[发明专利]极区野外观测小型风光互补供电装置

说明书

本发明提供了一种极区野外观测小型风光互补供电装置，包括箱体单元、光伏发电单元、风力发电单元、温控单元、电力变换单元、监控单元，箱体单元内部安装电力变换单元和监控单元，监控单元用于数据采集和通讯，顶部安装风力发电单元，箱体单元的侧壁上安装温控单元，温控单元用于控制箱体单元内部的温度，箱体单元的外部安装光伏发电单元，光伏发电单元、风力发电单元和监控单元分别线路连接至电力变换单元，电力变换单元用于电力转换和供电。本发明所述的极区野外观测小型风光互补供电装置，大大减少了箱体承受的风载荷，降低了集装箱箱体材料耐冷脆的要求；同时解决了现有基于集装箱的小型风光互补发电装置耐低温方面的缺陷。

技术领域

本发明属于南极科学研究中野外观测系统供电技术领域，尤其是涉及基于小型低功耗观测仪器的长周期无人值守观测应用的一种高度集成化风光互补供电装置。

背景技术

南极地区是地球气候变化的冷源之一，对全球的气候变化有着重要的影响。通过研究极地环境的变化，可以更加全面地掌握全球环境的变化及其对人类的影响。南极地域广阔，地形地貌和气候环境异常复杂多样，需要建立和维持一定数量的野外长期观测站点，以获取丰富的研究数据，以便深刻理解南极气候特性及其对全球气候的影响。南极地区常年处于高寒和大风条件下，沿海各地区的年平均温度大部分在-9.8℃左右，最低温度可达-40℃，最大风速可达50m/s；内陆泰山站地区的年平均温度-36℃，最低温度可达-64℃。恶劣的自然环境和脆弱的生态系统对南极地区长周期野外独立观测系统的供电问题提出了严苛的要求，供电装置需要满足供电能力、耐极寒、绿色环保、高可靠、便于施工等方面的技术要求。

在供电能力方面，南极野外观测独立供电装置需要保证观测仪器和自身电力负载的耗能需求，其中小型气象站等野外观测仪器设备的功耗约在百瓦以下，自身温控加热、状态检测和控制电路功耗应控制到1kW左右。对于南极极寒环境条件来说，供电装置需要从机械结构和电控系统2方面满足耐低温要求：对于暴露在野外环境中且受力较大的关键机械零部件，需要采用耐低温材料，满足强度和低温韧性的要求；对于电控系统的电子器件，耐-20℃以下的器件成本高、型号不全，最为可行的技术方案为设置温控室，将电控系统放置在环境温度可控的室内。对于绿色环保方面，南极环境极为敏感脆弱，对供电装置的有害物质排放、土工建设等方面有着较高的要求，一方面要充分利用当地丰富的风能、太阳能资源，另一方面应尽量减少较大的土方挖掘、水泥浇筑等工程建设。野外观测系统往往设置在远离科考站的地区，道路交通不便，施工设备种类较少，低温和大风天气较为频繁的自然条件也为施工带来诸多不便，设备维护非常困难；另外，海上运输过程中西风带的风浪非常大，设备颠簸剧烈；这些因素对小型野外观测系统的供电装置提出了结构高度集成化、便于组装和展开固定、高可靠性的要求。

既有的南极科考无人独立供电装置主要针对夏季科考站观测系统的供电问题，包括南极穹顶天文观测系统独立供电装置、泰山站无人供电装置等。南极穹顶天文观测系统采用15kW的柴油/光伏供电装置，泰山站的无人供电系统由2台10kW风机、数十千瓦光伏组件、柴油发电机及电控系统组成。这些供电装置规模较大，风、光发电单元数量多，无法实现整个发电系统的高度集成化，不适合野外小型长周期观测的应用场景。

南极地区属于高纬度地区，常年处于高寒和大风状态，特殊的地理位置和环境对小型独立供电装置提出了更高的要求，现有的集装箱式小型风光供电装置无法适用于南极野外长周期观测应用场景，主要存以下问题：

(1)现有集装箱式小型风光供电装置的机械结构不适用于南极低温环境。现有装置中的机械部件采用普通碳钢，在低于-20℃的环境下普通钢材存在冷脆转变的问题，受力较大时容易损坏。由于成本的原因，集装箱往往无法使用耐低温钢材，现有小型风光供电装置将光伏组件和风机直接固定在集装箱箱体上，使箱体承受较大的作用力，无法适应南极极寒环境。

(2)现有集装箱式小型风光供电装置保温墙壁难以满足海运的要求。对于南极野外观测供电装置，需要通过海运方式将集装箱箱体运输至南极，而在穿越西风带过程中船舶会承受非常大的风浪，会引起集装箱箱体的剧烈颠簸，常规的保温集装箱的侧壁无法承受电控柜晃动所引起的较大作用力。