光伏發電在高速公路中的技術探析

謝維，蔡建羨，李立新，陳遜，于江，郭麗麗

(防災科技學院 電子科學與控制工程學院，河北 燕郊 065201)

伴隨中國經濟的不斷增長，公路建設也在快速發展，道路服務水準與高速公路長度邁上一個新階梯，高速公路機電工程建設的標準也愈來愈高。完備的外場視頻監視系統能夠全過程監視高速公路，完成交通事件自動報警監測與24 h監視錄影，給公路管理員實時察覺與處理交通肇事，高效疏解交通提供重要援手。外場監視系統一般采取兩種供電形式： 一種是采取傳統供電電纜的形式，直接鋪設電纜從就近的收費亭配電間起始給監控點供應市電；另一種采取獨立光伏電站或風電光電互補結合的形式完成供電[1]。

傳統的外場監控設備受到距離、地形、地域等方面的影響，必須使用比較粗大的銅芯線纜長距離輸電來降低電壓衰減，如此必將導致建設費用過高， 同時運營期間也因電纜經常被盜造成經濟損失和運營管理的不便[2]。而且傳統電纜供電方式電纜距離較長，容易受感應雷的影響，系統中需要連接較完善的避雷設備，但受雷電影響的概率仍較高。

而光伏發電主要優點是能源全來自于太陽能，和傳統的電纜供電方式比較，避免了中間電纜和敷設工程，還降低了被雷擊影響的概率，而且避免了輸送電纜被盜竊。當市電供電點距監控點之間的距離愈長，那么建造成本的節約優勢愈明顯。同時，采用光伏發電的施工以及維護比較方便，不受地形的差異、位置的遠近、及跨線橋的影響，主設備器件的工作年限長，后期的維保服務比較方便[3]。

1 公路光伏監控系統的組成

本文介紹的光伏發電監控系統主要由太陽能電池板、蓄電池組、光伏控制器和負載(監控攝像機系統)組成。

太陽能電池板將太陽能轉換為電能，然后由光伏控制器經DC/DC組件變換后將電能存儲至蓄電池并為監控攝像機供電。

1.1 太陽能電池板

太陽能電池板是光伏發電系統的核心部件，其性能的好壞直接影響光伏發電系統的可靠性與供電效率，該系統采取的光伏電池板利用優質的單晶硅片，具有工作壽命長、變換效率高及可靠性好的優點。按照工程提出的對光伏電池組件參數的需求，該系統設計擬采取140 W共4塊單晶硅光伏電池組件并聯連接，詳細參數見表1所列。

表1 光伏電池板技術參數

1.2 光伏控制器

光伏控制器功能主要有： 光電轉換、蓄電池充放電防護與溫度的補償、電源管理、脈沖節能供電、LED驅動技術、系統軟件與液晶顯示操作。

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

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

2)過放防護。當蓄電池放電到過放電壓后，控制器可將負載斷開，以保護蓄電池不受損壞，延長蓄電池使用壽命，過放保護電壓在設置默認值的基礎上，也可在手持式控制面板或遠程設置。

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

4)防止反向充電。由于使用PWM的串聯工作方式，當出現光伏電池板電壓比蓄電池電壓低后，保障蓄電池不會朝光伏電池板反向充電。

5)過載防護。當負載輸出電流比設定值大時，控制器可以斷開負載，故障消除后，控制器繼續運行。

6)溫度補償。光伏控制器可設定放充電壓值，當電池溫度不同時，供應商需按照電池的額定電壓來設定具有溫度補償功能的控制器，依據電池的溫度自動調整放充電壓值，蓄電池的停止放充電壓也不同。

當額定電壓為12 V時，光伏控制器系統缺省性能技術指標見表2所列。每個參數都能經過遠程或者掌上型控制面板設置。

表2 光伏控制器缺省性能指標

續表2

1.3 蓄電池組設備

蓄電池組為光伏發電系統不可缺少的組成部分，由于光伏發電系統只含光電轉換的功能，受到輻照度影響顯著，所以輸出不太穩定。為解決光伏供電儲能的合理性與同步性，保證雨天及夜間能正常發電，需要配置適當的蓄電池組。蓄電池容量應保障當地最長時間連續降雨天的發電量。

2 公路光伏監控系統的設計

2.1 負載的負荷

該光伏發電系統涉及到的負載主要有： 解碼器、加熱器、攝像機、光端機、鏡頭、云臺等。按照每臺設備負荷的情況能夠估算出負載的負荷用電量。主要耗電設備為加熱器，然后逐次為光端機、解碼器、云臺、攝像機及鏡頭。由于光伏發電系統提供的是直流電壓，同時逆變器通常產生一些功率的消耗，所以，為盡可能減少非負載的用電，從而讓光伏電池發出的電量得以最大限度的運用，負荷設備當中解碼器、加熱器、攝像機、光端機盡可能選用直流12 V供電[5]。如果選用交流電，需要增設逆變器。

2.2 蓄電池的容量

系統總負載所需的蓄電池容量Qc計算如式(1)所示：

Qc=AnLQLto/CC

(1)

式中：A——安全系數，在1.1～1.4間取值；nL——連續降雨的最大天數；QL——負載的日平均用電量，即工作電流乘以日工作小時數，A·h；to——溫度修正常數，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。

依據監控設備的關鍵程度，該光伏發電系統工作后備時間到達了15 d。在安全系數取值A=1.1，to=1.1時，通過運算得出，負載的日均耗電量QL=33 A·h，在供電電壓為12 V時，每天設備持續工作24 h的情形下，折算得設備功率是16.5 W，通常監視攝像機的功率約為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左右設計。

2.3 光伏電池陣列的功率

按照項目需求，光伏板的功率為555 W，光伏板的開路電壓不小于23 V，光伏系統擬采取4組140 W光伏組件并聯，24 V開路電壓連接。按照當地太陽的輻射角，把光伏電池組件安裝最優傾斜角設計為41°。

光伏電池陣列功率P的計算如式(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Po=140 W；np——光伏電池組件的并聯數，該系統np=4；ns——光伏電池組件的串聯數，該系統ns=1。然而

(3)

式中：nw——相隔兩次最長連續降雨天之間的最小間隔天數；Qcb——在該時間段內蓄電池的虧損電量補充容量；QP——光伏電池組件的每日發電量。

Qcb=AnLQL=1.1×15×60=990(A·h)

(4)

式中：Ioc——光伏電池組件最優工作電流，A；H——標準光下的平均日輻射數；Kop——斜面修正常數；Cz——修正常數，主要包含衰減、組合、充電效率、塵埃等帶來損耗，通常為0.8。按照式(3)計算該系統光伏電池組件的并聯數如式(5)所示：

(5)

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

3 結束語

太陽能是一種可再生無污染的清潔高效能源。對高速公路的外場監視系統利用光伏發電設施實現供電，該方案將使不適合采取傳統電纜供電的場合得到有效的改變。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，具備較高的經濟及社會效益。伴隨太陽能發電的技術進步與制造價格的降低，光伏發電系統就更有競爭優勢，現如今更有風電光電互補技術的發展，該技術在高速公路領域之中必然會運用得更為廣泛。實際應用證明高速公路光伏發電及監控系統具備較高的實用性與可行性。