杜　明

(四川南渝高速公路有限公司, 四川南充 637000)

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太陽能供電在野外道路監(jiān)控中的應(yīng)用

杜明

(四川南渝高速公路有限公司, 四川南充 637000)

【摘要】文章淺析了太陽能供電的基本概念和基本原理，及其在野外道路監(jiān)控中基本應(yīng)用和養(yǎng)護(hù)，這或許能為建設(shè)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)人員及管理者提供一定的幫助。并結(jié)合工程實(shí)際，探索太陽能供電在野外道路監(jiān)控中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】太陽能;原理;應(yīng)用;養(yǎng)護(hù)

太陽能(solar energy)，是指太陽的熱輻射能，主要表現(xiàn)為太陽光線，這是地球生物賴以生存的基本條件之一，也是人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。

太陽能的利用方式主要有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種，太陽能發(fā)電是一種新興的可再生的清潔能源，在能源領(lǐng)域有著廣闊的前景。

1太陽能供電原理

太陽能供電是利用電池組件將太陽能通過光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，主要包括電池單元、控制器、逆變器、儲(chǔ)存單元，圖1為太陽能供電裝置結(jié)構(gòu)圖。光伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，是當(dāng)半導(dǎo)體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。

圖1　太陽能供電裝置

1.1電池單元

電池單元是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的太陽能電池系統(tǒng)。

太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽電池變換效率最高，已達(dá)20 %以上，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價(jià)格最便宜。

單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，就有"電流"流過，太陽能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的功率P輸出(圖2)。

圖2　太陽能電池結(jié)構(gòu)原理

太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸?qiáng)度與末端的用電負(fù)荷決定。

1.2控制器

控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時(shí)切斷開關(guān)。

1.3逆變器

逆變器按激勵(lì)方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時(shí)，鋰電池組通過太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔?。因此它必須保證回路中有最大電流，而且要承受最大反向電壓的沖擊。一般可選用合適的整流二極管作為防反充二極管。一塊板的情況可以不用任何二極管，因?yàn)榭刂破鞅緛砭涂煞婪礇_。板子串聯(lián)的情況，需要安裝旁路二極管，如果是并聯(lián)的情況就要裝防反充二極管，防止板子直接充電。防反充二極管只是保護(hù)作用，不會(huì)影響發(fā)電效果。

1.4存儲(chǔ)單元

太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲(chǔ)存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時(shí)間(發(fā)電時(shí)間)的影響。因此蓄電池容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時(shí)間決定。

2太陽能供電的應(yīng)用

在不便于使用線纜供電的野外，且太陽能較為充足的地域，一般建議使用太陽能供電解決野外設(shè)備供電問題，如道路全程監(jiān)控的攝像機(jī)、氣象站、微波車檢等設(shè)備的野外供電問題。

某路段的實(shí)際工程所在地的氣象資料顯示，日照充足，但風(fēng)力達(dá)到3級(jí)以上較少，不宜使用風(fēng)光互補(bǔ)供電，宜使用太陽能供電。

根據(jù)該路段氣象數(shù)據(jù)，項(xiàng)目所在地的最低日照時(shí)間是在1月份，最佳安裝角度為29°；平均一天的日照時(shí)間為2.16 h，每天工作24 h，最長連續(xù)陰雨天為7 d，兩最長連續(xù)陰雨天最短間隔天數(shù)為15 d，進(jìn)行設(shè)備配置。

下面列舉微波車檢、攝像機(jī)、道路氣象站的配電及計(jì)算。

2.1微波車輛檢測(cè)器配電計(jì)算

微波車輛檢測(cè)器供電的設(shè)備配置：負(fù)載功率為15 W，配備2塊24 V、200 Wp太陽能板，2塊12 V、100 Ah鉛酸免維護(hù)蓄電池，及配套設(shè)備。

蓄電池容量Bc：

Bc=A×QL×NL×To/DOD =1.2×15 Ah×7 d×1.1/0.75=184 Ah

式中：A為安全系數(shù)；

QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；

NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)；

TO為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；

DOD為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.7～0.8，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np：

Np= QL/Qp=15 Ah/10.4976=1.428911646

QL為負(fù)載每天的耗電量。

QP為200 W太陽能電池組件在某地區(qū)每天發(fā)電量

2.2攝像機(jī)配電計(jì)算

攝像機(jī)供電的設(shè)備配置：負(fù)載功率為40 W，配備4塊24 V、200 W太陽能板，4塊12 V、200 Ah鉛酸免維護(hù)蓄電池，及配套設(shè)備。

蓄電池容量Bc：

Bc=A×QL×NL×To/DOD=1.2×40 Ah×7 d×1.1/0.75=492.8 Ah

太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np：

Np= QL/Qp=40 Ah/10.4976=3.810431055

2.3道路氣象站配電計(jì)算

道路氣象站供電的設(shè)備配置：負(fù)載功率為15 W，配備2塊24 V、200 W太陽能板，2塊12 V、100 Ah鉛酸免維護(hù)蓄電池，及配套設(shè)備。

蓄電池容量Bc：

Bc=A×QL×NL×To/DOD=1.2×15 Ah×7 d×1.1/0.75=184.4 Ah

太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np：

Np= QL/Qp=15 Ah/10.4976=1.428911646

上述計(jì)算中，標(biāo)準(zhǔn)200 W太陽能電池組件日發(fā)電量Qp計(jì)算方法如下：

Qp=I×H×CzAh(4) =5.4 A×2.16 h×0.9=10.4976 Ah

式中：I為太陽能電池組件最佳工作電流；

H為太陽能平均日照小時(shí)數(shù)(2.16 h)；

Cz為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.9。

3太陽能供電養(yǎng)護(hù)

太陽能供電裝置運(yùn)行費(fèi)用低，維修費(fèi)、維護(hù)費(fèi)幾乎接近于零，工程安裝簡單，施工周期短，操作安全，太陽能供電穩(wěn)定可靠，基本不受任何影響，但也必須注意養(yǎng)護(hù)。

(1)系統(tǒng)長時(shí)間過載會(huì)造成線路板原件發(fā)熱并有可能損壞整個(gè)系統(tǒng)，請(qǐng)勿長時(shí)間過載使用。

(2)取得最佳充電效果，在投入使用后，注意日常巡查，盡可能保證電池板面對(duì)太陽的照射角度，以使其直射進(jìn)行充電。

(3)為盡量提高充電效率，減少充電損失，不要將太陽能電池板置于很熱的地面.

(4)為避免任何可能的電池?fù)p壞及電池漏液，勿倒置及撞擊系統(tǒng)控制箱，并將其放置于干燥的地方使用及存儲(chǔ)。

(5)為避免可能的任何損壞，在使用中請(qǐng)輕按開關(guān)及插拔各種接頭。手機(jī)等小型電子產(chǎn)品專用充電插座嚴(yán)禁插入其他用電器。隨時(shí)注意控制箱面板各顯示燈的變化當(dāng)電池顯示燈變紅時(shí)請(qǐng)先及時(shí)充電再使用。

(6)在使用時(shí)將系統(tǒng)總開關(guān)先打開，再打開相應(yīng)輸出開關(guān)，在檢修及不使用時(shí)關(guān)閉所有開關(guān)。

(7)為防止電池因長時(shí)間小電流放電造成電池過放，損壞電池再充電性能，縮短電池使用壽命，請(qǐng)保證每三個(gè)月內(nèi)至少充電一次。

4結(jié)束語

綜上所述，太陽能作為一種清潔能源，具有廣闊的應(yīng)用前景，也很好地解決了野外監(jiān)控供電問題，希望對(duì)你有所幫助，也是本文的初衷。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 19064-2003 家用太陽能光伏電源系統(tǒng)技術(shù)條件和試驗(yàn)方法[S].

[作者簡介]杜明(1983～),男,在讀碩士,機(jī)電工程師,主要從事高速公路機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)營工作。

【中圖分類號(hào)】TU852

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-13