太阳能供电系统的智能化控制系统在硬件组成上如图1所示。

系统采用模块化结构,太阳能板通过充电器、供电开关、电流传感器为蓄电池组充电,蓄电池通过电流传感器和供电开关输出电能为负载供电。

电池巡检仪完成蓄电池组的检测,它检测每一节电池的电压、电池周围的环境温度和电池的充、放电电流,并将检测结果通过串行通信接口传输到智能控制单元。

智能控制单元是整个系统控制的中心,它通过数据通信线路从电池巡检仪读

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取电池的电压、电流以及环境温度,对这些数据进行技术分析,据此对充电和放电过程进行科学合理的控制,并在必要时关闭大负载,保护蓄电池,同时它还通过数据通信单元完成远程数据通信。

人机界面是操作人员进行系统设置与控制的界面,智能控制单元根据所进行的技术参数设置和相关技术规则对运行过程进行判断和控制。

对蓄电池的充电在太阳能板获得光照的条件下进行,受智能控制单元的严格控制。

供电开关完成蓄电池组电力输出的开关控制,当蓄电池放电接近放电终止电压时,根据智能控制单元的指令断开主要的负载,防止蓄电池因过放电造成损坏。

2、主要技术参数

由于不同公司VRLA蓄电池的充电特性、温度补偿系数值不同,因此,系统开始工作前或在更换新的蓄电池时,要通过人机界面输入系统蓄电池的所有与充、放有关的技术参数,其主要包括:

1)电池容量(C);

2)标称均充电压(VE):25℃时的均充电压;

3)标称浮充电压(VF):25℃时的浮充电压;

4)标称终止电压(VS):25℃时,针对0.1C10放电率放电的终止电压;

5)标称最大充电电流(ICM):25℃时的最大充电电流值;

6)温度补偿系数(TC)。

3、软件流程

通过硬件的连接构成系统后,智能控制单元根据有关技术规则和对蓄电池电压以及电流和温度的监测结果通过软件控制系统运行。

控制软件从总体上包括三个大部分,一是监测,主要是与电池巡检仪之间通过

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数据通信读取检测数据,并进行判断,给出判断结果,必要时发出告警;二是充放电控制部分,在充电过程中,判断电池当前所处的充电阶段,并根据有关规则调整充电器的输出电压和电流,及时实现各阶段的转换,既最大效率地存储电能,同时又防止因为过充电损伤电池;三是远程通信部分,通信方式采取短消息和GPRS均可,通过远程数据通信实现系统的远程监测和控制。下面主要是充电控制部分的程序流程。

1)充电的阶段转换程序

蓄电池独立放电供设备工作后。当光照再次出现时,太阳能板重新供出电能,于是便开始了新一轮充电过程,其流程如图2所示,开始时系统首先判断电池电压,如果电压低于均衡充电电压,则进入主充电阶段,此时灯器不发光,工作电流不大,充电器以大电流为电池充电;一旦电池电压达到均衡充电电压,则转入均衡充电阶段,智能控制单元控制充电器以均衡充电电压VE对蓄电池进行均衡充电;当均衡充电时间到了以后,则转入浮充充电阶段,充电器将充电电压调整到浮充电压VF。

2)主充电过程控制流程

主充电控制基本流程如图3所示。

主充电的原则是在充电电流不超过蓄电池最大充电电流的前提下,控制充电器以尽可能大的电流向蓄电池充电,因此,在充电过程中,随时判断充电电流,只要充电电流不大于最大充电电流,则使充电电流尽可能增大;同时判断电池电压,当充电使电池电压达到均衡充电电压后,则转入均衡充电。

3)均衡充电和浮充过程的控制

系统进入均衡充电后,要保持均衡充电到预定的时间后,才转入浮充充电,因此,在均衡充电过程中,主要是对均衡充电进行计时,计时时间到了以后,要转入浮充阶段。

在浮充过程中,只要太阳能有电能输出,系统就一直保持浮充,直至太阳能供电结束。

4.实现方式

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灯塔太阳能供电系统的智能控制在具体实现上可以采用多种方式,以单独建立一个完整的系统独立工作,在具备了灯器智能控制器的灯塔上,也可以与灯器的智能控制器制作成为一体,既综合利用智能控制资源,同时又简化了设备,有利于灯塔设备的运行稳定。

五、结束语

上述讨论是在学习有关技术规则的基础上,对灯塔太阳能供电系统智能化控制的一些思考,由于水平所限,特别是实践经验不足,所以文中肯定存在许多不足甚至错误,希望各位专家批评指正。

我国有大量航标灯塔采用太阳能供电系统,如何科学规范地维护管理好灯塔太阳能供电系统,成为摆在航标工作者面前的紧迫课题。今撰此文,如果能够抛砖引玉,通过讨论求得专家们对灯塔太阳能供电系统的运行维护技术给予更多关注和指导,从而使灯塔的运行稳定性得到实质的提高,作者便感欣慰了。

参考文献:

[1]周志敏、周纪海、纪爱华:《阀控式密封铅酸蓄电池实用技术》.中国电力出版社.2004年10月第一版。

[2]王长贵、五斯成:《太阳能光伏发电衫技术》.化学工业出版社.2005年9月第一版。

[3]朱品才、张华、薛观东:《阀控式密封铅酸蓄电池的运行与维护》.人民邮电出版社.2006年1月第一版。