張嶂　安紅軍

摘 要：目前我國高速公路處于大發(fā)展時期，加強高速公路節(jié)能系統(tǒng)的應用成為深入貫徹科學發(fā)展觀、落實節(jié)約資源基本國策、建設節(jié)約型和諧社會的一項重要措施。高速公路運營管理是保障高速公路安全暢行的重要舉措。文章結合實際，對高速公路運營管理中采用不同的節(jié)能措施、設備及方案進行論述，旨在降低運營成本，減少能耗，彰顯現代科技帶來的巨大效益，營造安全舒適的行車環(huán)境。

關鍵詞：高速公路 機電系統(tǒng) 前端節(jié)能 節(jié)能技術 太陽能技術

中圖分類號：U453 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0037-04

近些年，隨著我國高速公路的迅速發(fā)展，大量電子監(jiān)控設備及照明設備在的高速公路中廣泛應用，雖然為車輛安全便利通行提供有力保障，但同時也使得運營成本大大增加，運營開支居高不下。

為響應國家節(jié)能減排號召，降低運營成本，本文以科學發(fā)展觀為指導思想，分別從前端電壓電流節(jié)能控制、相關設備的節(jié)能控制技術措施以及太陽能節(jié)能設備的使用三個方面介紹了高速公路節(jié)能系統(tǒng)，以下分別詳細介紹。

1 前端電壓電流節(jié)能控制

調壓調流節(jié)能設備、穩(wěn)壓濾波及補償技術應用、節(jié)能變壓器等節(jié)能設備應用。

（1）調壓調流節(jié)能設備

結合供電電壓不穩(wěn)定情況，將調壓調流照明節(jié)電設備串入隧道供配電系統(tǒng)的低壓照明回路中，主要采用的方法是將照明回路采用獨立小母線形式分離出來，再將照明節(jié)電設備接入到照明回路中，通過照明節(jié)電設備的內部智能調壓系統(tǒng)來實現實時智能的調控照明配電系統(tǒng)的運行電壓。

通過招商局重慶交通科研設計院內200m實體隧道節(jié)能測試效果來看，當運行電壓到達390 V時，照明節(jié)電設備投入隧道中整個照明系統(tǒng)節(jié)電約20.2%；當運行電壓到達400V時，照明節(jié)電設備投入隧道中整個照明系統(tǒng)節(jié)電約25.3%；當運行電壓到達410V時，照明節(jié)電設備投入隧道中整個照明系統(tǒng)節(jié)電約30.9%。如圖1：

照明節(jié)電設備型號：PT-150KVA-N-L-P；PT-120KVA-N-L-P

（2）穩(wěn)壓濾波及補償技術應用

將穩(wěn)壓、濾波及補償裝置并排設置在變壓器低壓端的母線排上。該技術可同時對諧波和無功電流進行補償，補償成都連續(xù)可調。補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波電流時所需的儲能元件也不大。如圖2所示。

諧波污染和無功功率等都會對隧道供電系統(tǒng)的質量和設備容量、使用壽命有著非常大的影響。研究結果顯示，運用了穩(wěn)壓、濾波及補償技術的隧道供配電系統(tǒng)，系統(tǒng)諧波得到了有效地降低，波形全部都可以得到明顯改善。在設備容量之內補償率大于75%；當超出設備補償容量時，設備按照最大輸出能力補償。變壓器電流畸變率均降低到了5%一下，電能質量得到有效提高，同時電能消耗得到有效地節(jié)約和控制靠近過諧波治理，設備運行總電流得到下降，節(jié)能達到10%以上。以下是穩(wěn)壓、濾波及補償技術應用前后的圖形對比，如圖3：

有源電力濾波器型號：APF/70A-4L；APF/100A-4L；

（3）節(jié)能變壓器應用方案

目前大部分隧道采用的都是干式變壓器，如某隧道群采用的是SCB10型干式變壓器。建議采用節(jié)能型非晶合金干式變壓器（SCBH15型），它在減少空載損耗方面有相當優(yōu)越性，如圖4，圖5所示。

從圖4，圖5兩個表的計算結果可知，雖然非晶合金干式變壓器初期投資費用高，但總費用低于SCB10型干式變壓器。其投資回收年限通過兩種變壓器投資價差與兩種變壓器年耗電費用價差之比計算，考慮資金的時間價值，通過現值系數進行折算。以某隧道群為例，1臺非晶合金變壓器的投資回收期為10年左右，而變壓器實際壽命可達30年，隨著非晶變壓器生產規(guī)模的擴大和電價的上漲，非晶合金變壓器將總費用值變得更低。

2 相關設備的節(jié)能控制技術措施

2.1 LED燈節(jié)能控制技術

（1）LED背景概述

LED（Light EmitTIng Diode，發(fā)光二極管）是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED光源具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、穩(wěn)定性高、響應時間短等特點，可以廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明、城市夜景、高速公路隧道照明等領域。交通部為貫徹落實《國務院關于加強節(jié)能工作的決定》（國發(fā)【2006】28號文），于2007年6月啟動交通行業(yè)節(jié)能示范活動，高速公路隧道節(jié)能照明由此拉開序幕。

（2）隧道LED燈控制系統(tǒng)原理

高速公路隧道照明分為加強照明段、過渡照明段、基本照明段。通過智能控制系統(tǒng)對隧道內不同照明段內LED照明燈具進行調光控制，在不影響車輛通行效果前提下，達到節(jié)能減排功效。公路隧道LED燈無極調光是通過控制LED等電源的輸出電流，調節(jié)其輸出功率，可實現256級亮度調節(jié)，調光級數多、范圍大，可應用于對亮度調節(jié)級數要求較高的公路隧道照明控制工程中。

（3）公路隧道LED燈無極調光控制系統(tǒng)構成

隧道LED燈無極調光控制系統(tǒng)由照明監(jiān)控計算機、光亮度檢測儀、車輛檢測器（公用）、光端機、無極調光控制器及配套的公路隧道LED燈、光（電）纜等組成。其系統(tǒng)結構圖如圖6所示。

2.2 風機變頻節(jié)能技術

傳統(tǒng)風機流量的設計均以最大風量需求來設計，其調整方式采用檔板、風門、回流、起停電機等方式控制，無法形成閉環(huán)回路控制，也較不考慮省電的觀念。電氣控制采用直接或Y-△起動，無法具有軟起動的功能，機械沖擊大，傳動系統(tǒng)壽命短，震動及噪音較大，需要的電源容量大，功率因數較低等是其主要的問題點。

從流體力學原理得知，風機風量與轉速及電機功率相關。當風量減少風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低。例如風量下降到80%時，轉速也下降到80%，其軸功率則下降到額定功率的51%；若風量下降到50%時，軸功率將下降到額定功率20%。采用變頻調速，改變風機電動機的輸入頻率從而改變電動機、風機轉速，達到調節(jié)空氣流量的目的，既滿足生產工藝變化的要求，又節(jié)省電能，是一舉多得的最佳措施。endprint

風機調速后的理論節(jié)能效果如圖7所示。

由此可見風機變頻調速確實具有節(jié)能優(yōu)點，總結如下：

（1）應用變頻器后，電機的電壓、電流明顯下降，電機輸入功率明顯減少。（2）風機轉速調速范圍不宜太大，通常應不低于額定轉速的50%，最好在70%～80%之間。（3）當轉速低于額定轉速的40%～50%是，風機本身的效率明顯下降，不經濟。同時應避免開機時祭祖的機械臨界點，否則會損壞機組。（4）運行工況點明顯改善，風門可以全部打開，完全由轉速調節(jié)流量，對生產操作極為方便，而且有利于風機的維護保養(yǎng)，延長使用壽命。（5）變頻器直接控制電機，通過調速來驅動風機工作，從而提高了風機的轉動效率。（6）由于變頻器加減速時間可以任意設定，避免了風機全負荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設備使用壽命。（7）操作方便，控制精度高，響應速度快，使整個系統(tǒng)工作平穩(wěn)。（8）節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)能效益，設備投資回收期短。具體使用設備為：變頻器或者變頻控制柜。

2.3 太陽能技術運用

隨著化石能源日趨緊缺和環(huán)保壓力不斷加大，各國都在積極探討新能源、可再生能源特別是太陽能。由于太陽能具有儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性和逐漸顯現的經濟性等優(yōu)勢，使其成為人類最為理想的替代能源。因此，研究和開發(fā)太陽能發(fā)電已成為世界各國實現可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。

太陽能發(fā)電分熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種基本形式，近年又形成若干個分支，以異乎尋常的速度得到快速發(fā)展，太陽能技術也在高速公路上得到應用。

（1）太陽能光伏發(fā)電

由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機械轉動部件、故障率低、維護簡便、無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意和無需架設輸電線路、方便與建筑物結合等特點，它已成為太陽能發(fā)電最基本、最普遍和最有前景的應用形式。

太陽能光伏發(fā)電技術是將太陽光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器和用戶負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)， 用戶負載為系統(tǒng)終端。

高速公路外場監(jiān)控所采用的主要設備有外場監(jiān)控攝像機、光端機、微波車檢器、氣象檢測器等。而大部分設備的供電電壓為5V～24V。采用太陽能供電系統(tǒng)能夠完全滿足這一要求。在高速公路外場設備設置點上，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般設置在電纜輸電線路遠、采光好、日照平均時長超過8小時的地點，即能節(jié)省投資又施工、維護方便。

按照高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)及公安部安防等相關規(guī)范，在重要路段、特大橋、隧道出入口、收費站互通立交等重點監(jiān)控地點應當安裝道路監(jiān)控設備。有些重點監(jiān)控區(qū)域由于距離有源供電點遠，無法實施供電電纜供電，太陽能供電系統(tǒng)的應用就顯得尤為重要，另外根據供電距離的遠近，太陽能供電系統(tǒng)一次性投資較電纜供電而言能夠節(jié)約相當成本。

以陜西某高速公路道路監(jiān)控項目為例，該高速公路途經地區(qū)氣候適宜，日照充足，具備使用太陽能設備條件，經過認真調研分析，得出以下數據，如圖8所示：

通過實際測算，當外場監(jiān)控設備距離收費站箱變2500 m時，僅太陽能供電系統(tǒng)每套一次性投資能夠節(jié)約成本近1.8萬元，項目合計節(jié)約投資近30萬元。綜合各方面原因考慮，比如供貨周期、施工難度、安全防盜、監(jiān)控點設置必要性等因素，在進行系統(tǒng)設計時，當外場設備距離收費站點距離大于2500m時，考慮使用太陽能供電系統(tǒng)供電，距離小于2500m時，使用供電電纜供電。該方案既能滿足系統(tǒng)方案設計需要，又能夠達到降本增效的目的，通過后期實際運行情況看，效果相當顯著，達到并超出設計要求。

（2）太陽能集熱系統(tǒng)應用

太陽集熱系統(tǒng)主要包括太陽能熱水器、儲熱水箱及循環(huán)系統(tǒng)，是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產生系統(tǒng)。太陽熱水器是由全玻璃真空集熱管、支架及相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管，由它吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產中使用的節(jié)能設備。

在高速公路主要應用于沿線各收費站點的生活用水，由于各收費站距離市區(qū)較遠，以前主要靠煤炭、電能等資源維持日常生活所需。由于太陽能集熱系統(tǒng)的普及，該項節(jié)能技術也逐漸運用到高速公路上。太陽能熱水器的采光面積及使用數量與集熱器的熱性能、使用期間的氣象條件、用戶所需的水量和水溫等諸多因素有關，太陽能熱水器聯(lián)接方式為并聯(lián)的集熱器組并聯(lián)，該系統(tǒng)具有自動補水功能，無人值班，通過自動控制的水泵循環(huán)換熱。其原理圖如圖9所示。

以陜西某高速公路二級收費站為例，收費站平均人數40人，平均每人每天使用生活熱水0.05 t，全站平均每天使用生活熱水2 t，陜西省全年平均氣溫11 ℃，考慮到管道傳輸熱量流失，熱水加熱至溫度56 ℃，通過以上基礎數據，得出以下結果，如圖10。

以上采用宏觀的平均算法（數字相對保守），經過初步核算，使用太陽能集熱系統(tǒng)供應日常生活用水，能夠有效降低運營成本。按照平均每15 km一個收費站，陜西高速已突破4000 km，共計近270個收費站，保守估計每年能夠節(jié)約金額近90余萬元，起到了較好的降本增效的效果。

總之，太陽能作為一種新型能源，集環(huán)保、節(jié)能、綠色等特點于一身。普遍的推廣太陽能技術，對于改善植被、減少水土流失、降低溫室效應對地球溫度的影響、降低環(huán)境污染等，都有很重要的意義，當然對于降低高速公路投資及運營成本也有非常重要的意義。

4 結語

目前，高速公路節(jié)能技術還有許多研究可做，除了本文討論的前端電壓電流節(jié)能控制、相關設備的節(jié)能控制技術措施以及太陽能節(jié)能設備的使用外，開展照明系統(tǒng)的節(jié)能控制、節(jié)能設備應用的研究等等同樣也是高速公路運營節(jié)能的有效途經，也會帶來巨大的經濟效益。因此，我們應該樹立通過充分運用現代科技技術的進步來提高節(jié)能的設計水平和質量，而不能通過降低設計標準來達到節(jié)能目的的理念。隨著高速公路的建設逐步深入，運營節(jié)能將越來越受到社會公眾及相關管理部門的重視。更需要及時、認真地研究和解決相關技術和管理問題，使節(jié)能效果真正在實際運營中得以顯現。

參考文獻

[1] 楊光.照明節(jié)電設備的種類及性能[J].燈與照明，2006（2）.

[2] 黃利華.論變壓器電能損耗及節(jié)能措施[J].銅業(yè)工程，2002（3）.

[3] 高遠望，馮杰.隧道供配電及照明系統(tǒng)中節(jié)能技術綜合應用探索[J].公路交通科技，2006（6）.

[4] 紀軍，何雅玲.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基礎理論與關鍵技術戰(zhàn)略研究[J].中國科學基金，2009（6）.

[5] 梁錕，曹慧.太陽能集中熱水系統(tǒng)節(jié)能效益分析研究[J].科技傳播，2010，32（9）.endprint

風機調速后的理論節(jié)能效果如圖7所示。

由此可見風機變頻調速確實具有節(jié)能優(yōu)點，總結如下：

（1）應用變頻器后，電機的電壓、電流明顯下降，電機輸入功率明顯減少。（2）風機轉速調速范圍不宜太大，通常應不低于額定轉速的50%，最好在70%～80%之間。（3）當轉速低于額定轉速的40%～50%是，風機本身的效率明顯下降，不經濟。同時應避免開機時祭祖的機械臨界點，否則會損壞機組。（4）運行工況點明顯改善，風門可以全部打開，完全由轉速調節(jié)流量，對生產操作極為方便，而且有利于風機的維護保養(yǎng)，延長使用壽命。（5）變頻器直接控制電機，通過調速來驅動風機工作，從而提高了風機的轉動效率。（6）由于變頻器加減速時間可以任意設定，避免了風機全負荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設備使用壽命。（7）操作方便，控制精度高，響應速度快，使整個系統(tǒng)工作平穩(wěn)。（8）節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)能效益，設備投資回收期短。具體使用設備為：變頻器或者變頻控制柜。

2.3 太陽能技術運用

隨著化石能源日趨緊缺和環(huán)保壓力不斷加大，各國都在積極探討新能源、可再生能源特別是太陽能。由于太陽能具有儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性和逐漸顯現的經濟性等優(yōu)勢，使其成為人類最為理想的替代能源。因此，研究和開發(fā)太陽能發(fā)電已成為世界各國實現可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。

太陽能發(fā)電分熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種基本形式，近年又形成若干個分支，以異乎尋常的速度得到快速發(fā)展，太陽能技術也在高速公路上得到應用。

（1）太陽能光伏發(fā)電

由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機械轉動部件、故障率低、維護簡便、無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意和無需架設輸電線路、方便與建筑物結合等特點，它已成為太陽能發(fā)電最基本、最普遍和最有前景的應用形式。

太陽能光伏發(fā)電技術是將太陽光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器和用戶負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)， 用戶負載為系統(tǒng)終端。

高速公路外場監(jiān)控所采用的主要設備有外場監(jiān)控攝像機、光端機、微波車檢器、氣象檢測器等。而大部分設備的供電電壓為5V～24V。采用太陽能供電系統(tǒng)能夠完全滿足這一要求。在高速公路外場設備設置點上，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般設置在電纜輸電線路遠、采光好、日照平均時長超過8小時的地點，即能節(jié)省投資又施工、維護方便。

按照高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)及公安部安防等相關規(guī)范，在重要路段、特大橋、隧道出入口、收費站互通立交等重點監(jiān)控地點應當安裝道路監(jiān)控設備。有些重點監(jiān)控區(qū)域由于距離有源供電點遠，無法實施供電電纜供電，太陽能供電系統(tǒng)的應用就顯得尤為重要，另外根據供電距離的遠近，太陽能供電系統(tǒng)一次性投資較電纜供電而言能夠節(jié)約相當成本。

以陜西某高速公路道路監(jiān)控項目為例，該高速公路途經地區(qū)氣候適宜，日照充足，具備使用太陽能設備條件，經過認真調研分析，得出以下數據，如圖8所示：

通過實際測算，當外場監(jiān)控設備距離收費站箱變2500 m時，僅太陽能供電系統(tǒng)每套一次性投資能夠節(jié)約成本近1.8萬元，項目合計節(jié)約投資近30萬元。綜合各方面原因考慮，比如供貨周期、施工難度、安全防盜、監(jiān)控點設置必要性等因素，在進行系統(tǒng)設計時，當外場設備距離收費站點距離大于2500m時，考慮使用太陽能供電系統(tǒng)供電，距離小于2500m時，使用供電電纜供電。該方案既能滿足系統(tǒng)方案設計需要，又能夠達到降本增效的目的，通過后期實際運行情況看，效果相當顯著，達到并超出設計要求。

（2）太陽能集熱系統(tǒng)應用

太陽集熱系統(tǒng)主要包括太陽能熱水器、儲熱水箱及循環(huán)系統(tǒng)，是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產生系統(tǒng)。太陽熱水器是由全玻璃真空集熱管、支架及相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管，由它吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產中使用的節(jié)能設備。

在高速公路主要應用于沿線各收費站點的生活用水，由于各收費站距離市區(qū)較遠，以前主要靠煤炭、電能等資源維持日常生活所需。由于太陽能集熱系統(tǒng)的普及，該項節(jié)能技術也逐漸運用到高速公路上。太陽能熱水器的采光面積及使用數量與集熱器的熱性能、使用期間的氣象條件、用戶所需的水量和水溫等諸多因素有關，太陽能熱水器聯(lián)接方式為并聯(lián)的集熱器組并聯(lián)，該系統(tǒng)具有自動補水功能，無人值班，通過自動控制的水泵循環(huán)換熱。其原理圖如圖9所示。

以陜西某高速公路二級收費站為例，收費站平均人數40人，平均每人每天使用生活熱水0.05 t，全站平均每天使用生活熱水2 t，陜西省全年平均氣溫11 ℃，考慮到管道傳輸熱量流失，熱水加熱至溫度56 ℃，通過以上基礎數據，得出以下結果，如圖10。

以上采用宏觀的平均算法（數字相對保守），經過初步核算，使用太陽能集熱系統(tǒng)供應日常生活用水，能夠有效降低運營成本。按照平均每15 km一個收費站，陜西高速已突破4000 km，共計近270個收費站，保守估計每年能夠節(jié)約金額近90余萬元，起到了較好的降本增效的效果。

總之，太陽能作為一種新型能源，集環(huán)保、節(jié)能、綠色等特點于一身。普遍的推廣太陽能技術，對于改善植被、減少水土流失、降低溫室效應對地球溫度的影響、降低環(huán)境污染等，都有很重要的意義，當然對于降低高速公路投資及運營成本也有非常重要的意義。

4 結語

目前，高速公路節(jié)能技術還有許多研究可做，除了本文討論的前端電壓電流節(jié)能控制、相關設備的節(jié)能控制技術措施以及太陽能節(jié)能設備的使用外，開展照明系統(tǒng)的節(jié)能控制、節(jié)能設備應用的研究等等同樣也是高速公路運營節(jié)能的有效途經，也會帶來巨大的經濟效益。因此，我們應該樹立通過充分運用現代科技技術的進步來提高節(jié)能的設計水平和質量，而不能通過降低設計標準來達到節(jié)能目的的理念。隨著高速公路的建設逐步深入，運營節(jié)能將越來越受到社會公眾及相關管理部門的重視。更需要及時、認真地研究和解決相關技術和管理問題，使節(jié)能效果真正在實際運營中得以顯現。

參考文獻

[1] 楊光.照明節(jié)電設備的種類及性能[J].燈與照明，2006（2）.

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[3] 高遠望，馮杰.隧道供配電及照明系統(tǒng)中節(jié)能技術綜合應用探索[J].公路交通科技，2006（6）.

[4] 紀軍，何雅玲.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基礎理論與關鍵技術戰(zhàn)略研究[J].中國科學基金，2009（6）.

[5] 梁錕，曹慧.太陽能集中熱水系統(tǒng)節(jié)能效益分析研究[J].科技傳播，2010，32（9）.endprint

風機調速后的理論節(jié)能效果如圖7所示。

由此可見風機變頻調速確實具有節(jié)能優(yōu)點，總結如下：

（1）應用變頻器后，電機的電壓、電流明顯下降，電機輸入功率明顯減少。（2）風機轉速調速范圍不宜太大，通常應不低于額定轉速的50%，最好在70%～80%之間。（3）當轉速低于額定轉速的40%～50%是，風機本身的效率明顯下降，不經濟。同時應避免開機時祭祖的機械臨界點，否則會損壞機組。（4）運行工況點明顯改善，風門可以全部打開，完全由轉速調節(jié)流量，對生產操作極為方便，而且有利于風機的維護保養(yǎng)，延長使用壽命。（5）變頻器直接控制電機，通過調速來驅動風機工作，從而提高了風機的轉動效率。（6）由于變頻器加減速時間可以任意設定，避免了風機全負荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設備使用壽命。（7）操作方便，控制精度高，響應速度快，使整個系統(tǒng)工作平穩(wěn)。（8）節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)能效益，設備投資回收期短。具體使用設備為：變頻器或者變頻控制柜。

2.3 太陽能技術運用

隨著化石能源日趨緊缺和環(huán)保壓力不斷加大，各國都在積極探討新能源、可再生能源特別是太陽能。由于太陽能具有儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性和逐漸顯現的經濟性等優(yōu)勢，使其成為人類最為理想的替代能源。因此，研究和開發(fā)太陽能發(fā)電已成為世界各國實現可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。

太陽能發(fā)電分熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種基本形式，近年又形成若干個分支，以異乎尋常的速度得到快速發(fā)展，太陽能技術也在高速公路上得到應用。

（1）太陽能光伏發(fā)電

由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機械轉動部件、故障率低、維護簡便、無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意和無需架設輸電線路、方便與建筑物結合等特點，它已成為太陽能發(fā)電最基本、最普遍和最有前景的應用形式。

太陽能光伏發(fā)電技術是將太陽光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器和用戶負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)， 用戶負載為系統(tǒng)終端。

高速公路外場監(jiān)控所采用的主要設備有外場監(jiān)控攝像機、光端機、微波車檢器、氣象檢測器等。而大部分設備的供電電壓為5V～24V。采用太陽能供電系統(tǒng)能夠完全滿足這一要求。在高速公路外場設備設置點上，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般設置在電纜輸電線路遠、采光好、日照平均時長超過8小時的地點，即能節(jié)省投資又施工、維護方便。

按照高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)及公安部安防等相關規(guī)范，在重要路段、特大橋、隧道出入口、收費站互通立交等重點監(jiān)控地點應當安裝道路監(jiān)控設備。有些重點監(jiān)控區(qū)域由于距離有源供電點遠，無法實施供電電纜供電，太陽能供電系統(tǒng)的應用就顯得尤為重要，另外根據供電距離的遠近，太陽能供電系統(tǒng)一次性投資較電纜供電而言能夠節(jié)約相當成本。

以陜西某高速公路道路監(jiān)控項目為例，該高速公路途經地區(qū)氣候適宜，日照充足，具備使用太陽能設備條件，經過認真調研分析，得出以下數據，如圖8所示：

通過實際測算，當外場監(jiān)控設備距離收費站箱變2500 m時，僅太陽能供電系統(tǒng)每套一次性投資能夠節(jié)約成本近1.8萬元，項目合計節(jié)約投資近30萬元。綜合各方面原因考慮，比如供貨周期、施工難度、安全防盜、監(jiān)控點設置必要性等因素，在進行系統(tǒng)設計時，當外場設備距離收費站點距離大于2500m時，考慮使用太陽能供電系統(tǒng)供電，距離小于2500m時，使用供電電纜供電。該方案既能滿足系統(tǒng)方案設計需要，又能夠達到降本增效的目的，通過后期實際運行情況看，效果相當顯著，達到并超出設計要求。

（2）太陽能集熱系統(tǒng)應用

太陽集熱系統(tǒng)主要包括太陽能熱水器、儲熱水箱及循環(huán)系統(tǒng)，是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產生系統(tǒng)。太陽熱水器是由全玻璃真空集熱管、支架及相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管，由它吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產中使用的節(jié)能設備。

在高速公路主要應用于沿線各收費站點的生活用水，由于各收費站距離市區(qū)較遠，以前主要靠煤炭、電能等資源維持日常生活所需。由于太陽能集熱系統(tǒng)的普及，該項節(jié)能技術也逐漸運用到高速公路上。太陽能熱水器的采光面積及使用數量與集熱器的熱性能、使用期間的氣象條件、用戶所需的水量和水溫等諸多因素有關，太陽能熱水器聯(lián)接方式為并聯(lián)的集熱器組并聯(lián)，該系統(tǒng)具有自動補水功能，無人值班，通過自動控制的水泵循環(huán)換熱。其原理圖如圖9所示。

以陜西某高速公路二級收費站為例，收費站平均人數40人，平均每人每天使用生活熱水0.05 t，全站平均每天使用生活熱水2 t，陜西省全年平均氣溫11 ℃，考慮到管道傳輸熱量流失，熱水加熱至溫度56 ℃，通過以上基礎數據，得出以下結果，如圖10。

以上采用宏觀的平均算法（數字相對保守），經過初步核算，使用太陽能集熱系統(tǒng)供應日常生活用水，能夠有效降低運營成本。按照平均每15 km一個收費站，陜西高速已突破4000 km，共計近270個收費站，保守估計每年能夠節(jié)約金額近90余萬元，起到了較好的降本增效的效果。

總之，太陽能作為一種新型能源，集環(huán)保、節(jié)能、綠色等特點于一身。普遍的推廣太陽能技術，對于改善植被、減少水土流失、降低溫室效應對地球溫度的影響、降低環(huán)境污染等，都有很重要的意義，當然對于降低高速公路投資及運營成本也有非常重要的意義。

4 結語

目前，高速公路節(jié)能技術還有許多研究可做，除了本文討論的前端電壓電流節(jié)能控制、相關設備的節(jié)能控制技術措施以及太陽能節(jié)能設備的使用外，開展照明系統(tǒng)的節(jié)能控制、節(jié)能設備應用的研究等等同樣也是高速公路運營節(jié)能的有效途經，也會帶來巨大的經濟效益。因此，我們應該樹立通過充分運用現代科技技術的進步來提高節(jié)能的設計水平和質量，而不能通過降低設計標準來達到節(jié)能目的的理念。隨著高速公路的建設逐步深入，運營節(jié)能將越來越受到社會公眾及相關管理部門的重視。更需要及時、認真地研究和解決相關技術和管理問題，使節(jié)能效果真正在實際運營中得以顯現。

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