CN116679769A - 一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，涉及自控温混凝土技术领域，包括光伏系统、整流系统、耗能系统和控制系统；光伏系统包括多个光伏组件；整流系统包括汇流模块和配流模块，汇流模块对光伏系统的电能汇流整合，配流模块对汇流整合后的电能进行交、直流分配；耗能系统包括直流耗能模块和交流耗能模块，直流耗能模块包括多个温度变送器，用于采集环境温度及自控温混凝土道路内部的温度；交流耗能模块包括若干块自控温混凝土道路，通过对应的接触器与配流模块连接；控制系统包括PLC以及光伏控制器；PLC分别与温度变送器、接触器电性连接。本发明能够自动控制自控温混凝土道路供电电路通断，实现电能供给的精准判断与及时控制。

Description

一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统
技术领域
本发明涉及自控温混凝土技术领域，特别是涉及一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统。
背景技术
高寒区土石坝冬季施工容易受上坝道路结冰问题的困扰，导致坝料运输困难，降低施工效率的同时缩短了有效施工时间。将自控温混凝土应用于高寒区土石坝上坝道路，为克服高寒区低温环境对上坝道路的不利影响提供了新的解决思路，从而延长土石坝冬季施工时间，提高施工效率。
电热性能是自控温混凝土区别于普通混凝土的特有功能，确保了自控温混凝土在面对高寒区“四大”问题（温差大、温降幅度大、温降速率大、温度梯度大）时表现出“主动控温”的突出潜力，为破解低温环境带来的混凝土工程难题提供了一种新的手段。
现有自控温混凝土的供电方式大多采用电网供电，需要通过寻找就近的变电站或单独设置变电站为其供能。自控温混凝土的接入势必会给当地电网系统造成负担，尤其是高寒区，通电时间往往长达几个月。不论采取哪种方式，由于变电站对场地需求的特殊性，都不可能完全靠近自控温混凝土，导致线路加长，电损耗加大，另外高寒区气候恶劣，地质条件复杂，专门设置变电站导致成本增加。同时现有自控温混凝土供电电路的通断完全依靠人力，何时通断电也依靠人为主观判断，导致无法做到电能供给的精准判断与及时控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，利用光伏系统提供电能，实现节能环保，能够实时监测自控温混凝土道路的相关温度参数，自动控制自控温混凝土道路供电电路的通断，实现电能供给的精准判断与及时控制，以期至少部分地解决上述提及的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，包括：光伏系统、整流系统、耗能系统和控制系统；
所述光伏系统包括多个光伏组件，所述光伏组件连接光伏控制器；
所述整流系统包括汇流模块和配流模块；所述汇流模块位于所述整流系统的前端，并与所述光伏控制器连接，用于对所述光伏系统的电能汇流整合；所述配流模块位于所述整流系统的后端，并与所述汇流模块连接，用于对汇流整合后的电能进行交、直流分配；
所述耗能系统包括直流耗能模块和交流耗能模块；所述直流耗能模块和交流耗能模块分别与所述配流模块连接，所述直流耗能模块包括用电器，所述用电器包括多个温度变送器，所述温度变送器用于采集环境温度及自控温混凝土道路内部的温度；所述交流耗能模块包括若干块自控温混凝土道路，每块自控温混凝土道路通过对应的接触器与所述配流模块连接；
所述控制系统包括PLC以及所述光伏控制器；所述PLC分别与所述温度变送器、接触器电性连接。
优选地，所述光伏组件由多个太阳能电池板连接组成，所述太阳能电池板的数量根据当地光照强度、太阳能电池板的光电转换效率和自控温混凝土耗能决定，具体判别方式为公式（1）：
（1）
其中，表示太阳能电池板的数量；/>、/>分别表示自控温混凝土道路的面积和每一块太阳能电池板的面积；/>、/>分别表示单位面积自控温混凝土道路的功率和当地日平均光照强度；/>表示太阳能电池板的光电转换效率；/>表示能量富裕系数，取值范围为0.2~0.5。
优选地，所述汇流模块包括汇流箱，所述汇流箱与若干所述光伏控制器连接。
优选地，所述配流模块包括直流配电区和交流配电区，所述直流配电区设有直流配电箱，用于将汇流整合后的电能进行稳流、稳压调节，所述交流配电区设有逆变器，用于将直流电转换为交流电；所述直流配电箱与所述逆变器连接，所述逆变器通过所述接触器与所述自控温混凝土道路连接。
优选地，所述直流耗能模块还包括储能电池，所述储能电池位于所述直流耗能模块的前端，所述储能电池分别与所述光伏控制器、直流配电箱、用电器和PLC连接，所述储能电池存储所述光伏系统的部分电能，并在无光照时向所述用电器和PLC提供稳定电压的电能；所述用电器同时与所述储能电池和所述直流配电箱连接。
优选地，所述温度变送器包括环境温度变送器和混凝土温度变送器，所述环境温度变送器布置在自控温混凝土道路外设定距离范围内，用于采集自控温混凝土道路周围的环境温度，所述混凝土温度变送器布设在自控温混凝土道路的内部，用于采集自控温混凝土道路内部的温度。
优选地，所述自控温混凝土道路包括自上而下依次设置的上保护层、上电极、发热层、下电极以及下保护层，所述混凝土温度变送器布设四只，其中三只均匀布置在所述上保护层，用来判断自控温混凝土道路供电电路的通断；另外一只布设在所述发热层，用来监控所述自控温混凝土道路的发热效果。
优选地，所述PLC的电压由所述储能电池提供，所述PLC的AD转换模块通过所述温度变送器感知环境温度及自控温混凝土道路内部的温度，所述PLC的输出端与接触器连接，通过控制所述接触器实现所述自控温混凝土道路的供电电路的通断。
优选地，所述PLC通过写入的逻辑程序控制自控温混凝土道路的供电电路的通断，所述逻辑程序由环境温度及自控温混凝土道路内部的温度共同决定，具体判别方式如公式（2）-（4）所示：
（2）
（3）
（4）
其中，表示自控温混凝土道路的供电电路通断，/>表示断路，/>表示通路；表示自控温混凝土道路内部温度的平均值；/>表示自控温混凝土道路中第/>个温度变送器值；/>表示采集到的自控温混凝土道路上保护层的温度数量；/>表示环境温度的平均值，/>表示环境中第/>个温度变送器值；/>表示采集到的环境温度数量。
优选地，通电以后所述PLC会不断监测所述自控温混凝土道路内部温度情况，当满足公式（5）时，控制接触器，断开自控温混凝土道路供电电路：
（5）
其中，表示自控温混凝土道路的发热层的温度变送器三小时的温度差，/>表示当前时刻发热层温度变送器的温度值，/>表示三小时前发热层温度变送器温度值，/>表示温度阈值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，（1）将自控温混凝土技术应用到高寒区土石坝上坝道路，解决上坝道路结冰问题，提高坝料运输效率与土石坝施工效率；（2）本发明利用清洁能源太阳能为自控温混凝土提供可靠的电能来源，节约了电能成本；（3）摆脱了电网的束缚，线路选择更加自由便捷，因此更适应各种复杂的工程需求；（4）本发明通过可编程逻辑控制器PLC对自控温混凝土道路的状态进行监测及控制，通过写入的逻辑程序对自控温混凝土道路供电电路的通断进行控制，提高了系统的自动化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光伏供能的土石坝上坝道路控温系统的结构示意图；
图2为本发明自控温混凝土道路的温度变送器布置结构示意图；
附图标记说明：101、光伏系统，102、整流系统，103、耗能系统，104、控制系统；
1、光伏组件；11、太阳能电池板；2、汇流模块；3、配流模块；31、直流配电区；32、交流配电区；311、直流配电箱；321、逆变器；4、直流耗能模块；41、储能电池；42、用电器；421、温度变送器；5、交流耗能模块；51、自控温混凝土道路；511、上电极；512、下电极；513、上保护层；514、发热层；515、下保护层；6、光伏控制器；7、可编程逻辑控制器（PLC）；8、接触器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，利用光伏系统提供电能，实现节能环保，能够实时监测自控温混凝土道路的相关温度参数，自动控制自控温混凝土道路供电电路的通断，实现电能供给的精准判断与及时控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明提供的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统包括：光伏系统101、整流系统102、耗能系统103和控制系统104；
所述光伏系统101包括多个光伏组件1，所述光伏组件1连接光伏控制器6；所述光伏组件1由多个固定尺寸的太阳能电池板11连接组成，所述太阳能电池板11的数量根据当地光照强度、太阳能电池板的光电转换效率和自控温混凝土耗能决定，具体判别方式为公式（1）：
（1）
其中，表示太阳能电池板的数量；/>、/>分别表示自控温混凝土道路的面积和每一块太阳能电池板的面积；/>、/>分别表示单位面积自控温混凝土道路的功率和当地日平均光照强度；/>表示太阳能电池板的光电转换效率；/>表示能量富裕系数，取值范围为0.2~0.5。
所述整流系统102分为汇流模块2和配流模块3两部分。
所述汇流模块2位于所述整流系统102的前端，并与所述光伏控制器6连接，用于对所述光伏系统101的电能汇流整合；示例地，所述汇流模块2包括汇流箱，所述汇流箱与若干所述光伏控制器6连接；
所述配流模块3位于所述整流系统102的后端，并与所述汇流模块2连接，用于对汇流整合后的电能进行交、直流分配；具体地，所述配流模块3包括直流配电区31和交流配电区32，所述直流配电区31设有直流配电箱311，用于将汇流整合后的电能进行稳流、稳压调节，所述交流配电区32设有逆变器321，用于将直流电转换为交流电；所述直流配电箱311与所述逆变器321连接，所述逆变器321通过接触器8与自控温混凝土道路51连接。
所述耗能系统103包括直流耗能模块4和交流耗能模块5；所述直流耗能模块4和交流耗能模块5分别与所述配流模块3连接。
具体地，所述直流耗能模块4包括储能电池41和用电器42。
所述储能电池41位于所述直流耗能模块4的前端，所述储能电池41分别与所述光伏控制器6、直流配电箱311、用电器42和PLC 7连接，所述储能电池41存储所述光伏系统101的部分电能，并在无光照时向所述用电器42和PLC 7提供稳定电压的电能；所述用电器42同时与所述储能电池41和所述直流配电箱311连接，保证获取持续稳定的电能。
所述用电器42包括多个温度变送器421，位于所述直流耗能模块4后端；所述温度变送器421用于采集环境温度及自控温混凝土道路51内部的温度。
所述温度变送器421将温度信息转化为与温度成线性关系的标准化电信号提供给控制系统104，分为环境温度变送器和混凝土温度变送器两种，所述环境温度变送器布置在自控温混凝土道路51外0.5米范围内，用于采集自控温混凝土道路51周围的环境温度，所述混凝土温度变送器布设在自控温混凝土道路51内部，用于采集自控温混凝土道路51内部的温度。
示例地，如图2所示，所述自控温混凝土道路51包括自上而下依次设置的上保护层513、上电极511、发热层514、下电极512以及下保护层515，所述混凝土温度变送器布设四只，其中三只均匀布置在所述上保护层513，用来判断自控温混凝土道路51供电电路的通断；另外一只布设在所述发热层514，用来监控所述自控温混凝土道路51的发热效果。
具体地，所述交流耗能模块5包括自控温混凝土道路51，与所述交流配电区32连接，所述自控温混凝土道路51分为了若干块，每一块由所述交流配电区32单独供电，所述交流耗能模块5消耗了光伏系统101绝大部分电能。其中，每块自控温混凝土道路51通过对应的接触器8与所述交流配电区32的逆变器321连接。
所述控制系统104包括PLC 7以及所述光伏控制器6；所述PLC 7分别与所述温度变送器421、接触器8电性连接。
所述光伏控制器6的一端与所述太阳能电池板11连接，另一端分别与所述汇流模块2和所述储能电池41连接，用于所述光伏系统101能量的平衡管理，保护所述储能电池41防止其过充和过放电。
所述PLC 7的电压由所述储能电池41提供，所述PLC 7的AD转换模块通过所述温度变送器421感知环境温度和自控温混凝土道路内部温度，所述PLC 7的输出端与接触器8连接，通过控制所述接触器8实现所述自控温混凝土道路51供电电路的通断。
所述PLC 7通过写入的逻辑程序控制自控温混凝土道路51的供电电路的通断，所述逻辑程序由环境温度及自控温混凝土道路内部的温度共同决定，具体判别方式如公式（2）-（4）所示：
（2）
（3）
（4）
其中，表示自控温混凝土道路的供电电路通断，/>表示断路，/>表示通路；表示自控温混凝土道路内部温度的平均值；/>表示自控温混凝土道路中第/>个温度变送器值；/>表示采集到的自控温混凝土道路上保护层的温度数量；/>表示环境温度的平均值，/>表示环境中第/>个温度变送器值；/>表示采集到的环境温度数量。
另外，通电以后所述PLC会不断监测所述自控温混凝土道路内部温度情况，当满足公式（5）时，控制接触器，断开自控温混凝土道路供电电路：
（5）
其中，表示自控温混凝土道路的发热层的温度变送器三小时的温度差，表示当前时刻发热层温度变送器的温度值，/>表示三小时前发热层温度变送器温度值，/>表示温度阈值。根据一实施例/>。
综上，本发明提供的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，将自控温混凝土技术应用到高寒区土石坝上坝道路，解决上坝道路结冰问题，提高坝料运输效率与土石坝施工效率；利用清洁能源太阳能为自控温混凝土提供可靠的电能来源，节约了电能成本，同时，摆脱了电网的束缚，线路选择更加自由便捷，因此更适应各种复杂的工程需求；通过可编程逻辑控制器PLC对自控温混凝土道路的状态进行监测及控制，通过写入的逻辑程序对自控温混凝土道路供电电路的通断进行控制，提高了系统的自动化程度。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，包括：光伏系统、整流系统、耗能系统和控制系统；
所述光伏系统包括多个光伏组件，所述光伏组件连接光伏控制器；
所述整流系统包括汇流模块和配流模块；所述汇流模块位于所述整流系统的前端，并与所述光伏控制器连接，用于对所述光伏系统的电能汇流整合；所述配流模块位于所述整流系统的后端，并与所述汇流模块连接，用于对汇流整合后的电能进行交、直流分配；
所述耗能系统包括直流耗能模块和交流耗能模块；所述直流耗能模块和交流耗能模块分别与所述配流模块连接，所述直流耗能模块包括用电器，所述用电器包括多个温度变送器，所述温度变送器用于采集环境温度及自控温混凝土道路内部的温度；所述交流耗能模块包括若干块自控温混凝土道路，每块自控温混凝土道路通过对应的接触器与所述配流模块连接；
所述控制系统包括PLC以及所述光伏控制器；所述PLC分别与所述温度变送器、接触器电性连接。
2.根据权利要求1所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述光伏组件由多个太阳能电池板连接组成，所述太阳能电池板的数量根据当地光照强度、太阳能电池板的光电转换效率和自控温混凝土耗能决定，具体判别方式为公式（1）：
（1）
其中，表示太阳能电池板的数量；/>、/>分别表示自控温混凝土道路的面积和每一块太阳能电池板的面积；/>、/>分别表示单位面积自控温混凝土道路的功率和当地日平均光照强度；/>表示太阳能电池板的光电转换效率；/>表示能量富裕系数，取值范围为0.2~0.5。
3.根据权利要求1所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述汇流模块包括汇流箱，所述汇流箱与若干所述光伏控制器连接。
4.根据权利要求1所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述配流模块包括直流配电区和交流配电区，所述直流配电区设有直流配电箱，用于将汇流整合后的电能进行稳流、稳压调节，所述交流配电区设有逆变器，用于将直流电转换为交流电；所述直流配电箱与所述逆变器连接，所述逆变器通过所述接触器与所述自控温混凝土道路连接。
5.根据权利要求4所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述直流耗能模块还包括储能电池，所述储能电池位于所述直流耗能模块的前端，所述储能电池分别与所述光伏控制器、直流配电箱、用电器和PLC连接，所述储能电池存储所述光伏系统的部分电能，并在无光照时向所述用电器和PLC提供稳定电压的电能；所述用电器同时与所述储能电池和所述直流配电箱连接。
6.根据权利要求1所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述温度变送器包括环境温度变送器和混凝土温度变送器，所述环境温度变送器布置在自控温混凝土道路外设定距离范围内，用于采集自控温混凝土道路周围的环境温度，所述混凝土温度变送器布设在自控温混凝土道路的内部，用于采集自控温混凝土道路内部的温度。
7.根据权利要求6所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述自控温混凝土道路包括自上而下依次设置的上保护层、上电极、发热层、下电极以及下保护层，所述混凝土温度变送器布设四只，其中三只均匀布置在所述上保护层；另外一只布设在所述发热层。
8.根据权利要求5所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述PLC的电压由所述储能电池提供，所述PLC的AD转换模块通过所述温度变送器感知环境温度及自控温混凝土道路内部的温度，所述PLC的输出端与接触器连接。
9.根据权利要求8所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，所述PLC通过写入的逻辑程序控制自控温混凝土道路的供电电路的通断，所述逻辑程序由环境温度及自控温混凝土道路内部的温度共同决定，具体判别方式如公式（2）-（4）所示：
（2）
（3）
（4）
其中，表示自控温混凝土道路的供电电路通断，/>表示断路，/>表示通路；/>表示自控温混凝土道路内部温度的平均值；/>表示自控温混凝土道路中第/>个温度变送器值；/>表示采集到的自控温混凝土道路上保护层的温度数量；/>表示环境温度的平均值，表示环境中第/>个温度变送器值；/>表示采集到的环境温度数量。
10.根据权利要求9所述的光伏供能的土石坝上坝道路控温系统，其特征在于，通电以后所述PLC会不断监测所述自控温混凝土道路内部温度情况，当满足公式（5）时，控制接触器，断开自控温混凝土道路供电电路：
（5）
其中，表示自控温混凝土道路的发热层的温度变送器三小时的温度差，/>表示当前时刻发热层温度变送器的温度值，/>表示三小时前发热层温度变送器温度值，/>表示温度阈值。/>
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