一種針對戶外型控制柜的光伏降溫方案研究

崔秋菊 陳凌利

摘 要：出于降低變電站耗電量的考慮，研究了結合太陽能發(fā)電技術與半導體制冷技術，用于戶外型智能控制柜降溫的方案，分析結果證實了方案具備可行性。

關鍵詞：太陽能電池;半導體制冷;戶外型控制柜

0? ? 引言

隨著數(shù)字化時代的到來，智能化變電站逐漸普及。智能變電站主要包括智能高壓設備和變電站統(tǒng)一信息平臺兩部分。智能高壓設備由傳統(tǒng)的高壓一次設備和智能化裝置組合而成。在智能化變電站中，微機測控保護的部分功能和操作箱的功能由智能操作箱（智能終端）替代，智能終端可被安裝在開關設備的就地控制屏柜中，組成智能控制柜。戶外型的開關系統(tǒng)，由于智能控制柜安裝在戶外，且密封等級達到IP54，在陽光直射下柜內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度。智能設備對環(huán)境溫度有一定的要求，高溫的工作環(huán)境會使其壽命下降，也影響其他電氣元器件的正常工作。由于密封性限制，通過空氣對流降溫往往達不到要求，而使用空調(diào)機則大大增加了耗電量。在戶外柜使用空調(diào)降溫的變電站中，空調(diào)的耗電量占站用電量的一半以上。

本文主要研究了結合太陽能發(fā)電技術與半導體制冷技術，用于戶外型智能控制柜降溫的方案的可行性。

1? ? 太陽能發(fā)電和半導體制冷技術

1.1? ? 太陽能電池組件

太陽能發(fā)電的基本原理是利用太陽能電池的光生伏打效應直接把太陽的輻射能轉變?yōu)殡娔?。太陽能光伏發(fā)電的能量轉換器是太陽能電池，它是一種類似于晶體二極管的半導體器件，主要材料為晶體硅（單、多晶硅）。把多個單體的太陽能電池片根據(jù)需要串、并聯(lián)起來，并通過專門材料和專門生產(chǎn)工藝進行封裝，即可形成太陽能電池組件。電池組件是光伏發(fā)電的基礎元件，目前市場上有多種規(guī)格的太陽能組件可供選擇，價格也在逐步下調(diào)中，使用壽命在25年左右，基本滿足供配電系統(tǒng)對主要組成元件的壽命要求。光伏發(fā)電具有不耗燃料、無機械轉動部件、無污染、無噪聲、太陽能資源可再生等優(yōu)點。

1.2? ? 半導體制冷技術

半導體制冷也稱“熱電制冷”，它利用的是直流電通過由特種半導體材料制成的PN結回路時，在PN結的接觸面上有熱量轉換的特性（珀爾帖效應），即通過直流電制冷的一種新型制冷方式，是從20世紀50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科。

目前國家倡導節(jié)能減排，熱電半導體制冷/制熱系統(tǒng)（TEC空調(diào)）以其獨特的技術優(yōu)勢在工業(yè)空調(diào)領域取得了長足的進展。與傳統(tǒng)的制冷技術相比，半導體制冷具有結構簡單、可靠性高、無噪聲、無磨損、無污染、制冷速度快、控制靈活等優(yōu)點。

2? ? 智能控制柜光伏降溫方案的可行性研究

半導體制冷技術因為能效比在0.6左右，相對較低，不適合應用于空間較大的場所，而控制柜空間結構小，相對密封，利用半導體制冷器制冷范圍合適。另外，半導體制冷片采用的是直流電，而太陽能電池輸出的也是直流電，無需逆變器，通過太陽能控制器，可將輸出電壓穩(wěn)定控制在半導體制冷器的工作電壓范圍內(nèi)。

2.1? ? 系統(tǒng)結構

光伏技術的能源是太陽能，也就是有陽光照射的時候，太陽能電池才可以發(fā)電。如果要將電能儲存起來，就需要配備蓄電池。半導體制冷片可根據(jù)測量溫度與設定溫度的對比，執(zhí)行制冷或者制熱程序。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

柜內(nèi)電子元件正常工作溫度為-10～55 ℃，戶外型控制柜溫度超標的情況一般發(fā)生在陽光直射，柜內(nèi)元件工作自發(fā)熱且控制柜散熱通風效果不好時。因此，半導體需要制冷工作時一般為有陽光直射時，此時正是太陽能組件工作時，太陽能組件所發(fā)的電直接提供給半導體使用，能源利用效率高。

半導體制冷器往往不僅僅可以制冷，只要正負端電壓反接，制冷面與制熱面就可以立刻轉換。冬季無需制冷工作，白天太陽能組件所發(fā)的電由蓄電池儲存起來，夜晚溫度低于下限時即可啟動半導體制熱功能，以防電氣設備產(chǎn)生凝露。

2.2? ? 制冷量計算

目前市場上半導體制冷器已有成熟的產(chǎn)品，其選型的依據(jù)是基于柜內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的差值以及柜內(nèi)熱損耗從而確定所需要的制冷量。現(xiàn)在一般都是按照德國威圖公司提供的經(jīng)驗公式來選取的，其計算如下：

QE=QV-K×A×ΔT

式中，QE為總的制冷量（W）;QV為柜內(nèi)元器件總的熱損耗（W）;K為熱傳導系數(shù)（W·m-2·K-1），其值根據(jù)柜體材料不同而不同，一般來說，鋼板為5.5，鋁板為11，塑料為0.3;A為柜體實際散熱面積（m2）;ΔT為柜體內(nèi)外的溫差，即柜體內(nèi)部的溫度減去柜體外面的溫度（即工作現(xiàn)場的環(huán)境溫度）。

以成都成阿北110 kV變電站線路智能控制柜為例，柜體的寬、深、高分別為1 m、1 m、2 m，材質(zhì)為不銹鋼，無保溫層。柜內(nèi)耗電器材有南瑞繼保智能組件（2只/臺柜）、電氣元器件（繼電器、空開、電線等）。一臺柜內(nèi)元件發(fā)熱量統(tǒng)計如表1所示。

由于控制柜內(nèi)元器件型號眾多，以上發(fā)熱量統(tǒng)計較為粗糙，僅能作為參考，故放寬裕量，代入計算時按照每臺柜元件的總發(fā)熱量QV=150 W來計算。此時，制冷量如下：

QE=QV-K×A×ΔT

=150-5.5×6×（T室內(nèi)-T室外）

=150 W

因柜子前面為雙層門，后門安裝制冷器，散熱面積取6 m2。此處按照未貼隔熱棉，以不銹鋼材料計算導熱量。至于柜體內(nèi)外的溫差，一般規(guī)范的要求是柜內(nèi)溫度不高于柜外溫度即可，一般電氣元器件可耐受的環(huán)境溫度都不會低于55 ℃，故此處我們?nèi)ˇ為0。

控制柜配有透氣孔，但因防護等級要求，透氣孔很小，且有防塵棉阻隔內(nèi)外空氣，故此計算制冷量時未將其考慮進去。

2.3? ? 功率計算

我們已經(jīng)算出控制柜最大的制冷量150 W，半導體制冷器的能效比（EER）很低，約為0.6，故一臺半導體制冷機的功率Wb為：

Wb=QE/0.6=150/0.6=250 W

則要求所選光伏組件的輸出功率如下：

Wgf=（Wb+Wf）/Kmp=（250+40）/0.98≈300 W

式中，Wgf為總消耗功率（W）;Wb為半導體的功耗（W）;Wf為風機消耗功率（W），取40 W;Kmp為MPPT太陽能控制器的轉換效率，取0.98。

2.4? ? 設備簡單選型

可針對以上計算結果進行選型。目前市場上的太陽能組件功率在260～440 W/片，可選用一片380 W組件，固定在控制柜或者開關設備上方，安裝方案可隨現(xiàn)場實際情況作調(diào)整。半導體制冷器目前市場上也有成熟的壁掛式產(chǎn)品，可戶外安裝，功率可選300 W左右，安裝于控制柜后門。至于MPPT太陽能控制器，型號眾多，選擇時注意其輸入、輸出功率范圍即可。

儲能部分可根據(jù)待電時長來選型，因空間限制，可選48 V/

40 Ah鉛酸電池，按照放電深度50%，可充放電量為1 kWh左右。在無太陽能發(fā)電的情況下，可供半導體最大功率連續(xù)工作3 h。

安裝效果圖模擬如圖2所示。

3? ? 結語

變電站智能化在使變電工作變得更為方便、高效、精準的同時也帶來了一些問題，比如原本安裝在變電站控制室的保護測控裝置下放到現(xiàn)場戶外型控制柜，從而需要提高對戶外控制柜的環(huán)境要求。本文提出了利用太陽能發(fā)電的半導體制冷方案，雖然設備初期投資可能比空調(diào)機還高，但耗電量也是經(jīng)濟成本，此方案幾乎不增加變電站的耗電量，而且太陽能和半導體設備都穩(wěn)定性較高，降低了維護成本。所以從長遠來看，相對于安裝空調(diào)機，此方案更為綠色節(jié)能。

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收稿日期：2020-03-26

作者簡介：崔秋菊（1984—），女，江蘇南通人，工程師，從事光伏技術應用、電力系統(tǒng)控制工作。