國(guó)省道干線公路監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施太陽(yáng)能供電方案設(shè)計(jì)

成 晟

（江蘇先行交通科技有限公司，江蘇 南京 210000）

1 外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)施常見的電力電纜供電方案

目前，江蘇省多條國(guó)省道干線公路建設(shè)建成了數(shù)字化公路系統(tǒng)，通過信息化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了加強(qiáng)道路實(shí)時(shí)監(jiān)控、提高路網(wǎng)調(diào)度能力、保證干線公路安全暢通的建設(shè)目標(biāo)。其中，交通信息采集子系統(tǒng)在道路的安全運(yùn)營(yíng)上發(fā)揮著極其重要的作用，相應(yīng)的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施，特別是車輛檢測(cè)器、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、氣象檢測(cè)器等沿道路全線布設(shè)，用來采集交通基礎(chǔ)設(shè)施的信息、路段交通流信息、外部環(huán)境信息、各類交通事故事件信息等，以便及時(shí)做出處理。外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)施常見的電力電纜供電方案有以下幾種：

（1）集中低壓供電方案。沿路由房建區(qū)供電設(shè)施線敷設(shè)低壓供電電纜至外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)施，電壓等級(jí)AC220/380 V。為減少電力傳輸?shù)膿p耗，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，常采用升、降壓傳輸方式，但需設(shè)置升、降壓變壓器，成本較高。

（2）分布中壓供電方案。采用10 kV供電線路，沿線在負(fù)荷集中點(diǎn)設(shè)置變壓器。但工程造價(jià)較高，主要用于特大型橋梁及長(zhǎng)隧道等沿線用電設(shè)備分布密集的場(chǎng)合，施工難度較大。

（3）低壓外線引電方案。在沿線有低壓外線供電條件的地方，直接由當(dāng)?shù)毓╇姴块T引入AC220/380 V外線，但供電的可靠性與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)有關(guān)，需要進(jìn)行計(jì)量。

2 太陽(yáng)能供電原理

利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理，把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)。太陽(yáng)能供電裝置由太陽(yáng)能電池板、控制器、蓄電池組、逆變裝置（如有）等組成，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能。在全國(guó)大部分地區(qū)都能應(yīng)用，具有可靠性高、安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)便、無污染的優(yōu)點(diǎn)。

（1）太陽(yáng)能電池板：一般由電池片、組件邊框、鋼化玻璃、封裝材料以及接線盒等組成。作用是將太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用，是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件之一，轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽(yáng)電池是否具有使用價(jià)值的重要因素。太陽(yáng)電池板可組成各種大小不同的太陽(yáng)電池方陣，亦稱太陽(yáng)能電池陣列，功率輸出能力與其面積大小密切相關(guān)，面積越大，在相同光照條件下的輸出功率也越大。

圖1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)構(gòu)成

（2）控制器：在整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中起著重要作用，扮演著系統(tǒng)管理和組織核心的角色。控制器能夠?yàn)樾铍姵靥峁┳罴训某潆婋娏骱碗妷?，快速、平穩(wěn)、高效地為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗；同時(shí)，保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生?？刂破饔涗浖帮@示系統(tǒng)各種重要數(shù)據(jù)，如充電電流、電壓等，并提供通信接口，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)控制。

（3）蓄電池組：將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流電能貯藏起來，供負(fù)載使用。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀。白天太陽(yáng)能電池方陣給負(fù)載供電，同時(shí)，電池方陣還給蓄電池充電；晚上或陰雨天負(fù)載用電全部由蓄電池供給。蓄電池主要分為膠體免維護(hù)蓄電池、鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池等種類。

（4）逆變器：按激勵(lì)方式可分為自激式振蕩逆變器和它激式振蕩逆變器。由于太陽(yáng)能電池的直接輸出是直流電，為能向使用交流電的設(shè)備提供電能，應(yīng)將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此，需要使用DC-AC逆變器。有時(shí)還要根據(jù)設(shè)備工作電壓的需要，采用變壓器進(jìn)行升降壓。

3 監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)省道干線公路由太陽(yáng)能供電的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施通常由超聲波車輛檢測(cè)器、攝像機(jī)、視頻編碼器（或者光端機(jī)）、串口服務(wù)器等組成。

由于太陽(yáng)能電池輸出的是直流電，為了提高太陽(yáng)能供電系統(tǒng)資源利用率，建議不使用轉(zhuǎn)換效率低下的逆變器，直接采用直流+24 V供電的負(fù)載。

3.1 監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備日耗電量的確定

確定太陽(yáng)能發(fā)電功率及配置的前提是確定監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備（負(fù)載）的功率及耗電量。通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)檢測(cè)可以確定監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備的總功率W2，設(shè)備每天平均工作時(shí)間總和為h小時(shí)。監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備日耗電量為：

若監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備的工作電壓為+24 V，則設(shè)備日耗電容量為：

3.2 蓄電池組容量設(shè)計(jì)

蓄電池的容量對(duì)保證系統(tǒng)連續(xù)供電是極其重要的。太陽(yáng)能電池陣列每日所發(fā)電量除供設(shè)備消耗外，還要多發(fā)出一部分電量存儲(chǔ)到蓄電池內(nèi)以備夜間及陰雨天使用。蓄電池的容量Q計(jì)算公式為：

式中，A代表安全系數(shù)，取值為1.1～1.4之間；NL代表最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；τ代表溫度修正系數(shù)，一般在0 ℃以上取1， -10 ℃以上取1.1，-10 ℃以下取1.2；C代表蓄電池放電深度，一般取0.7。

3.3 太陽(yáng)能電池陣列設(shè)計(jì)

由于日照強(qiáng)度及日照時(shí)間分布不均勻，需換算出安裝地點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)光下的平均日輻射數(shù)H：

式中，Ht為安裝地點(diǎn)的日輻射量，指的是每日平均太陽(yáng)光輻射量換算成標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)后的輻射時(shí)間?？梢罁?jù)《全國(guó)各地太陽(yáng)能總輻射量與年平均日照當(dāng)量表》數(shù)據(jù)，單位為KJ/m2·天。

太陽(yáng)能電池日發(fā)電量QP：

式中，IOC代表太陽(yáng)能電池最佳工作電流，典型值為6.86 A；KOP代表斜面修正系數(shù)，一般取1.067 1；CZ表修正系數(shù)，主要為組合、充電等衰減，取0.8。太陽(yáng)能電池板并聯(lián)數(shù)量N1：

太陽(yáng)能電池板串聯(lián)數(shù)量N2由系統(tǒng)電壓（12 V或24 V）確定。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)需設(shè)置運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備，采集控制器與蓄電池工作參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)通信接口傳輸至監(jiān)控分中心的管理工作站，通過軟件分析電池及控制器的工作狀態(tài)，出現(xiàn)異常狀況時(shí)，及時(shí)報(bào)警，采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)省道干線公路數(shù)字化改造項(xiàng)目中監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施供電的特點(diǎn)，介紹了監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施的太陽(yáng)能供電方案，給出了太陽(yáng)能供電的一般設(shè)計(jì)原則。由于太陽(yáng)能供電方式受環(huán)境及設(shè)備質(zhì)量影響較大，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，依照本文給出的設(shè)計(jì)原則，充分考慮上述因素影響進(jìn)行設(shè)計(jì)。