太陽能發電在阿爾山景區監控及廣播供電系統中的解決方案

李 陽 李東阜

（1. 福建師范大學協和學院，福州 350108；2. 內蒙古阿爾山國家森林公園，內蒙古 阿爾山 137805）

阿爾山景區位于內蒙古大興安嶺西南麓，鑒于景區的管理和安全措施，需要架設監控及應急廣播等設備。景區占地面積大，達十萬公頃，地貌特征獨特且多樣，有火山遺跡、溫泉地貌、花崗巖地貌，既有高山高原，森林灌木，又有湖泊河流[1]。每隔一定距離需架設一個監控及廣播設備，總共需要架設較多的監控設備，這些設備的供電方案，成為需要考慮的重大問題[2]。不同于其他景點，阿爾山景區部分景點高低海拔落差較大。對于高海拔的景點，如果采用長距離有線布線，直接從總供電柜把供電引到上去，雷擊的概率很高，雷電通過有線電纜流入總供電柜，會對景區其他供電造成很大影響。

從資料顯示和考察的結果證明[3]，我國大部分地區日照充足、風力資源豐富。阿爾山屬于中國日照最多的地區之一，緯度在46°～47°，太陽輻射總量為 5275MJ/m2，作物生長季內總輻射量占年值的66%～69%。年日平均照數為2468h，年日照百分率平均為56%，日照月份分布為5月份最大，平均為255.3h；12月份最小，平均為140.1h。圖1為阿爾山林區年日照時數，由圖可以得知1981—2011年平均日照時數（ASDU）呈上升趨勢[4]，這與全球氣候變暖相一致。

太陽能供電是一種既不消耗資源又無污染排放的清潔能源[5]，使用壽命長，性能穩定，景區維護費用較低。太陽年日照時數和年發電量之間滿足以下公式：

式中，W 為發電量；T為年日照時數；α 為輻射量與日照時數系數；Sarea為光伏陣列面積；γ1為太陽能電池陣列轉換效率；γ2為光伏陣列效率；γ3為逆變器效率；γ4為交流并網效率。

通過式（1），帶入圖2數據，取最優化參數[6]，計算可得阿爾山地林區年均發電量變化圖，如圖 2所示。由圖可知，阿爾山景區太陽能資源充沛，年發電量在60MWp以上。

圖1 阿爾山林區年日照時數（ASDU）

圖2 阿爾山林區年均發電量變化圖

使用太陽能供電系統，除了無需架設電力線并且一次性投資，無需繳納電費這些優點外，還應考慮到其避免了因長距離布線導致雷擊通過有線電纜對景區總供電系統的影響。在監控探頭周圍再加上有效的屏蔽隔離，可以降低雷擊對設備影響的風險。

風能和太陽能具有天然的互補優勢，景區白天太陽光強，夜晚無光有風。圖3為阿爾山林區年均風速。由圖3可以看出，阿爾山景區風速不高，基本低于3級。綜合考慮選擇采用太陽能供電為主，風力供電為輔的風光互補系統。一年中日照時間較短的月份，比如冬季，也可以采用風力供電作為輔助供電。

圖3 阿爾山林區年均風速（AWDU）

1 系統技術方案

系統主要供電部分的部分原理圖如圖4所示，主要由太陽能電池陣列，匯流箱，光伏充放電控制器，風機及風機控制柜及中央控制單元（MCU），蓄電池組等組成。系統中主要部分電路及工作工作原理如圖4所示。

圖4 系統主要供電部分原理圖

1）太陽能輸入

太陽能電池陣列為主要的供電源，利用太陽能電池陣列的光伏效應，將光能轉化為直流電能，進入匯流箱。為了方便擴充容量及 MCU控制，太陽能硅板分為4組輸入。

2）光伏充放電控制器

匯流箱輸出的電能進入光伏充電控制器，通過PWM脈沖寬度調節，調整為12V電壓進入主供電線對蓄電池進行充電。當蓄電池過沖時，通過放電控制器控制對其進行放電。選用德國D公司的控制器，其具有充電控制，放電控制和泄流控制3種功能，性能穩定。

3）風機輸入

風機為輔助供電源，風力發電機輸出的三相交流電，通過風機控制柜內整流電路[7]，輸出的 12V直流電，對蓄電池進行充電，由于風力發電不是主要供電來源，因此只需要一組輸入。

4）MCU

MCU控制單元是該系統重要組件之一，具有數據處理、監視、統一管理等功能。在 MCU統一管理下，多個光伏充電控制器和放電控制器可以同時工作。根據不同太陽能電池板接收日照情況，及蓄電池組的充電情況狀態等因素，控制光伏充放電控制器，實現充放電的調節。

2 系統設計方案

因考慮到系統供電主要是以太陽能為主，風力發電輔助，系統設計方案主要按照太陽能供電來設計。

2.1 設備功率及日耗電量的確定

系統主要用電設備及工作時間要求見表1。

表1 主要用電設備及工作時間要求

由于大部分主要用電設備為 12V用電，故按12V供電系統設計，無線網橋設備要配一個 35～50W的DC/DC變換器供電。

每日總用電能Qd為

式中，Qh1、Qh2、Qh3為各主要用電設備在12V的電壓等級下，日耗電能；δ 為無線網橋所用DC/DC變換器的損耗系數，根據型號測算為1.25。

每日以12V供電提供的電量Ad為

式中，Qd為每日總用電能；Vd為供電系統設計電壓，為12V。

2.2 蓄電池組容量及太陽能電池板容量的確定

蓄電池的容量對保證系統連續供電是很重要的。因為設備所需的電量都是由蓄電池提供的，所以太陽能方陣每日所發電量都要存儲到蓄電池以供設備消耗。

蓄電池每日應沖的電能Bd為

式中，Vb為太陽能電池工作電壓，一般取 17V；α為太陽能電池和蓄電池的綜合損耗系數，一般取1.23。

蓄電池總電能Bc為

式中，T為太陽能電池板無輸入的時間。

建設單位要求系統主要用電設備連續陰天5天內應能正常工作。雖然陰雨天太陽能電池板也是有一定發電量的，但是在部分林區，樹陰茂密，供電量低，加上輔助設備也要耗電，在計算時不予考慮。

蓄電池的總電量Ab為

式中，Vb為蓄電池輸出電壓，取值12V，與主要設備供電電壓是一致的。

膠體電池能量和功率要比常規鉛酸電池大20% 以上，壽命一般也是常規鉛酸電池長一倍左右，耐高溫及低溫。根據計算結果，采用800Ah的12V免維護儲能膠體電池。

太陽能板最大輸出功率Pm為

式中，Tp為峰值發電時間，查相關資料本地平均有效日照時間為 4.6h[4]，相當于每天折合按峰值發電時間為3h。

采用640Wp太陽能電池板。根據景區安裝空間測算，640Wp峰瓦的太陽能板可分成4塊，每塊為160W，工作電壓為16～17V即可。

3 系統的安裝方案

3.1 太陽能電池板材料選擇

目前有3種太陽能電池板，即單晶硅、多晶硅和薄膜。

從材料成本上考慮，薄膜太陽能電池板成本最低，多晶硅其次，單晶硅最貴。從轉換效率來看，薄膜太陽能電池板在實驗室中電池的穩定最高能量轉換效率只有13%左右，多晶硅太陽電池的平均能量轉換效率能達到 14%，最高為 19.8%；單晶硅為15%，最高可達25.0%[8]。在戶外太陽光的長期照射下，薄膜太陽能電池的能量轉換效率也有一定的衰減，需要定期維護。考慮根據景區面積大，人力成本有限，太陽能板固定后，要能長時間工作。在各種光強下，單晶硅太陽能電池板的發電效能最高，穩定性好。綜合考慮后，選擇較貴，但發電效能最高的單晶硅太陽能板。

3.2 支架形狀選擇

常見的支架形式分為固定式和向日葵追光旋轉式。

如果使用后者[9]，就會遇到以下幾個問題：

1）部分設備所在的景點并不開闊，樹林茂密，支架旋轉空間有限。

2）追光系統需要的控制器需要電源轉換模塊及穩壓電源，電路的復雜使得太陽能電池耗電量增加，也使得景區成本增加。

景區需要較為成熟簡單及低成本的方案，根據綜合考慮，支架工程方案采用固定式方案。

單塊太陽能面板面積約5m2，單桿架設很困難，因此采用業界普遍使用的H型雙桿架設。架設位置根據各個景點地貌不同可以選擇不同高度。考慮冬天要回收集中保存也可以直接在地面架設。根據施工現場測量，為減少風阻力，太陽能電池下沿距地面應大于0.6m，橫列太陽能板間距要大于0.2m，縱列太陽能板之間的距離要大于0.3m。

3.3 光電板設計角度的確定

太陽能光電板設計角度確定，目前行業內比較普遍采用的方法是根據所在地的緯度進行計算[10]。冬季的太陽能輻射最弱，系統在冬季能滿足使用要求，一般情況下在其他季節基本夠用。根據以下估算公式[11]，可以算出所在景區的冬季最佳傾角Td，即

式中，L為緯度（阿爾山市：L=47.18）。

此種計算方法是建立在理想的實驗室條件下，假設沒有任何遮擋物，如樹、山等。但在林區這種情況少見，因此計算出來的角度只能作為一個架設參考值。經過實際工程數據測試，角度降低 8°在63°效果最好。

考慮根據每年氣候條件不同，景區對開放時間的調整。如果冬天不開放，只在夏季5個月開放，太陽能電池板角度就還需進行調整。可在后支架在對應的角度鉆好預留固定孔，以便進行調整。根據測算數據可知[12]，內蒙古阿爾山地區，正午 12點，夏至日太陽方位角度（155°）和冬至太陽角度（172°），相差 17°，太陽能電池板對地面的夾角可再調小17°，固定在46°。

4 成本預算

攝像頭是主要的耗電來源，視頻監控主要為游客服務，為節約更多成本，在游客退場后可在中心機房遙控關閉攝像機電源，將攝像頭工作時間改為每天 12h。在有必要的時候通過遙控換醒攝像機進入設防狀態工作。根據式（2），可以得出縮短攝像頭工作時間后，每日耗電量下降33%，蓄電池容量也可下調33%左右，由800A時降到約500A時，更便于安裝和維護。太陽能電池板容量不建議降低，因為其是用電的源泉，便宜，壽命長，所以即使陰天也會發出一部份電力。

5 結論

本文通過對阿爾山景區高低錯落的獨特地貌特征及其豐富的太陽能資源特點的研究，設計了一套基于風光互補系統的監控及廣播供電系統，并根據其在系統設計方案及系統安裝方案中的部分技術問題，提出了解決方案，經實踐應用效果良好。

該系統分為風光輸入部分，充放電控制部分，蓄電池儲能部分。在系統設計階段，主要解決了根據設備耗電估算太陽能電池板容量及蓄電池容量的問題，提供了具體工程中用于計算的公式及方法。在系統的安裝方案中，根據景區獨特的地貌情況及景區開支的需求，在太陽能電池板材料，支架方面提出了解決方案。不同于理論及仿真，在太陽能電池板安裝角度問題上，對公式計算的數據，進行實地工程測試調整，提供了具體實施的測算方式。此外根據施工方需要，提出成本控制的策略。

本文為其他同地貌景區的太陽能供電系統提供了參考意義，具有較大的工程實際應用價值。