太陽(yáng)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)

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太陽(yáng)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(yáng)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(yíng)、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(yáng)能供電在野外道路監(jiān)控中的應(yīng)用。

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

太陽(yáng)能(solar energy)，是指太陽(yáng)的熱輻射能，主要表現(xiàn)為太陽(yáng)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(yáng)能的利用方式主要有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種，太陽(yáng)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(yáng)能供電原理

太陽(yáng)能供電是利用電池組件將太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池系統(tǒng)。

太陽(yáng)能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池結(jié)構(gòu)原理

太陽(yáng)能電池組件的峰值功率Pk，由當(dāng)?shù)氐奶?yáng)平均輻射強(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(yáng)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(yáng)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(yáng)電池組件中其作用是避免由于太陽(yáng)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(yáng)電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣電路中，起單向?qū)ㄗ饔谩Ｒ虼怂仨毐ＷC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?lái)就可防反沖。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(yáng)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(wú)日照時(shí)間決定。

2太陽(yáng)能供電的應(yīng)用

在不便于使用線纜供電的野外，且太陽(yáng)能較為充足的地域，一般建議使用太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)連續(xù)陰雨天為7 d，兩最長(zhǎng)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(yáng)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(zhǎng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池組件最佳工作電流；

H為太陽(yáng)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(yáng)能供電養(yǎng)護(hù)

太陽(yáng)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(jiǎn)單，施工周期短，操作安全，太陽(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(yǔ)

綜上所述，太陽(yáng)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(yáng)能光伏電源系統(tǒng)技術(shù)條件和試驗(yàn)方法[S].

[作者簡(jiǎn)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(yíng)工作。

【中圖分類號(hào)】TU852

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-13