太阳能在电缆管道监控中的应用

黄　剑，傅振宇，陈家翘，江玉成，俞杭科

(国网浙江诸暨市供电公司，浙江 诸暨 310012)



太阳能在电缆管道监控中的应用

黄剑，傅振宇，陈家翘，江玉成，俞杭科

(国网浙江诸暨市供电公司，浙江 诸暨 310012)

摘要:采用光伏效应把太阳能转化成电能是解决当前能源危机的有效方法之一。太阳能电缆管道监控系统利用太阳能电池的光生伏特效应原理，白天利用太阳能电板吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器一部分提供给监控设备使用，一部分储存在蓄电池中，夜晚或遇到阴雨天时，可通过蓄电池中储存的电能给监控设备供电。

关键词：太阳能；电缆井；在线监控

输电电缆运行管理部门每年投入大量的人力、物力，对电缆沟内环境以及电缆运行进行巡视检查，如对井沟内电缆接头进行的红外线测温，井盖的防偷窃或破坏巡视，电缆沟内积水，防火防气观察、检测等，但仍然无法实时掌握状态信息，进行预防预测。因此有必要建立一个综合的电缆管道运行状态监测平台，对影响沟井内电缆线路运行的重要状态进行实时在线监测。

目前在电缆井内存在着一个普遍的问题——没有电源，这极大地束缚了监控设备的使用。常用的供电方式有蓄电池供电、电缆感应取电、激光供能等，但是或多或少存在缺点。太阳能光伏发电无污染，无噪声，不需要与电缆线接触，且成本也较低。考虑到设备的输出功率和绝缘性等问题，电缆井监控系统主要采取太阳能供电的方式。

1　太阳能发电系统结构

电缆监控上的太阳能发电系统由太阳能电池板、控制器、蓄电池、稳压器、降压器组成，如图1所示。

1.1　太阳能电池板

太阳电池模板(Photovoltaic Module)、光伏板(Photovoltaic Panel)又称作太阳能模组、太阳能板，是将许多光伏电池(Photovoltaic Cell，太阳能电池)互连并包装的产物。

图1 电缆监控上的太阳能发电系统结构图

根据诸暨地区近5年的气象数据，可以使用Hay提出的天空散射辐射各向异性模型，计算出太阳能电池板在不同角度所能接受的辐射量，诸暨地区太阳能电池的倾角定为28°。但是为了减少冬季雨雪天对太阳能电池板造成的伤害，加快雨雪的滑落，可在原来倾角的基础上再调高5°左右，因此本系统太阳能电池板倾角取33°。

本项目采用高效多晶硅太阳能电池组件, 组件颜色为深蓝色, 组件电池严格按照国际电工委员会IEC：1215：1993标准要求进行设计，保证电池的效率和稳定性。

多晶硅太阳能电池组件参数：转换效率为17%，峰值功率温度系数为±0.45%，开路电压温度系数为-0.33%，短路电流温度系数0.055%,功率温度系数-0.23%,工作电流温度系数+0.08%,工作电压温度系数-0.33%，最大系统电压1 000 V，绝缘系数≥100 MΩ，击穿电压AC 200 V，DC 3 000 V，抗压能力110 kg/m2，环境温度±45 ℃，10年功率衰降<9%，25年功率衰降<20%。

1.2　充放电控制器

充放电控制器主要由专用处理器、开关功率管等组成。它的主要作用就是控制整个太阳能系统的正常充放电，一旦蓄电池的电量不足或者过大，可以切断电源，保护蓄电池。在太阳能发电系统中，充放电控制器起到至关重要的作用。太阳能充放电控制器能够为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，且在充电过程中减少能量的损耗，避免过度充电和过度放电, 增加蓄电池的使用年限。

1.3　蓄电池

蓄电池是独立太阳能供电系统不可缺少的部分,蓄电池一般为铅酸电池。在太阳能发电系统中，蓄电池处于充放电状态。白天太阳能电池板给负载设备提供电能，同时还给蓄电池充电，当晚上或阴雨天太阳能电池板无法给负载设备供电时，由蓄电池供给电量。

1.4　稳压器

稳压器由调压电路、控制电路、伺服电机等组成，当输入电压或负载变化时，控制电路进行取样、比较、放大，然后驱动伺服电机转动，使调压器碳刷的位置改变，通过自动调整线圈匝数比，从而保持输出电压的稳定。容量较大的稳压器，还采用电压补偿。

2　太阳能发电系统原理

光生伏特效应：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发出电子-空穴对。界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分开，电子向带正电的N区，空穴向带负电的P区运动。经由界面层的电荷分别将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型值为0.5～0.6 V。经由光照在界面层发出的电子-空穴对越多，电流越大。界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

太阳能发电方式有两种:光-热-电转换方式和光-电直接转换方式，本系统采用的是光-电直接转换方式。

光-电直接转换方式是利用光电效应，将照射在太阳能电池上的太阳辐射能直接转化成电能，因此太阳能电池是光-电转换的基本装置。太阳能电池是一个半导体光电二极管，它能通过光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能，当太阳光直接照到光电二极管上时，光电二极管就会把所吸收的太阳光能直接变成电能，产生电流，当很多个太阳能电池串联起来后，就可以有较大的输出功率，为负载设备提供足够的电能。

白天，太阳能电板受太阳的照射产生电能，为监控设备供电，而所余的电能则为蓄电池充电。晚上没有太阳光，蓄电池则改充电状态位为放电状态位给监控设备供电，保障了电缆井监控系统不掉电运行。

3　系统功率计算

根据监控设备的功率及耗电量大小来确定太阳能发电的功率及配置。通过计算或实验检测手段可以确定监控摄像机的功率为W1，数据采集设备的总功率为W2。监控设备每天的工作时间为N1小时。由以上数据可得出监控设备的日用电量P1=(W1+W2)×N1(Wh)。若监控设备的日常工作电压为U1，则设备日耗电容量Q=P1/U1(Ah)。

根据监控设备日耗电计算太阳能电池板数量。假设采用单组电压为U，功率为W的太阳能电池板，则单块太阳能板日发电量

式中，T为太阳能电池板充电时间；η为综合充电效率；λ为充电过程中损耗比率。考虑升压器和稳压器的总效率为α，则负载设备的实际需要发电量P=P1/α(Wh)。若太阳能发电总量比率为β，那么太阳能电池板的数量N=P×(1+β)/Ps，故太阳能电池方阵总功率Wz=N×W(W)，电池板并联块数N2=U1/U，电池板串联块数为Ns=N/N2。

太阳能方阵每日所发电量除供设备消耗外，还要多发出一部分电量存储到蓄电池内以备夜间及阴雨天使用。蓄电池的容量Q1计算公式

式中,A为安全系数，取1.1～1.4之间；L为连续阴雨天数；τ为温度修正系数，一般0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；F为蓄电池放电深度，一般铅酸电池取0.7。

监控设备有DC 12 V和DC 24 V两种电压，其中有些设备需要24 h不间断供电，经过实际功率的测试，得出 DC 12 V设备一天的功率为228 W，DC 24 V设备一天的功率为38.4 W，峰值功率为22.1 W。经计算诸暨地区平均每日峰值日照时数(方阵面上)为3.42 h以上，考虑蓄电池容量能满足负载4天(96 h)以上连续供电的需求。因此，太阳能电池板选用200 W的，蓄电池采用12 V 150 Ah，基本能满足电缆井监控系统的日常供电需求。

4　太阳能发电系统优势

太阳能发电系统优点：

(1)原先电缆井监控设备需要使用外部电源，但是在电缆井安装电源线路有复杂的作业程序，首先要进行电缆井的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量的基础工程，然后进行长时间的安装调试，如一条线路有问题，则要大面积的返工，工程量巨大，而且地势和线路复杂，人工成本和辅助材料的费用也会很高昂。使用太阳能供电之后，不用铺设复杂的线路，只需要在外

边空地上用水泥做一个平台，用钢架固定即可。

(2)使用其他电源需要对线路和配置进行长期维护和更换，维护的成本将逐年增加。而太阳能是一次性投入，可以使用20年左右，长期受益。

(3)由于外部电源线路使用时间过长后，会产生诸如线路老化，供电不正常等安全隐患，且外部电源线路的电压是220 V，漏电的话容易对周围的环境产生危险。而太阳能是24 V直流供电，运行安全可靠。

5　结　论

我国是个能源消耗的大国，能源危机日益严重，太阳能发电对我国的可持续发展、能源供给的独立性和安全性具有重要的意义。同时，对于电缆监控电源问题的解决亦提供了有效方案。

参考文献：

[1]缪进荣.太阳能光伏发电站监控系统的研究与实现[D]. 北京：北京交通大学，2012.

[2]朱成喜,韩小新,于冬梅,刑绍邦.电力线路监测装置太阳能光伏供电系统研究[J].机电信息，2013，(36)：132-134.

[3]张立文，张聚伟，田葳，张晓红.太阳能光伏发电技术及应用[J].应用能源技术，2010，(3)：32-34.

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[5]杜雅娟.高速公路全程监控太阳能供电技术探讨[J].交通世界，运输,2011,(14):44-45.

[6]王九增.高速公路全程监控太阳能供电方案[J].交通世界，运输,2009,(14):34-35.

运营探讨

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

中图分类号：TK51

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0121-02

作者简介：黄剑(1979-)，男，浙江诸暨人，本科，工程师，研究方向：电力运行。

收稿日期：2014-11-18