山東力諾太陽(yáng)能電力工程有限公司 ■ 張鋒 司昌雷 尋知財(cái)

一 引言

隨著我國(guó)高速公路里程的不斷增加，對(duì)高速公路機(jī)電項(xiàng)目的要求也越來(lái)越高，全國(guó)很多高速公路都相繼設(shè)置了全程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交通事件、事故自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警和24小時(shí)錄像。在這些監(jiān)視系統(tǒng)中，沿線都是采用較傳統(tǒng)的直埋電纜的供電方式來(lái)支持監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。2005年11月，河南連霍高速公路鄭州至洛陽(yáng)段全程監(jiān)控系統(tǒng)外場(chǎng)攝像機(jī)首次全部采用光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電。2007年11月，濟(jì)南至菏澤高速公路監(jiān)控系統(tǒng)太陽(yáng)能供電的使用開創(chuàng)了山東省大規(guī)模使用太陽(yáng)能電力實(shí)時(shí)路況監(jiān)控的先河。這種供電方式的主要特點(diǎn)就是能源全部來(lái)自太陽(yáng)能，無(wú)需傳統(tǒng)繁雜的布線，并且系統(tǒng)無(wú)污染、維護(hù)簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)、能源豐富。

二 工程概況

濟(jì)南至菏澤高速公路位于山東省西南部，黃河下游東岸。路線起于濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)，在殷家林樞紐互通處與濟(jì)南市繞城公路南段和京福高速公路相接，終點(diǎn)與王官屯互通立交處相接，路線全長(zhǎng)150km。濟(jì)南至菏澤高速公路采用雙向4車道，主線設(shè)計(jì)車速120km/h；包括長(zhǎng)清、孝里、平陰、孝直、東平、梁山、嘉祥、王官屯8座互通式立交。沿線設(shè)路段監(jiān)控中心1處，設(shè)有長(zhǎng)清、孝里、平陰、孝直、東平、梁山、嘉祥7處匝道收費(fèi)站，3處服務(wù)區(qū)——長(zhǎng)清、東平、梁山服務(wù)區(qū)，2處停車區(qū)——平陰、沙河停車區(qū)。

路段監(jiān)控中心負(fù)責(zé)管理全線監(jiān)控業(yè)務(wù)，其監(jiān)控中心道路監(jiān)控系統(tǒng)與收費(fèi)監(jiān)視系統(tǒng)合建。

本項(xiàng)目監(jiān)控系統(tǒng)約每2km設(shè)置1套彩色云臺(tái)攝像機(jī)，除互通和服務(wù)區(qū)處的攝像機(jī)采用低壓供電方式供電，其余路段彩色攝像機(jī)均采用光伏發(fā)電供電，共計(jì)建設(shè)完成74套高性能的獨(dú)立光伏電源，其中力諾太陽(yáng)能電力工程有限公司負(fù)責(zé)其中31套樁位監(jiān)控系統(tǒng)的供電，從濟(jì)南長(zhǎng)青至平陰孝直互通。

三 系統(tǒng)介紹

1 太陽(yáng)電池的發(fā)電原理

太陽(yáng)電池是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。所有的物質(zhì)均由原子組成，原子由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成。半導(dǎo)體材料在正常狀態(tài)下，原子核和電子緊密結(jié)合(處于非導(dǎo)體狀態(tài))，但在某種外界因素的刺激下，原子核和電子的結(jié)合力降低，電子就擺脫原子核的束搏，成為自由電子。

PN結(jié)合型太陽(yáng)電池由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成，N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而P型半導(dǎo)體中含有較多的電子，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)在結(jié)合處會(huì)形成電勢(shì)。芯片在受光過(guò)程中，帶正電的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，帶負(fù)電子的電子往N型區(qū)移動(dòng)，在接上連線和負(fù)載后，就形成電流。

2 獨(dú)立光伏發(fā)電供電系統(tǒng)的組成

濟(jì)菏高速公路機(jī)電工程監(jiān)控系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，是一種典型的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用，主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、太陽(yáng)能充放電控制器、蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集器、監(jiān)控軟件、蓄電池保溫箱、安裝支架、機(jī)箱、防護(hù)井以及輔助設(shè)備組成，為了提高系統(tǒng)的可靠性，還增添了應(yīng)急充電接口等作為配套使用。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1)太陽(yáng)電池組件：屬于太陽(yáng)能發(fā)電模塊，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分。主要作用是將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，從而推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)電池組件方陣的額定功率為480W，采用4塊力諾公司生產(chǎn)的LNPV-120Wp單晶硅電池組件，主要參數(shù)見表1。

表1

太陽(yáng)電池組件展幅不得侵占車道以上凈空。

(2)蓄電池：屬于儲(chǔ)能模塊。主要儲(chǔ)存由太陽(yáng)電池板轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能，一般為鉛酸電池，可多次循環(huán)使用。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用富液結(jié)構(gòu)的密封閥控式鉛酸免維護(hù)膠體蓄電池，膠體蓄電池優(yōu)良的性能能夠達(dá)到在?10℃條件下充放電效率不低于65%；40℃條件下蓄電池充入電效率不低于95%，且壽命可達(dá)到在?10～40℃環(huán)境下免維護(hù)連續(xù)工作3年后，蓄電池容量衰減不超過(guò)30%。

(3)太陽(yáng)能充放電控制器：屬于控制模塊，主要工作是控制整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)對(duì)蓄電池的過(guò)充電、過(guò)放電起到保護(hù)等作用。主要功能是充放電控制、溫度補(bǔ)償、預(yù)留應(yīng)急充電接口、蓄電池電量監(jiān)控，具體技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

太陽(yáng)能充放電控制器具有通信接口，構(gòu)成在線檢測(cè)網(wǎng)，由監(jiān)控分中心統(tǒng)一控制，具有數(shù)據(jù)記錄、查詢、采集方式調(diào)整、編號(hào)查詢、聲光報(bào)警功能，監(jiān)控軟件應(yīng)支持Windows XP/2000等操作系統(tǒng)。

表2 太陽(yáng)能充放電控制器的主要技術(shù)指標(biāo)

(4)蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集器：應(yīng)具備待機(jī)和測(cè)試兩種狀態(tài)，由蓄電池直接供電，實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)視儀通過(guò)通信系統(tǒng)構(gòu)成在線檢測(cè)網(wǎng)，由監(jiān)控分中心統(tǒng)一控制。具有數(shù)據(jù)記錄、查詢、采集方式調(diào)整、編號(hào)查詢、聲光報(bào)警功能，監(jiān)控軟件支持Windows XP/2000等操作系統(tǒng)；具有溫度報(bào)警、容量報(bào)警和電池質(zhì)量報(bào)警功能。

(5)蓄電池保溫箱：蓄電池保溫箱在無(wú)光源、環(huán)境溫度?10～40℃條件下放置48h，箱內(nèi)溫度保持在0～30℃。

(6)蓄電池防護(hù)箱：具有可靠的防水、防盜措施，能夠滿足蓄電池、保溫箱的安裝要求。

3 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能

(1)為彩色云臺(tái)攝像機(jī)提供24h不間斷供電，并能保證10天連續(xù)陰雨天24h正常供電。

(2)全自動(dòng)智能化運(yùn)行，無(wú)須人員值守。

(3)完善的雷電保護(hù)功能，保護(hù)負(fù)載和電源自身的安全。

(4)智能化的蓄電池充放電管理，有效延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

(5)實(shí)時(shí)顯示并記錄電池電壓、充電電流、充電安時(shí)數(shù)、放電電壓、放電電流等數(shù)據(jù)。

(6)通過(guò)監(jiān)控中心追溯系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)記錄30天運(yùn)行數(shù)據(jù)。

(7)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)檢測(cè)各點(diǎn)位數(shù)據(jù)的自動(dòng)下載并保存。

(8)蓄電池欠壓報(bào)警并切斷負(fù)載供電。

(9)安裝有蓄電池溫度傳感器，系統(tǒng)根據(jù)蓄電池溫度自動(dòng)調(diào)整浮充電壓。

(10)各種參數(shù)設(shè)置的鎖定，防止非專業(yè)人員的誤操作。

(11)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定修改。

(12)采用完全模塊化和方便快速拆裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便維修更換、固定和移動(dòng)、系統(tǒng)擴(kuò)容。

(13)蓄電池的防水保溫安裝，提高系統(tǒng)性能和延長(zhǎng)畜電池使用壽命。

(14)具有快速充電接口，特殊情況下因蓄電池欠壓而無(wú)法為攝像機(jī)供電，可外接移動(dòng)充電電源快速充電。

4 蓄電池檢測(cè)功能

(1)監(jiān)控中心對(duì)6套太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的蓄電池進(jìn)行檢測(cè)和管理，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有電池的參數(shù)：組壓、單體電壓、溫度、電流等，并記錄數(shù)據(jù)。

(2)監(jiān)控中心能發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，對(duì)蓄電池溫度、容量、電池質(zhì)量進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警記錄和歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)并可查詢。

(3)可通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)蓄電池?cái)?shù)據(jù)信息的共享。

(4)專用軟件支持Windows 2000/XP操作系統(tǒng)。

四 系統(tǒng)建設(shè)

1 系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容

(1)完成太陽(yáng)能組件的安裝：按要求分兩層安裝，每層兩塊組件，底層組件凈空5m以上，兩層之間相隔2m以上，并按最佳方向和最佳傾角安裝。

(2)完成蓄電池防護(hù)井的建設(shè)：在攝像機(jī)立柱附近開挖1250mm×1000mm×1800mm的長(zhǎng)條形地井，井底磚砌加高100mm，四壁磚砌加高300mm(距底)，內(nèi)涂防水層，并預(yù)留走線孔和排水孔，地井內(nèi)部涂3層厚防水涂料。

(3)完成蓄電池的安裝，并完成蓄電池的連接和蓄電池采集傳感器的安裝。

(4)完成中心控制板塊(包含太陽(yáng)能充放電控制器、負(fù)載配電、應(yīng)急充電接口)在控制箱的安裝。

(5)完成太陽(yáng)電池到控制箱、蓄電池到控制箱的所有電纜的敷設(shè)，并完成各設(shè)備間的電氣連接以及通訊電纜連接。

(6)完成31套太陽(yáng)能光伏電源的調(diào)試，電源試運(yùn)行開始，開始對(duì)攝像機(jī)及光端機(jī)供電。

(7)安裝專用監(jiān)控軟件，并完成軟件的設(shè)置，建立系統(tǒng)的在線檢測(cè)和蓄電池的在線檢測(cè)，最終完成系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。

五 太陽(yáng)能供電監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)能供電監(jiān)控系統(tǒng)具有安全可靠性、先進(jìn)性、可擴(kuò)充性、靈活性和示范性等特性。

1 安全可靠性

為保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)有完整的在線檢測(cè)系統(tǒng)；系統(tǒng)采用多項(xiàng)自我保護(hù)和負(fù)載保護(hù)的安全措施；選用性能優(yōu)良、可靠性高的成熟技術(shù)產(chǎn)品；整體設(shè)計(jì)采用冗余技術(shù)，保證系統(tǒng)的安全可靠性。

2 先進(jìn)實(shí)用性

選用的設(shè)備(包括組件、蓄電池、太陽(yáng)能充放電控制器、在線檢測(cè)設(shè)備等)均為國(guó)內(nèi)或國(guó)際上先進(jìn)實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品。監(jiān)控中心采用功能強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件，建成后的系統(tǒng)具有先進(jìn)的蓄電池充放電管理技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)、系統(tǒng)在線檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)的使用和維護(hù)變得更簡(jiǎn)單。

3 擴(kuò)充性和靈活性

系統(tǒng)全部采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的擴(kuò)容將變得簡(jiǎn)單而靈活，增加數(shù)量的太陽(yáng)能光伏電源很容易融入整個(gè)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需對(duì)其他設(shè)備做任何改動(dòng)，也不會(huì)影響其他設(shè)備的正常使用。相對(duì)減少了擴(kuò)容資金投入。

4 示范性

從項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、培訓(xùn)到售后服務(wù)都進(jìn)行周密計(jì)劃，并規(guī)范化實(shí)施，取得過(guò)程管理與實(shí)施結(jié)果的全面成功，為以后同類工程的實(shí)施起到示范作用。

六 太陽(yáng)能供電與傳統(tǒng)供電的對(duì)比

太陽(yáng)能發(fā)電相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電，資源取之不盡、用之不竭，是資源最豐富的可再生能源。利用太陽(yáng)能發(fā)電不會(huì)造成環(huán)境污染，不會(huì)造成生態(tài)環(huán)境失去平衡，是一種綠色的可再生能源。

形勢(shì)的發(fā)展促進(jìn)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用。典型的例子就是太陽(yáng)能緊急電話。繼連霍高速公路建成太陽(yáng)能全程監(jiān)視系統(tǒng)后，河南省信南高速公路等已建成或正在建太陽(yáng)能監(jiān)視系統(tǒng)，江西省目前也正在籌劃各條高速公路的全程監(jiān)視系統(tǒng)。隨著全程監(jiān)視系統(tǒng)在高速公路的發(fā)展，太陽(yáng)能發(fā)電也將逐步發(fā)展。

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，性價(jià)比高。在機(jī)電項(xiàng)目中，設(shè)備安裝及布線、后期維護(hù)等問(wèn)題也是很多業(yè)主及承包商關(guān)注的問(wèn)題。太陽(yáng)能供電與傳統(tǒng)電纜供電相比，前者省去了很多復(fù)雜的布線，在立柱上裝載即可完成簡(jiǎn)單的安裝；對(duì)于后期的維護(hù)，也只是對(duì)太陽(yáng)電池板進(jìn)行清潔，對(duì)蓄電池進(jìn)行必要的更換。由于全程監(jiān)控系統(tǒng)布設(shè)的攝像機(jī)多，涉及的里程較長(zhǎng)，如果采用傳統(tǒng)直埋電纜的供電方式，考慮到沿線電纜壓降等因素，必須采用較粗大的銅芯線纜，而目前國(guó)內(nèi)銅價(jià)不斷上漲，這顯然會(huì)增加很多成本。如果采用太陽(yáng)能供電，就省去了中間電纜及其敷設(shè)的過(guò)程，具有很好的性價(jià)比。

綜合考慮高速公路沿線所設(shè)監(jiān)控設(shè)施負(fù)載的運(yùn)轉(zhuǎn)功率及其工作電壓、電流，可選擇更適合設(shè)備長(zhǎng)期工作的太陽(yáng)電池板。

七 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是今后能源的主要發(fā)展方向，有了國(guó)家對(duì)新能源的支持、以及全國(guó)建設(shè)生態(tài)環(huán)境高速公路的要求，特別是太陽(yáng)能在其他高速公路路段實(shí)施的成功經(jīng)驗(yàn)，不久的將來(lái)，太陽(yáng)能監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)像太陽(yáng)能緊急電話系統(tǒng)一樣在全國(guó)得到推廣。