3.浙江尚越新能源开发有限公司 浙江杭州 311100）
摘要：在线监控系统对于输电线路电力设备的安全运行有着重要的意义，供电电源的稳定性是确保在线监控系统正常运作的核心。本文综合分析了在线监控系统的不同供电方式，并介绍由铜铟镓硒（Copper Indium Gallium Selenide，CIGS）薄膜太阳能电池，超级电容和锂电池组成的新型供电系统。该系统具有重量轻，弱光发电性能佳，使用寿命长，可应用范围广的特点，综合发电成本明显低于传统离网晶硅太阳能电池电源系统，将成为包括在线监测系统供电电源等在内的升级换代产品。
关键词：输电线路；供电电源；超级电容；铜铟镓硒太阳能电池
1 在线监测电源系统的供电方式
目前，常用的输电线路的在线监控设备供电模式主要可以分为两大类：一类是自身感应取能供电模式，另一类是接受外部能量转化取能供电模式。
1.1自身感应取能供电模式
自身感应取能供电系统主要分成两大部分：感应器和电源。主要有这几类：电压互感器取能供电、电流互感器取能供电。
1.1.1电压互感器应取能
电压感应取能装置主要由取能互感器和取能电源模块组成[2]，工作原理如图1所示，利用套装在高压输电线路上的分布电容或者对地电容，感应高压输电线路上的交变电压，经过取能电源模块的整流、滤波、稳压后输出额定电压，为在线监测装置提供电源[3]。
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Fig.1 Schematic diagram of getting power from electric field
但是，这种供电模式在实际应用中存在很大的局限性：安全性不够高，可靠性低，一次侧瞬间短路可能导致设备无法正常运行；由于感应器套装在高压线上，对供能电路与后续电路之间的过压保护装置的设计要求很高；采用这种方法得到的功率有限，且大电容造成的谐波会干扰监测的结果。
1.1.2电流互感器（TA）取能[4]
电流感应取能是目前一种较为有效的取能供电方式，它的工作原理如图2所示，在高压传输线路上套装可开启式的良磁导体，通过电磁感应，从高压传输线路周围产生的交变磁场中获取能量。
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Fig.2 Schematic diagram of getting power from magnetic field
这种取能监控装置将高压传输线路工作时的高电压、大电流信号通过感应器转换成低电压、小电流，然后传递到二次侧，进行数据分析。这个过程中，二次侧设备、工作人员与高压传输线路之间有非常安全的电气隔离，充分保证了二次侧设备和工作人员的安全。
但是，这种装置在实际应用中存在很多缺陷：传输线路的大电流易使感应器的铁芯长时间处于饱和状态，从而使铁芯产生很高的热量，降低感应器的工作效率；同时，这种装置的取能电源电路设计复杂，在数据传输过程中能耗较大，对电源的质量要求较高，目前不具备商业上推广的条件，系统参数的选择上的高难度也制约了其在工程上的应用。
1.2接受外部能量转化取能供电模式
1.2.1激光供能[5]
激光供能系统工作的主要原理是在低压端利用大功率激光发生器发光，然后通过光纤，将光能传递到高压端，并在高压端通过光电转化装置，将光能转化成电能，为在线监测系统提供电能，如图3所示。
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Fig.3 System of power supplies on laser source
激光供电系统实现了高低压之间的隔离，使供电系统不受电磁干扰，系统工作较为稳定。但是，激光供电系统发展到目前为止，还存几个方面的不足：激光功能系统结构非常复杂，导致制造、维修的成本都很高，无法广泛的推广；此外，高压传输线路经常穿过荒芜人烟的森林地带，致使无可供电的低压端，而且，系统的光电转化效率低，必须采用超低功率芯片，这种芯片目前并未发展成熟。
1.2.2超声波供能[6]
超声波供能工作的原理与激光供能类似，如图4所示，在低压端安装一个驱动电源，电源连接一个超声波声电转换器，转化器再与超声波绝缘传导介质的低压端相连，超声波绝缘传导介质的高压端与另一个超声波声电转换器连接，再接入电流转换器转换成直流电，为在线监测系统供电。
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Fig.4 System of power supplies on ultrasonic
超声波供能虽然稳定性好，安全性能高，但是依然存在转换效率低、且供电系统造价昂贵等不足，所以这种供能方式依然无法普遍推广。
1.2.3太阳能供能
太阳能属于绿色可再生能源，取之不尽，用之不竭，是未来能源发展的一大趋势。相较于电压感应器取能和电流感应器取能，它的成本已经大幅度的降低，而且在突发断电的情况下，仍然能够保持正常的运作；此外，相较于激光供能和超声波供能，它无需外接电源供电。太阳能供能系统的工作原理是通过光伏发电板将太阳能转化成电能，一部通过蓄电池储存起来，另一部分则提供在线监测系统使用，如图5所示。
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Fig.5 System of power supplies on solar energy
随着国内外太阳能储能技术的发展，太阳能离网系统逐渐出现了三种不同的储能模式：太阳能+蓄电池，太阳能+超级电容，太阳能+超级电容+锂电池。
(1)太阳能+蓄电池
目前，在线监测装置主要依靠太阳能电池与蓄电池配合供电。但是，这种供电方式不能在长期阳光不足的季节和地区使用，而且，长时间处于自然环境条件中的太阳电池板，没有定期进行清理，容易在其表面堆积大量的灰尘，自然条件下的雨水无法冲刷，灰尘会削弱甚至遮盖射入的阳光，大幅度降低了太阳能储能系统的发电效率。此外，随着使用年限的延长，蓄电池的其充放电效率大幅下降，因此电池的使用寿命较短。
(2)太阳能+超级电容
超级电容器是近年来发展成熟的一种绿色环保的大容量储能部件。与蓄电池相比，超级电容器有更为突出的优点：功率密度更大、充电速度快、使用寿命长等。太阳能电池与超级电容的控制电路已经在太阳能庭院灯上得到了应用[7]。但是该模式仅适用于一些功耗极低的的在线监测设备。这是因为超级电容的能量密度明显低于蓄电池，所以本装置在电能的持续工作能力不如技术比较成熟的锂电池。
（3）太阳能+超级电容+锂电池
结合超级电容器和锂电池两种技术的优势，即超级电容器的高功率密度和电池的高能量密度，形成了太阳能+超级电容+锂电池的新型供电模式。大量的研究结果表明[8-9]，超级电容器的高峰值功率，降低锂电池提供高瞬间功率的要求，从而减小电池组尺寸。超级电容器高峰值功率密度允许超级电容器在短时间内提供更多的功率。相反，与超级电容器相比，锂电池的能量密度更高，从而允许锂电池在相同体积下存储更多的能量，保证设备的长时间稳定工作。
铜铟镓硒（Copper Indium Gallium Selenide，CIGS）薄膜电池是目前转换效率最高的可批量生产的薄膜电池，是一种被公认为最有前途的薄膜太阳能之一。到2015年底，CIGS薄膜太阳能电池的光电转换效率已高达22.3%。铜铟镓硒薄膜作为一种直接带隙半导体材料，其重要特性是能隙可通过镓掺入量进行调节。铜铟镓硒材料禁带宽度可以在1.04 eV～1.65 eV间变化，非常适合调整和优化材料的禁带宽度，使铜铟镓硒太阳能电池具有最佳的光学能隙。同时铜铟镓硒薄膜材料对可见光的吸收系数也是太阳能电池中最高的，达到105 cm-1，非常适合于电池结构的薄膜化。
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Fig.6 Package structure of flexible CIGS thin film solar cells
与传统晶硅太阳能电池相比，CIGS薄膜太阳能电池不仅可以刚性衬底（如玻璃、陶瓷），形成光伏幕墙的光伏组件，还可以金属铝箔或高分子聚合物为衬底，形成可弯曲、质轻、不易碎、抗辐射性好的柔性CIGS，除了传统组件应用之外，还可应用于许多特殊的场合，如凹凸不平的屋顶、圆柱形钢管塔、汽车顶、衣服上及轻型移动电站等。此外，柔性薄膜太阳能电池的产品正逐步走上市场化，除美国Ascent，美国Nanosolar等公司外，中国的尚越光电科技股份有限公司以不锈钢铝箔为衬底的柔性CIGS太阳能电池已实现商业化。
因此，CIGS薄膜太阳能电池+超级电容+锂电池的供电系统模式是目前最佳的储能模式之一。
3 结论
通过综合分析发现，由CIGS薄膜太阳能电池、超级电容器、锂电池组成的太阳能供能模式，充分结合了三者的优势，具有弱光发电更佳、使用寿命长、质量轻、维护成本低等优点，使其成为在线监测系统供电电源的主要发展趋势。
参考文献：
[1]王秋瑾.架空输电线路在线监测技术的开发与应用[J].电力信息与通信技术，2009，7（11）：59-62.
[2]支理想，刘喆，张立东.高压输电线路在线监测供电电源研究及应用[J].电源技术，2014，39（2）：413-415.
[3]何文林，王焕然，刘晓辉.一种光电电流互感器超声波供能装置：中国，101309057 [P].2008-11-19.
[4]蒋鹏仪，施鹏飞，付湘琼.基于光伏电池与超级电容组建直流电源装置[J].科技信息，2010，02（23）：532-533.
[5]MichalczukM，GrzesiakL M，UfnalskiB. A lithium battery and ultracapacitor hybrid energy source for an urban electric vehicle[J]. Przeglad Elektrotechniczny，2012，88（4）：158-162.
论文作者:赵汉鹰1,初金良1,王灿灿1,陈锦秀2,任宇珂3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/23
标签：在线论文; 太阳能电池论文; 太阳能论文; 电容论文; 薄膜论文; 电源论文; 锂电池论文; 《电力设备》2017年第17期论文;