一种针对户外型控制柜的光伏降温方案研究

崔秋菊 陈凌利

摘 要：出于降低变电站耗电量的考虑，研究了结合太阳能发电技术与半导体制冷技术，用于户外型智能控制柜降温的方案，分析结果证实了方案具备可行性。

关键词：太阳能电池;半导体制冷;户外型控制柜

0    引言

随着数字化时代的到来，智能化变电站逐渐普及。智能变电站主要包括智能高压设备和变电站统一信息平台两部分。智能高压设备由传统的高压一次设备和智能化装置组合而成。在智能化变电站中，微机测控保护的部分功能和操作箱的功能由智能操作箱（智能终端）替代，智能终端可被安装在开关设备的就地控制屏柜中，组成智能控制柜。户外型的开关系统，由于智能控制柜安装在户外，且密封等级达到IP54，在阳光直射下柜内温度高于环境温度。智能设备对环境温度有一定的要求，高温的工作环境会使其寿命下降，也影响其他电气元器件的正常工作。由于密封性限制，通过空气对流降温往往达不到要求，而使用空调机则大大增加了耗电量。在户外柜使用空调降温的变电站中，空调的耗电量占站用电量的一半以上。

本文主要研究了结合太阳能发电技术与半导体制冷技术，用于户外型智能控制柜降温的方案的可行性。

1    太阳能发电和半导体制冷技术

1.1    太阳能电池组件

太阳能发电的基本原理是利用太阳能电池的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能。太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，它是一种类似于晶体二极管的半导体器件，主要材料为晶体硅（单、多晶硅）。把多个单体的太阳能电池片根据需要串、并联起来，并通过专门材料和专门生产工艺进行封装，即可形成太阳能电池组件。电池组件是光伏发电的基础元件，目前市场上有多种规格的太阳能组件可供选择，价格也在逐步下调中，使用寿命在25年左右，基本满足供配电系统对主要组成元件的寿命要求。光伏发电具有不耗燃料、无机械转动部件、无污染、无噪声、太阳能资源可再生等优点。

1.2    半导体制冷技术

半导体制冷也称“热电制冷”，它利用的是直流电通过由特种半导体材料制成的PN结回路時，在PN结的接触面上有热量转换的特性（珀尔帖效应），即通过直流电制冷的一种新型制冷方式，是从20世纪50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科。

目前国家倡导节能减排，热电半导体制冷/制热系统（TEC空调）以其独特的技术优势在工业空调领域取得了长足的进展。与传统的制冷技术相比，半导体制冷具有结构简单、可靠性高、无噪声、无磨损、无污染、制冷速度快、控制灵活等优点。

2    智能控制柜光伏降温方案的可行性研究

半导体制冷技术因为能效比在0.6左右，相对较低，不适合应用于空间较大的场所，而控制柜空间结构小，相对密封，利用半导体制冷器制冷范围合适。另外，半导体制冷片采用的是直流电，而太阳能电池输出的也是直流电，无需逆变器，通过太阳能控制器，可将输出电压稳定控制在半导体制冷器的工作电压范围内。

2.1    系统结构

光伏技术的能源是太阳能，也就是有阳光照射的时候，太阳能电池才可以发电。如果要将电能储存起来，就需要配备蓄电池。半导体制冷片可根据测量温度与设定温度的对比，执行制冷或者制热程序。系统结构图如图1所示。

柜内电子元件正常工作温度为-10～55 ℃，户外型控制柜温度超标的情况一般发生在阳光直射，柜内元件工作自发热且控制柜散热通风效果不好时。因此，半导体需要制冷工作时一般为有阳光直射时，此时正是太阳能组件工作时，太阳能组件所发的电直接提供给半导体使用，能源利用效率高。

半导体制冷器往往不仅仅可以制冷，只要正负端电压反接，制冷面与制热面就可以立刻转换。冬季无需制冷工作，白天太阳能组件所发的电由蓄电池储存起来，夜晚温度低于下限时即可启动半导体制热功能，以防电气设备产生凝露。

2.2    制冷量计算

目前市场上半导体制冷器已有成熟的产品，其选型的依据是基于柜内温度与环境温度的差值以及柜内热损耗从而确定所需要的制冷量。现在一般都是按照德国威图公司提供的经验公式来选取的，其计算如下：

QE=QV-K×A×ΔT

式中，QE为总的制冷量（W）;QV为柜内元器件总的热损耗（W）;K为热传导系数（W·m-2·K-1），其值根据柜体材料不同而不同，一般来说，钢板为5.5，铝板为11，塑料为0.3;A为柜体实际散热面积（m2）;ΔT为柜体内外的温差，即柜体内部的温度减去柜体外面的温度（即工作现场的环境温度）。

以成都成阿北110 kV变电站线路智能控制柜为例，柜体的宽、深、高分别为1 m、1 m、2 m，材质为不锈钢，无保温层。柜内耗电器材有南瑞继保智能组件（2只/台柜）、电气元器件（继电器、空开、电线等）。一台柜内元件发热量统计如表1所示。

由于控制柜内元器件型号众多，以上发热量统计较为粗糙，仅能作为参考，故放宽裕量，代入计算时按照每台柜元件的总发热量QV=150 W来计算。此时，制冷量如下：

QE=QV-K×A×ΔT

=150-5.5×6×（T室内-T室外）

=150 W

因柜子前面为双层门，后门安装制冷器，散热面积取6 m2。此处按照未贴隔热棉，以不锈钢材料计算导热量。至于柜体内外的温差，一般规范的要求是柜内温度不高于柜外温度即可，一般电气元器件可耐受的环境温度都不会低于55 ℃，故此处我们取ΔT为0。

控制柜配有透气孔，但因防护等级要求，透气孔很小，且有防尘棉阻隔内外空气，故此计算制冷量时未将其考虑进去。

2.3    功率计算

我们已经算出控制柜最大的制冷量150 W，半导体制冷器的能效比（EER）很低，约为0.6，故一台半导体制冷机的功率Wb为：

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

则要求所选光伏组件的输出功率如下：

Wgf=（Wb+Wf）/Kmp=（250+40）/0.98≈300 W

式中，Wgf为总消耗功率（W）;Wb为半导体的功耗（W）;Wf为风机消耗功率（W），取40 W;Kmp为MPPT太阳能控制器的转换效率，取0.98。

2.4    设备简单选型

可针对以上计算结果进行选型。目前市场上的太阳能组件功率在260～440 W/片，可选用一片380 W组件，固定在控制柜或者开关设备上方，安装方案可随现场实际情况作调整。半导体制冷器目前市场上也有成熟的壁挂式产品，可户外安装，功率可选300 W左右，安装于控制柜后门。至于MPPT太阳能控制器，型号众多，选择时注意其输入、输出功率范围即可。

储能部分可根据待电时长来选型，因空间限制，可选48 V/

40 Ah铅酸电池，按照放电深度50%，可充放电量为1 kWh左右。在无太阳能发电的情况下，可供半导体最大功率连续工作3 h。

安装效果图模拟如图2所示。

3    结语

变电站智能化在使变电工作变得更为方便、高效、精准的同时也带来了一些问题，比如原本安装在变电站控制室的保护测控装置下放到现场户外型控制柜，从而需要提高对户外控制柜的环境要求。本文提出了利用太阳能发电的半导体制冷方案，虽然设备初期投资可能比空调机还高，但耗电量也是经济成本，此方案几乎不增加变电站的耗电量，而且太阳能和半导体设备都稳定性较高，降低了维护成本。所以从长远来看，相对于安装空调机，此方案更为绿色节能。

[参考文献]

[1] 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 唐志平.供配電技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3] 翁双安.供配电工程设计指导[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 陆国俊，黃炎光，覃煜，等.基于电力设备状态评价体系的GIS状态评估方法[J].南方电网技术，2014，8（1）：70-74.

[5] 李富生，李瑞生，周逢权.微电网技术及工程应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

收稿日期：2020-03-26

作者简介：崔秋菊（1984—），女，江苏南通人，工程师，从事光伏技术应用、电力系统控制工作。