謝維，蔡建羨，李立新，陳遜，于江，郭麗麗

(防災(zāi)科技學(xué)院 電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北 燕郊 065201)

伴隨中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，公路建設(shè)也在快速發(fā)展，道路服務(wù)水準(zhǔn)與高速公路長(zhǎng)度邁上一個(gè)新階梯，高速公路機(jī)電工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)也愈來愈高。完備的外場(chǎng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)能夠全過程監(jiān)視高速公路，完成交通事件自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)與24 h監(jiān)視錄影，給公路管理員實(shí)時(shí)察覺與處理交通肇事，高效疏解交通提供重要援手。外場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)一般采取兩種供電形式： 一種是采取傳統(tǒng)供電電纜的形式，直接鋪設(shè)電纜從就近的收費(fèi)亭配電間起始給監(jiān)控點(diǎn)供應(yīng)市電；另一種采取獨(dú)立光伏電站或風(fēng)電光電互補(bǔ)結(jié)合的形式完成供電[1]。

傳統(tǒng)的外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備受到距離、地形、地域等方面的影響，必須使用比較粗大的銅芯線纜長(zhǎng)距離輸電來降低電壓衰減，如此必將導(dǎo)致建設(shè)費(fèi)用過高， 同時(shí)運(yùn)營(yíng)期間也因電纜經(jīng)常被盜造成經(jīng)濟(jì)損失和運(yùn)營(yíng)管理的不便[2]。而且傳統(tǒng)電纜供電方式電纜距離較長(zhǎng)，容易受感應(yīng)雷的影響，系統(tǒng)中需要連接較完善的避雷設(shè)備，但受雷電影響的概率仍較高。

而光伏發(fā)電主要優(yōu)點(diǎn)是能源全來自于太陽(yáng)能，和傳統(tǒng)的電纜供電方式比較，避免了中間電纜和敷設(shè)工程，還降低了被雷擊影響的概率，而且避免了輸送電纜被盜竊。當(dāng)市電供電點(diǎn)距監(jiān)控點(diǎn)之間的距離愈長(zhǎng)，那么建造成本的節(jié)約優(yōu)勢(shì)愈明顯。同時(shí)，采用光伏發(fā)電的施工以及維護(hù)比較方便，不受地形的差異、位置的遠(yuǎn)近、及跨線橋的影響，主設(shè)備器件的工作年限長(zhǎng)，后期的維保服務(wù)比較方便[3]。

1 公路光伏監(jiān)控系統(tǒng)的組成

本文介紹的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池組、光伏控制器和負(fù)載(監(jiān)控?cái)z像機(jī)系統(tǒng))組成。

太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，然后由光伏控制器經(jīng)DC/DC組件變換后將電能存儲(chǔ)至蓄電池并為監(jiān)控?cái)z像機(jī)供電。

1.1 太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其性能的好壞直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性與供電效率，該系統(tǒng)采取的光伏電池板利用優(yōu)質(zhì)的單晶硅片，具有工作壽命長(zhǎng)、變換效率高及可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。按照工程提出的對(duì)光伏電池組件參數(shù)的需求，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬采取140 W共4塊單晶硅光伏電池組件并聯(lián)連接，詳細(xì)參數(shù)見表1所列。

表1 光伏電池板技術(shù)參數(shù)

1.2 光伏控制器

光伏控制器功能主要有： 光電轉(zhuǎn)換、蓄電池充放電防護(hù)與溫度的補(bǔ)償、電源管理、脈沖節(jié)能供電、LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)、系統(tǒng)軟件與液晶顯示操作。

光伏控制器為光伏發(fā)電儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)行充/放電的管理，光伏方陣所發(fā)的直流電通過控制器為儲(chǔ)能設(shè)備充電，在儲(chǔ)能設(shè)備還沒充滿前，控制器的功能為最大程度向它充電。而當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備被充滿電后，控制器斷開充電電路，使儲(chǔ)能設(shè)備處于停充狀況。在儲(chǔ)能設(shè)備放電接近于過放電壓后，控制器會(huì)發(fā)出儲(chǔ)能設(shè)備電量不足的報(bào)警而且斷開放電回路，來保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備及光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏控制器的核心技術(shù)為智能型充電MPPT控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要功能包括[4]：

1)過充防護(hù)。在蓄電池已經(jīng)充滿后，控制器可自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到浮充模式給蓄電池充電。過充防護(hù)的電壓既可以按照缺省的設(shè)定值，又可以通過遠(yuǎn)程或者用掌上型控制面板來設(shè)定。

2)過放防護(hù)。當(dāng)蓄電池放電到過放電壓后，控制器可將負(fù)載斷開，以保護(hù)蓄電池不受損壞，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，過放保護(hù)電壓在設(shè)置默認(rèn)值的基礎(chǔ)上，也可在手持式控制面板或遠(yuǎn)程設(shè)置。

3)蓄電池反接與短路防護(hù)。在蓄電池反接或者短路后，電流過大使控制器的熔絲自動(dòng)熔斷，從而保護(hù)其他器件不被損壞，換上新熔絲后控制器可繼續(xù)運(yùn)行。

4)防止反向充電。由于使用PWM的串聯(lián)工作方式，當(dāng)出現(xiàn)光伏電池板電壓比蓄電池電壓低后，保障蓄電池不會(huì)朝光伏電池板反向充電。

5)過載防護(hù)。當(dāng)負(fù)載輸出電流比設(shè)定值大時(shí)，控制器可以斷開負(fù)載，故障消除后，控制器繼續(xù)運(yùn)行。

6)溫度補(bǔ)償。光伏控制器可設(shè)定放充電壓值，當(dāng)電池溫度不同時(shí)，供應(yīng)商需按照電池的額定電壓來設(shè)定具有溫度補(bǔ)償功能的控制器，依據(jù)電池的溫度自動(dòng)調(diào)整放充電壓值，蓄電池的停止放充電壓也不同。

當(dāng)額定電壓為12 V時(shí)，光伏控制器系統(tǒng)缺省性能技術(shù)指標(biāo)見表2所列。每個(gè)參數(shù)都能經(jīng)過遠(yuǎn)程或者掌上型控制面板設(shè)置。

表2 光伏控制器缺省性能指標(biāo)

續(xù)表2

1.3 蓄電池組設(shè)備

蓄電池組為光伏發(fā)電系統(tǒng)不可缺少的組成部分，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)只含光電轉(zhuǎn)換的功能，受到輻照度影響顯著，所以輸出不太穩(wěn)定。為解決光伏供電儲(chǔ)能的合理性與同步性，保證雨天及夜間能正常發(fā)電，需要配置適當(dāng)?shù)男铍姵亟M。蓄電池容量應(yīng)保障當(dāng)?shù)刈铋L(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨天的發(fā)電量。

2 公路光伏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)載的負(fù)荷

該光伏發(fā)電系統(tǒng)涉及到的負(fù)載主要有： 解碼器、加熱器、攝像機(jī)、光端機(jī)、鏡頭、云臺(tái)等。按照每臺(tái)設(shè)備負(fù)荷的情況能夠估算出負(fù)載的負(fù)荷用電量。主要耗電設(shè)備為加熱器，然后逐次為光端機(jī)、解碼器、云臺(tái)、攝像機(jī)及鏡頭。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的是直流電壓，同時(shí)逆變器通常產(chǎn)生一些功率的消耗，所以，為盡可能減少非負(fù)載的用電，從而讓光伏電池發(fā)出的電量得以最大限度的運(yùn)用，負(fù)荷設(shè)備當(dāng)中解碼器、加熱器、攝像機(jī)、光端機(jī)盡可能選用直流12 V供電[5]。如果選用交流電，需要增設(shè)逆變器。

2.2 蓄電池的容量

系統(tǒng)總負(fù)載所需的蓄電池容量Qc計(jì)算如式(1)所示：

Qc=AnLQLto/CC

(1)

式中：A——安全系數(shù)，在1.1～1.4間取值；nL——連續(xù)降雨的最大天數(shù)；QL——負(fù)載的日平均用電量，即工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)，A·h；to——溫度修正常數(shù)，通常在-10℃以下是1.2，-10℃以上是1.1，0℃以上是1；CC——蓄電池的放電深度，通常堿性鎳鎘蓄電池是0.85，鉛酸蓄電池是0.75。

依據(jù)監(jiān)控設(shè)備的關(guān)鍵程度，該光伏發(fā)電系統(tǒng)工作后備時(shí)間到達(dá)了15 d。在安全系數(shù)取值A(chǔ)=1.1，to=1.1時(shí)，通過運(yùn)算得出，負(fù)載的日均耗電量QL=33 A·h，在供電電壓為12 V時(shí)，每天設(shè)備持續(xù)工作24 h的情形下，折算得設(shè)備功率是16.5 W，通常監(jiān)視攝像機(jī)的功率約為30 W，為保障在15 d降雨天氣條件下能正常供電，蓄電池容量按照1 400 A·h左右設(shè)計(jì)。

2.3 光伏電池陣列的功率

按照項(xiàng)目需求，光伏板的功率為555 W，光伏板的開路電壓不小于23 V，光伏系統(tǒng)擬采取4組140 W光伏組件并聯(lián)，24 V開路電壓連接。按照當(dāng)?shù)靥?yáng)的輻射角，把光伏電池組件安裝最優(yōu)傾斜角設(shè)計(jì)為41°。

光伏電池陣列功率P的計(jì)算如式(2)所示：

P=Ponpns=140×4×1=560(W)

(2)

式中：Po——光伏電池組件額定功率，該系統(tǒng)Po=140 W；np——光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)，該系統(tǒng)np=4；ns——光伏電池組件的串聯(lián)數(shù)，該系統(tǒng)ns=1。然而

(3)

式中：nw——相隔兩次最長(zhǎng)連續(xù)降雨天之間的最小間隔天數(shù)；Qcb——在該時(shí)間段內(nèi)蓄電池的虧損電量補(bǔ)充容量；QP——光伏電池組件的每日發(fā)電量。

Qcb=AnLQL=1.1×15×60=990(A·h)

(4)

式中：Ioc——光伏電池組件最優(yōu)工作電流，A；H——標(biāo)準(zhǔn)光下的平均日輻射數(shù)；Kop——斜面修正常數(shù)；Cz——修正常數(shù)，主要包含衰減、組合、充電效率、塵埃等帶來?yè)p耗，通常為0.8。按照式(3)計(jì)算該系統(tǒng)光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)如式(5)所示：

(5)

得出光伏電池板功率為555 Wp時(shí)，nw=200 d。如果兩組最長(zhǎng)連續(xù)降雨天之間的最小間隔天數(shù)低于200 d情況下，就提議增大光伏電池組件的功率[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能是一種可再生無(wú)污染的清潔高效能源。對(duì)高速公路的外場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)利用光伏發(fā)電設(shè)施實(shí)現(xiàn)供電，該方案將使不適合采取傳統(tǒng)電纜供電的場(chǎng)合得到有效的改變。另外，該方案方便了后期的維修，提高了資源利用率，降低了建造成本和被盜概率，具備較高的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。伴隨太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)進(jìn)步與制造價(jià)格的降低，光伏發(fā)電系統(tǒng)就更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)如今更有風(fēng)電光電互補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在高速公路領(lǐng)域之中必然會(huì)運(yùn)用得更為廣泛。實(shí)際應(yīng)用證明高速公路光伏發(fā)電及監(jiān)控系統(tǒng)具備較高的實(shí)用性與可行性。