南水北调视频监控系统风光互补改造方案

1南水北调中线工程南阳段太阳能视频监控系统优化方案一、背景现状南水北调中线工程南阳段现安装太阳能视频监控及广播系统约100余套，系统已安装完毕。自16年10月以后存在部分监控系统电量不足，视频广播掉线情况。供电系统由2块250W/24V太阳能板和12块600Ah/12V蓄电池组成。监控杆高8米，主要设备有监控摄像头、2个号角、功放、音频服务器、太阳能控制器、逆变器、变压器、I/O控制器、稳压电源、网络转换器等组成。二、原因分析经现场查看分析，导致系统工作不正常的原因可能主要存在三个方面。第一是气象环境方面，也是最重要的方面：其一是南阳地区日平均峰值日照时间稍低于沿线其他地区，日平均峰值日照时间为3.8小时，而沿线其他地区约为4.0小时以上。其二是冬季太阳光线弱，且昼短夜长，12月份平均日峰值日照时间仅为2.6小时，导致系统每天发电量几乎难满足日用电量，更没有多余的电量存于蓄电池，如遇阴雨天气则导致蓄电池欠压断电，一蹶不振。其三是进入冬季及初春季节，受雾霾天气影响光照强度降低，使太阳能板发电功率大大降低，且春冬季节干燥多风，扬尘较大，太阳能板受浮灰遮挡进一步降低发电效率。第二是安装环境方面，其一是个别太阳能板存在桥梁、建筑物遮挡现象，使光伏板不能有效利用。其二是个别太阳能板上下两层距离较近，存在上层遮挡下层光线现象，影响发电效率且可能造成热斑效应。第三是设备运行模式方面，个别地方摄像机或监控存在误动、频繁启动现象，造成用电量增大。总结起来，突出问题为发电量少用电量多。三、隐患及后果系统不能正常工作，除了影响系统的正常功能外，也对系统的寿命有较大影响。蓄电池的放电深度越深，寿命影响越大，而冬春季节蓄电池长期频繁地处于欠压状态，频繁的充电放电，将会降低蓄电池的使用寿命。四、改造方案1、系统用电量分析为解决系统用电量不足问题，首先分析系统的用电设备及功率，设备运行状态及时间，核算出系统每天的用电量，才能以此算出所需光伏板功率。根据南水北调中线干线工程安2防工程视频监控系统：太阳能供电系统负载测试记录进行计算。附件2如下：附件2.太阳能供电系统负载测试记录1工程名称：南水北调中线干线工程安防工程视频监控系统集成一标测试时间：2015年4月16日测试环境：太阳能光伏板：24V500W*2太阳能电池组：2V600AH*12太阳能控制箱：含控制器、监控显示屏（测试工具）、逆变器摄像机控制箱：含12VDC变压器及负载、24VAC变压器、广播功放、网络音频终端、工业交换机、I/O控制器、配套无源设备（防雷器、端子排、空气开关、漏电保护等）号角扬声器：100V，20W号角扬声器*2摄像机型号：720P高清激光室外网络摄像机2（DS-2ZZN2LWK-PT1，标称最大功率110W）测试项目：系统负载、电池放电测试测试工具：高精度数字功率计、钳形电流表、被测设备配套的调试软件、组合工具交换机IO控制器音频终端功放号角机芯旋转激光加热有功功率功率因数视在功率1日间待机√√√--√---38.50.755.002.212夜间待机√√√--√-√-57.50.7675.663.253日间广播√√√√√√---2000.85235.2910.54夜间广播√√√√√√-√-2350.85276.47125日间旋转√√√--√√--470.7364.382.86夜间旋转√√√--√√√-66.50.7588.673.97日间全开√√√√√√√--2200.85258.82118夜间全开√√√√√√√√-2400.85282.3512注：1.为保护设备硬件安全，防止摄像机温度过热而烧毁，摄像机厂家在进行产品设计时，不允许手动打开摄像机加热，故南阳4月份不具备测试加热功能的现场条件。2.根据实测情况，广播的功率较大。测试时已将音量调至最大，瞬态功率与播放曲目的波形有关。上表中记录的广播播放时的整系统功率均为最大值，如果系统集成过程中不认为修改广播终端的音量上限，则实际应用中，整系统功率不会超过上表。3.视在功率由功率仪显示的有功功率和功率因数计算得出。视在功率=有功功率/功率因数。4.电池放电电流是钳表在电池组输出线正极的读数。序号系统工作状态其他设备工作状态摄像机工作状态实测系统功率(W@220VAC)实测电池放电电流(A@24VDC)由于所有设备用电均由蓄电池供应，此处设备用电量均按照蓄电池输出实测电流进行计算。由上表可知，日间待机蓄电池输出电流2.21A；夜间待机蓄电池输出电流3.25A；摄像机旋转工作电流为0.59~0.65A，取0.65A；广播工作电流为8.3~8.75A，取8.75A；其中日间待机模式按每天12小时计算，夜间待机模式按照每天12小时计算，摄像机旋转3模式按照每天1.5小时计算，广播模式按照每天1小时计算。则蓄电池每天放电量：Q=2.21*12+3.25*12+0.65*1.5+8.75*1=75.25Ah蓄电池额定电压为24VDC，所以系统每天用电量为1.806KWh2、气象资料南阳地区月平均峰值日照时间如下表。月度平均峰值日照时数(kWh/m2/day)纬33经112.51月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年度平均22年平均值2.883.373.944.674.905.074.534.183.633.152.702.613.80其中全年平均峰值日照时数为3.8h，最高值为6月份5.07h，最低值为12月份2.61h。总干渠沿线各站年平均风速为1.8～3.1m/s左右，据相关气象部门统计，各站的风速记录如下错误!未找到引用源。。站名一月四月七月十月年平均风速大风日数平均风速大风日数平均风速大风日数平均风速大风日数平均风速大风日数南阳2.50.12.90.62.30.22.20.12.53.0许昌2.70.82.91.72.10.42.00.42.48.4郑州3.53.53.73.12.60.92.61.13.123.0安阳2.30.73.53.62.20.82.10.72.515.5邢台1.80.33.12.71.90.71.70.42.19.9石家庄1.92.02.32.31.41.31.40.81.817.4保定2.11.53.04.32.02.72.01.22.324.1北京2.93.13.43.91.81.12.11.42.526.73、系统方案设计鉴于南阳地区冬季有效日照时间短，春冬季节平均风速较大的特点，以及阴雨和下雪天平均风速较大的气候现象，且总干渠两岸地势开阔，平均风速相对较大，本项目推荐使用风光互补系统进行供电。已知负载每天用电量为1.806kWh。根据南阳市的风力情况及日照情况，结合监控设备的全天候不间断工作的特点，本系统采用风光互补独立发电作为电源，无市电等后备电4源，这就要求系统必须满足最不利天气情况下的发电量能够满足系统用电需求。为保证系统每天发电有结余，以备阴雨天使用，本系统按照每日有效发电量≥1.1倍的用电量。即，每天有效发电量（存储于电池及负载消耗的电量）不小于1.1*1.806=1.97kWh，本系统按1.97kWh计算。由于风光互补发电系统春冬季节风力发电多光伏发电量少，夏秋季节光伏发电多风机发电少，本工程日有效发电量拟按风力发电:光伏发电=1:9配置。即风力输出电量占总用电量的10%，光伏发电占90%，即，风力每天有效发电量Q1不小于0.2kWh，光伏每天有效发电量Q2为1.77kWh。风力发电机组的测算：下表为SYF-400W风力发电机的功率曲线：根据平原地区特点平均每天风速在4m/s的时长约为6h，春冬季节约为6-8h，根据功率曲线，则1台400W风力发电机日发电量40W*6h=0.24KWh，充电效率为0.9，Q1=0.24*0.9=0.21KWh光伏组件功率的测算：Q2=Wp×Tp×η式中：η—光伏阵列效率，0.75（含组件串并匹配损失，灰尘遮挡损失，温度影响损失，直流线路损失，控制器效率，蓄电池充放电效率）；Wp—光伏组件额定功率（kW）；Tp—当地最低峰值日照时数2.61（h）；Q2—光伏日有效发电量1.77KWh；计算得:Wp=904Wp因已安装太阳能板500Wp，所以需增加200Wp太阳能电池板2块；5五、设备技术参数及性能1、风力发电机产品特点及技术参数：起动风速低，风能利用率高；体积小，外型美观、运行振动低。安装采用人性化设计，方便设备安装、维护和检修。采用新型集电环电源输出装置，克服传统小型风力机迎风时电缆缠绕。风轮叶片采用新工艺经精密注射成型，配以优化的气动外形设计和结构设计，风能利用系数高，增加了年发电量。发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，有效地降低发电机的阻转矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，机组运行的可靠性。SYF-400风力发电机技术参数表：额定功率（w）400最大功率（w）440启动风速(m/s)2.0年发电量（kwh）根据风速工作风速(m/s)2.8-25发电机形式水平轴式永磁三相交流发电机额定风速(m/s)10.5制动保护系统尾翼机械偏航/电子能耗刹车安全风速(m/s)35发电机额定电压（v）AC24额定转速(r/m)400发电机主体重量（kg）25风轮直径(m)1.4发电机外壳材质玻璃钢叶片数量(m)3叶片材质增强玻璃钢绝缘等级B防护等级IP54噪音≦55dB产品寿命15年工作环境-40°C—85°C质保期限主机三年2、太阳能光伏组件1）产品介绍高效率单晶硅光伏电池组件，其转换效率在18%以上，此系列高效光伏电池组件适合各种应用中的供电需求。光伏电池组件不含有运动部件，使用寿命至少二十五年。太阳能组件可抵抗各种恶劣天气条件，包括剧烈的温差变化、潮湿、强风以及冰雹的撞击。2）产品特点正功率公差0~+5W正公差输出功率保证6超强边框，45mm厚度良好的抗压能力，可承受2400Pa的风压和5400Pa的雪压适应严酷环境具有优异的耐盐雾、抗氨气腐蚀能力，适于在海边、农场等恶劣环境下工作抗PID采用抗PID电池工艺和组件封装技术，适于高温高湿地区安装优异的弱光发电性能清晨、傍晚和阴雨天等弱光条件下电力输出表现优异高转换效率最高转换效率达到18.06%六、杆体与支架系统为了系统安全和可靠性，支架系统形成两套方案。方案：为了使风力发电机运行状态更加稳定、光伏板利用率更高效，本方案采用另外立杆方案，本设计采用7m立杆安装风力发电机和增加太阳能电池板。具体包括立杆，立杆基础（含接地极），壁厚4mm，基础尺寸0.6m*0.6m*1.4m。本方案优势为风力发电机安装于杆顶灯杆轴心，避免了杆体的振动，因此立杆的杆体壁厚要求不高、基础体积较小，另外太阳能板安装较为方便，避免安装太阳能板之间出现遮挡。立杆高度8米，由于立杆上需安装风力发电机、太阳能电池板，故需要有良好的稳定性与安全性，钢材材质为低硅低碳高强度钢Q235，壁厚度≥4.0mm。立杆结构及基础结构尺寸计算，外观形状及厂家的构造参数，按抗震6级、抗风力10级设防。7基础图及杆体如图1：图1方案：单独立杆方案8图2方案：利用现有灯杆改造9四、设备清单单独立杆方案设备清单设备清单序号设备名称规格型号单价数量合并1光伏组件200W/24V2块2风力发电机SYF-4001台3立杆Q235钢材，7米高八棱杆壁厚4mm上下口径100/1801套4太阳能控制器LS2024B1套5导线辅材1套6基础600*600*1400C201套利用现有灯杆改造设备清单设备清单序号设备名称规格型号单价数量合并1风力发电机SYF-4001台2导线辅材1套3太阳能控制器LS2024B1套