太陽(yáng)能在電纜管道監(jiān)控中的應(yīng)用

黃　劍，傅振宇，陳家翹，江玉成，俞杭科

(國(guó)網(wǎng)浙江諸暨市供電公司，浙江 諸暨 310012)

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太陽(yáng)能在電纜管道監(jiān)控中的應(yīng)用

黃劍，傅振宇，陳家翹，江玉成，俞杭科

(國(guó)網(wǎng)浙江諸暨市供電公司，浙江 諸暨 310012)

摘要:采用光伏效應(yīng)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能是解決當(dāng)前能源危機(jī)的有效方法之一。太陽(yáng)能電纜管道監(jiān)控系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池的光生伏特效應(yīng)原理，白天利用太陽(yáng)能電板吸收太陽(yáng)能光子能量產(chǎn)生電能，通過(guò)控制器一部分提供給監(jiān)控設(shè)備使用，一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，夜晚或遇到陰雨天時(shí)，可通過(guò)蓄電池中儲(chǔ)存的電能給監(jiān)控設(shè)備供電。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；電纜井；在線(xiàn)監(jiān)控

輸電電纜運(yùn)行管理部門(mén)每年投入大量的人力、物力，對(duì)電纜溝內(nèi)環(huán)境以及電纜運(yùn)行進(jìn)行巡視檢查，如對(duì)井溝內(nèi)電纜接頭進(jìn)行的紅外線(xiàn)測(cè)溫，井蓋的防偷竊或破壞巡視，電纜溝內(nèi)積水，防火防氣觀察、檢測(cè)等，但仍然無(wú)法實(shí)時(shí)掌握狀態(tài)信息，進(jìn)行預(yù)防預(yù)測(cè)。因此有必要建立一個(gè)綜合的電纜管道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)影響溝井內(nèi)電纜線(xiàn)路運(yùn)行的重要狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

目前在電纜井內(nèi)存在著一個(gè)普遍的問(wèn)題——沒(méi)有電源，這極大地束縛了監(jiān)控設(shè)備的使用。常用的供電方式有蓄電池供電、電纜感應(yīng)取電、激光供能等，但是或多或少存在缺點(diǎn)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電無(wú)污染，無(wú)噪聲，不需要與電纜線(xiàn)接觸，且成本也較低?？紤]到設(shè)備的輸出功率和絕緣性等問(wèn)題，電纜井監(jiān)控系統(tǒng)主要采取太陽(yáng)能供電的方式。

1　太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電纜監(jiān)控上的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、控制器、蓄電池、穩(wěn)壓器、降壓器組成，如圖1所示。

1.1　太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)電池模板(Photovoltaic Module)、光伏板(Photovoltaic Panel)又稱(chēng)作太陽(yáng)能模組、太陽(yáng)能板，是將許多光伏電池(Photovoltaic Cell，太陽(yáng)能電池)互連并包裝的產(chǎn)物。

圖1 電纜監(jiān)控上的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)諸暨地區(qū)近5年的氣象數(shù)據(jù)，可以使用Hay提出的天空散射輻射各向異性模型，計(jì)算出太陽(yáng)能電池板在不同角度所能接受的輻射量，諸暨地區(qū)太陽(yáng)能電池的傾角定為28°。但是為了減少冬季雨雪天對(duì)太陽(yáng)能電池板造成的傷害，加快雨雪的滑落，可在原來(lái)傾角的基礎(chǔ)上再調(diào)高5°左右，因此本系統(tǒng)太陽(yáng)能電池板傾角取33°。

本項(xiàng)目采用高效多晶硅太陽(yáng)能電池組件, 組件顏色為深藍(lán)色, 組件電池嚴(yán)格按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC：1215：1993標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證電池的效率和穩(wěn)定性。

多晶硅太陽(yáng)能電池組件參數(shù)：轉(zhuǎn)換效率為17%，峰值功率溫度系數(shù)為±0.45%，開(kāi)路電壓溫度系數(shù)為-0.33%，短路電流溫度系數(shù)0.055%,功率溫度系數(shù)-0.23%,工作電流溫度系數(shù)+0.08%,工作電壓溫度系數(shù)-0.33%，最大系統(tǒng)電壓1 000 V，絕緣系數(shù)≥100 MΩ，擊穿電壓AC 200 V，DC 3 000 V，抗壓能力110 kg/m2，環(huán)境溫度±45 ℃，10年功率衰降<9%，25年功率衰降<20%。

1.2　充放電控制器

充放電控制器主要由專(zhuān)用處理器、開(kāi)關(guān)功率管等組成。它的主要作用就是控制整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的正常充放電，一旦蓄電池的電量不足或者過(guò)大，可以切斷電源，保護(hù)蓄電池。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，充放電控制器起到至關(guān)重要的作用。太陽(yáng)能充放電控制器能夠?yàn)樾铍姵靥峁┳罴训某潆婋娏骱碗妷?，且在充電過(guò)程中減少能量的損耗，避免過(guò)度充電和過(guò)度放電, 增加蓄電池的使用年限。

1.3　蓄電池

蓄電池是獨(dú)立太陽(yáng)能供電系統(tǒng)不可缺少的部分,蓄電池一般為鉛酸電池。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于充放電狀態(tài)。白天太陽(yáng)能電池板給負(fù)載設(shè)備提供電能，同時(shí)還給蓄電池充電，當(dāng)晚上或陰雨天太陽(yáng)能電池板無(wú)法給負(fù)載設(shè)備供電時(shí)，由蓄電池供給電量。

1.4　穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器由調(diào)壓電路、控制電路、伺服電機(jī)等組成，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，控制電路進(jìn)行取樣、比較、放大，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使調(diào)壓器碳刷的位置改變，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整線(xiàn)圈匝數(shù)比，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。容量較大的穩(wěn)壓器，還采用電壓補(bǔ)償。

2　太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理

光生伏特效應(yīng)：假設(shè)光線(xiàn)照射在太陽(yáng)能電池上并且光在界面層被接納，具有足夠能量的光子可以在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激起，致使發(fā)出電子-空穴對(duì)。界面層臨近的電子和空穴在復(fù)合之前，將經(jīng)由空間電荷的電場(chǎng)結(jié)果被相互分開(kāi)，電子向帶正電的N區(qū)，空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)由界面層的電荷分別將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向外的可測(cè)試的電壓。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，開(kāi)路電壓的典型值為0.5～0.6 V。經(jīng)由光照在界面層發(fā)出的電子-空穴對(duì)越多，電流越大。界面層接納的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽(yáng)能電池中形成的電流也越大。

太陽(yáng)能發(fā)電方式有兩種:光-熱-電轉(zhuǎn)換方式和光-電直接轉(zhuǎn)換方式，本系統(tǒng)采用的是光-電直接轉(zhuǎn)換方式。

光-電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng)，將照射在太陽(yáng)能電池上的太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)化成電能，因此太陽(yáng)能電池是光-電轉(zhuǎn)換的基本裝置。太陽(yáng)能電池是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，它能通過(guò)光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)太陽(yáng)光直接照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把所吸收的太陽(yáng)光能直接變成電能，產(chǎn)生電流，當(dāng)很多個(gè)太陽(yáng)能電池串聯(lián)起來(lái)后，就可以有較大的輸出功率，為負(fù)載設(shè)備提供足夠的電能。

白天，太陽(yáng)能電板受太陽(yáng)的照射產(chǎn)生電能，為監(jiān)控設(shè)備供電，而所余的電能則為蓄電池充電。晚上沒(méi)有太陽(yáng)光，蓄電池則改充電狀態(tài)位為放電狀態(tài)位給監(jiān)控設(shè)備供電，保障了電纜井監(jiān)控系統(tǒng)不掉電運(yùn)行。

3　系統(tǒng)功率計(jì)算

根據(jù)監(jiān)控設(shè)備的功率及耗電量大小來(lái)確定太陽(yáng)能發(fā)電的功率及配置。通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)檢測(cè)手段可以確定監(jiān)控?cái)z像機(jī)的功率為W1，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的總功率為W2。監(jiān)控設(shè)備每天的工作時(shí)間為N1小時(shí)。由以上數(shù)據(jù)可得出監(jiān)控設(shè)備的日用電量P1=(W1+W2)×N1(Wh)。若監(jiān)控設(shè)備的日常工作電壓為U1，則設(shè)備日耗電容量Q=P1/U1(Ah)。

根據(jù)監(jiān)控設(shè)備日耗電計(jì)算太陽(yáng)能電池板數(shù)量。假設(shè)采用單組電壓為U，功率為W的太陽(yáng)能電池板，則單塊太陽(yáng)能板日發(fā)電量

式中，T為太陽(yáng)能電池板充電時(shí)間；η為綜合充電效率；λ為充電過(guò)程中損耗比率。考慮升壓器和穩(wěn)壓器的總效率為α，則負(fù)載設(shè)備的實(shí)際需要發(fā)電量P=P1/α(Wh)。若太陽(yáng)能發(fā)電總量比率為β，那么太陽(yáng)能電池板的數(shù)量N=P×(1+β)/Ps，故太陽(yáng)能電池方陣總功率Wz=N×W(W)，電池板并聯(lián)塊數(shù)N2=U1/U，電池板串聯(lián)塊數(shù)為Ns=N/N2。

太陽(yáng)能方陣每日所發(fā)電量除供設(shè)備消耗外，還要多發(fā)出一部分電量存儲(chǔ)到蓄電池內(nèi)以備夜間及陰雨天使用。蓄電池的容量Q1計(jì)算公式

式中,A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；L為連續(xù)陰雨天數(shù)；τ為溫度修正系數(shù)，一般0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；F為蓄電池放電深度，一般鉛酸電池取0.7。

監(jiān)控設(shè)備有DC 12 V和DC 24 V兩種電壓，其中有些設(shè)備需要24 h不間斷供電，經(jīng)過(guò)實(shí)際功率的測(cè)試，得出 DC 12 V設(shè)備一天的功率為228 W，DC 24 V設(shè)備一天的功率為38.4 W，峰值功率為22.1 W。經(jīng)計(jì)算諸暨地區(qū)平均每日峰值日照時(shí)數(shù)(方陣面上)為3.42 h以上，考慮蓄電池容量能滿(mǎn)足負(fù)載4天(96 h)以上連續(xù)供電的需求。因此，太陽(yáng)能電池板選用200 W的，蓄電池采用12 V 150 Ah，基本能滿(mǎn)足電纜井監(jiān)控系統(tǒng)的日常供電需求。

4　太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

(1)原先電纜井監(jiān)控設(shè)備需要使用外部電源，但是在電纜井安裝電源線(xiàn)路有復(fù)雜的作業(yè)程序，首先要進(jìn)行電纜井的開(kāi)挖、鋪設(shè)暗管、管內(nèi)穿線(xiàn)、回填等大量的基礎(chǔ)工程，然后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的安裝調(diào)試，如一條線(xiàn)路有問(wèn)題，則要大面積的返工，工程量巨大，而且地勢(shì)和線(xiàn)路復(fù)雜，人工成本和輔助材料的費(fèi)用也會(huì)很高昂。使用太陽(yáng)能供電之后，不用鋪設(shè)復(fù)雜的線(xiàn)路，只需要在外

邊空地上用水泥做一個(gè)平臺(tái)，用鋼架固定即可。

(2)使用其他電源需要對(duì)線(xiàn)路和配置進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)和更換，維護(hù)的成本將逐年增加。而太陽(yáng)能是一次性投入，可以使用20年左右，長(zhǎng)期受益。

(3)由于外部電源線(xiàn)路使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后，會(huì)產(chǎn)生諸如線(xiàn)路老化，供電不正常等安全隱患，且外部電源線(xiàn)路的電壓是220 V，漏電的話(huà)容易對(duì)周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生危險(xiǎn)。而太陽(yáng)能是24 V直流供電，運(yùn)行安全可靠。

5　結(jié)　論

我國(guó)是個(gè)能源消耗的大國(guó)，能源危機(jī)日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展、能源供給的獨(dú)立性和安全性具有重要的意義。同時(shí)，對(duì)于電纜監(jiān)控電源問(wèn)題的解決亦提供了有效方案。

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運(yùn)營(yíng)探討

Application of Solar Energy in Cable Pipeline Monitoring

HUANG Jian, FU Zhen-yu, CHEN Jia-qiao, JIANG Yu-cheng, YU Hang-ke

(Zhuji Power Supply Company of State Grid, Zhuji 310012, China)

Abstract:Applying photovoltaic effect to transform solar energy into electrical energy is an effective method to deal with the current energy crisis. Cable pipeline monitoring system utilizing solar energy to produce electricity in day offers part of the electrical energy to monitoring devices through controller, and stores the rest in batteries which is then used to power monitoring devices at night and in rainy days.

Key words:solar energy; cable well; online monitoring

中圖分類(lèi)號(hào)：TK51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0121-02

作者簡(jiǎn)介：黃劍(1979-)，男，浙江諸暨人，本科，工程師，研究方向：電力運(yùn)行。

收稿日期：2014-11-18