区域气象站冬季运行的供电保障

时间：2024-07-28

程胤硕，李晓堂，孙　磊（绥化市气象局，黑龙江绥化152002）

区域气象站冬季运行的供电保障

程胤硕，李晓堂，孙磊
（绥化市气象局，黑龙江绥化152002）

1　引言

由乡镇雨量站演变而来的区域自动气象站作为气象观测的一部分，正受到气象部门及当地政府部门越来越多的重视。出于加密观测的需要，原来只需要在汛期工作的区域气象站已逐渐转变为全年工作，这就给区域气象站的冬季保障提出了课题。作为祖国最北端的省份，黑龙江的冬季温度普遍在零下二十多度，极端气温甚至达到零下四、五十度。自2005年安装区域气象站以来，低温、尤其是冬季的极端低温，对区域气象站的影响很大。以绥化为例，冬季严寒严重时候，153个区域气象站只有30个左右上线。经分析认为，区域气象站严寒天气不能上线的主要原因是电池供电问题，所以必须找到合理的供电方式。

2　区域气象站现有供电方式

考虑到野外工作的需要，且直接采用安装地点的市电存在一些问题，区域气象站基本都设计成太阳能板-蓄电池供电方式。白天，太阳能板给机箱内的蓄电池充电并同时给设备供电；夜晚，蓄电池给采集器等设备供电。这样的设计保持了一定的独立性，能够自我循环运行。不足的地方是因为受到天气因素的影响，蓄电池不能完全充电，从而不能保障区域站的正常运行。

3　探讨区域气象站新的供电方式

保障区域气象站的正常供电，可以采取多种方法、多种措施。

3.1外接220 V市电方式

将区域气象站的供电直接与市电相接，由市电代替太阳能板给蓄电池进行充电。这个方案是最初想到的。该方式对于安放在居民区内或政府院内的区域气象站，实现起来并不困难，购买一个6 V稳压电源即可实现，但需要征得地方的同意。对于放置在野外或远离居民区的区域气象站，单独建一条电源线路几乎是不可能的。况且，乡镇一级的市电目前保障并不是太好。该方案对部分条件允许的地方还是可行的。

3.2电池外包裹方式

电池外包裹方式特点是简单、易行。具体方法是：将防寒毡包裹在区域气象站机箱的外面，起到抗低温和抵御严寒的目的。为此，采购防寒毡被，包裹对三个站点进行了试验，其中有两个站点是6 V站，一个站点是12 V站。试验结果是：严寒天气到来时三个站点，其中两个上线正常，一个有断续上线情况。分析认为：温度在金属物体上传导比较快，外面的寒冷气温还是能很快地影响到机箱内的蓄电池。所以外包裹方式并不能解决蓄电池实际的保暖问题，不能提供正常的供电保障。

3.3电池地埋方式

根据图1曲线所示，电池的有效容量在环境25℃是个转折点，-40℃时蓄电池的有效容量已不足20%。如果要保持50%以上的有效容量，蓄电池的环境温度应不低于-15℃，而50%的有效容量预计只能保证区域气象站在阴天连续工作两天。从历年来的绥化冬季低温情况来看，普遍在-20℃以下。如果要保证区域气象站冬季的正常运行，就必须对区域气象站的蓄电池进行适当的保温。

图1　电池有效容量与环境温度关系

在考虑电池保温措施的时候，曾研究过对蓄电池外加热，如包裹电热毯类的东西。因需要自动控温装置，费用较高，并且蓄电池提供的电能，也不能作为加热电源来用。如果使用市电，又失去了给电池加热的必要性。所以蓄电池外加热的方案不可行。

将区域气象站的供电电池从机箱里面挪到地下，从而避开极端高温或极端低温对电池的影响。分析北林区2012年冬季最低温度与地温的走势图，可以清晰地看到，40 cm和80 cm深层地温是缓慢下降的，与地温的差值在20℃左右。尤其是在极端低温出现时，二者的差距更为明显。因此可以考虑将蓄电池埋在地下。

从蓄电池的技术指标上来看，蓄电池的最佳工作环境温度为15-40℃，电池使用性能最佳温度为25℃，温度每下降1℃，电池容量大约下降0.8%～1%。对比冬季40 cm和80 cm的深层地温，二者差距不大，但40 cm的温度更接近蓄电池的最佳工作温度。

在进行的电池地埋实验中，在40 cm和80 cm两个深度各做了三个试验站，全年上线率符合省里的要求。在冬季获得良好上线率的同时，汛期上线率也达到了相当高的水平：永安、津河、东津、新华四个站点为100%，太平川为97.14%，红旗为95.75%。分析这两个上线率低的站点的情况来看：太平川前期电池箱进水，前面有大树遮挡，对电池充电不利；红旗是天线出过故障。所以从实验结果来看，电池地埋方式可以为区域气象站冬季运行提供良好的供电保障。

3.4电池替换方式

电解质的比重与铅酸蓄电池的充放电具有相关性。冬季的北方，当硫酸浓度较低时，会使蓄电池的电解质粘度增高，从而影响蓄电池的充放电性能（表1）。

表1　电解质结冰点与硫酸浓度的关系

了解蓄电池电解液的特性，就可以对其进行调节，以适应不同季节的外部温度。目前使用的蓄电池基本都是密封免维护型，且调节电解质的比重有一定的操作难度，可配备适应不同季节的电池进行定期更换，为保证冬季的正常使用，可专门定制适合冬季环境温度较低时使用的蓄电池，电解质比重调到较高的水平，可抵抗零下三十几度的低温。在冬季来临时换上定制的冬季用电池，替换下来的蓄电池在第二年春天再换回来。换下来的蓄电池，保存在较低的温度下（0-20℃），以保证蓄电池的有效容量下降较少，以便重复使用。从操作上来看，利用春秋两季的检修即可完成，也不增加太多的工作量。电池替换方式可以为区域气象站冬季运行提供良好的供电保障。