太陽能光伏在濟菏高速公路全程監控系統中的應用

山東力諾太陽能電力工程有限公司 ■ 張鋒 司昌雷 尋知財

一 引言

隨著我國高速公路里程的不斷增加，對高速公路機電項目的要求也越來越高，全國很多高速公路都相繼設置了全程監控系統，實現交通事件、事故自動檢測報警和24小時錄像。在這些監視系統中，沿線都是采用較傳統的直埋電纜的供電方式來支持監視設備的運轉。2005年11月，河南連霍高速公路鄭州至洛陽段全程監控系統外場攝像機首次全部采用光伏發電系統進行供電。2007年11月，濟南至菏澤高速公路監控系統太陽能供電的使用開創了山東省大規模使用太陽能電力實時路況監控的先河。這種供電方式的主要特點就是能源全部來自太陽能，無需傳統繁雜的布線，并且系統無污染、維護簡便、使用壽命長、能源豐富。

二 工程概況

濟南至菏澤高速公路位于山東省西南部，黃河下游東岸。路線起于濟南市長清區，在殷家林樞紐互通處與濟南市繞城公路南段和京福高速公路相接，終點與王官屯互通立交處相接，路線全長150km。濟南至菏澤高速公路采用雙向4車道，主線設計車速120km/h；包括長清、孝里、平陰、孝直、東平、梁山、嘉祥、王官屯8座互通式立交。沿線設路段監控中心1處，設有長清、孝里、平陰、孝直、東平、梁山、嘉祥7處匝道收費站，3處服務區——長清、東平、梁山服務區，2處停車區——平陰、沙河停車區。

路段監控中心負責管理全線監控業務，其監控中心道路監控系統與收費監視系統合建。

本項目監控系統約每2km設置1套彩色云臺攝像機，除互通和服務區處的攝像機采用低壓供電方式供電，其余路段彩色攝像機均采用光伏發電供電，共計建設完成74套高性能的獨立光伏電源，其中力諾太陽能電力工程有限公司負責其中31套樁位監控系統的供電，從濟南長青至平陰孝直互通。

三 系統介紹

1 太陽電池的發電原理

太陽電池是利用半導體材料的光電效應，將太陽能轉換成電能的裝置。所有的物質均由原子組成，原子由原子核和圍繞原子核旋轉的電子組成。半導體材料在正常狀態下，原子核和電子緊密結合(處于非導體狀態)，但在某種外界因素的刺激下，原子核和電子的結合力降低，電子就擺脫原子核的束搏，成為自由電子。

PN結合型太陽電池由P型半導體和N型半導體結合而成，N型半導體中含有較多的空穴，而P型半導體中含有較多的電子，當P型和N型半導體結合時在結合處會形成電勢。芯片在受光過程中，帶正電的空穴往P型區移動，帶負電子的電子往N型區移動，在接上連線和負載后，就形成電流。

2 獨立光伏發電供電系統的組成

濟菏高速公路機電工程監控系統采用太陽能供電，是一種典型的獨立光伏發電系統應用，主要由太陽電池方陣、蓄電池組、太陽能充放電控制器、蓄電池數據采集器、監控軟件、蓄電池保溫箱、安裝支架、機箱、防護井以及輔助設備組成，為了提高系統的可靠性，還增添了應急充電接口等作為配套使用。

太陽能供電系統主要由以下幾部分組成：

(1)太陽電池組件：屬于太陽能發電模塊，獨立光伏發電系統中的核心部分。主要作用是將太陽光能轉化為電能，從而推動負載工作。太陽電池組件方陣的額定功率為480W，采用4塊力諾公司生產的LNPV-120Wp單晶硅電池組件，主要參數見表1。

表1

太陽電池組件展幅不得侵占車道以上凈空。

(2)蓄電池：屬于儲能模塊。主要儲存由太陽電池板轉化而來的電能，一般為鉛酸電池，可多次循環使用。為了提高系統的可靠性，采用富液結構的密封閥控式鉛酸免維護膠體蓄電池，膠體蓄電池優良的性能能夠達到在?10℃條件下充放電效率不低于65%；40℃條件下蓄電池充入電效率不低于95%，且壽命可達到在?10～40℃環境下免維護連續工作3年后，蓄電池容量衰減不超過30%。

(3)太陽能充放電控制器：屬于控制模塊，主要工作是控制整個光伏發電系統狀態，同時對蓄電池的過充電、過放電起到保護等作用。主要功能是充放電控制、溫度補償、預留應急充電接口、蓄電池電量監控，具體技術指標如表2所示。

太陽能充放電控制器具有通信接口，構成在線檢測網，由監控分中心統一控制，具有數據記錄、查詢、采集方式調整、編號查詢、聲光報警功能，監控軟件應支持Windows XP/2000等操作系統。

表2 太陽能充放電控制器的主要技術指標

(4)蓄電池數據采集器：應具備待機和測試兩種狀態，由蓄電池直接供電，實現全部監視儀通過通信系統構成在線檢測網，由監控分中心統一控制。具有數據記錄、查詢、采集方式調整、編號查詢、聲光報警功能，監控軟件支持Windows XP/2000等操作系統；具有溫度報警、容量報警和電池質量報警功能。

(5)蓄電池保溫箱：蓄電池保溫箱在無光源、環境溫度?10～40℃條件下放置48h，箱內溫度保持在0～30℃。

(6)蓄電池防護箱：具有可靠的防水、防盜措施，能夠滿足蓄電池、保溫箱的安裝要求。

3 獨立光伏發電系統實現的基本功能

(1)為彩色云臺攝像機提供24h不間斷供電，并能保證10天連續陰雨天24h正常供電。

(2)全自動智能化運行，無須人員值守。

(3)完善的雷電保護功能，保護負載和電源自身的安全。

(4)智能化的蓄電池充放電管理，有效延長蓄電池使用壽命。

(5)實時顯示并記錄電池電壓、充電電流、充電安時數、放電電壓、放電電流等數據。

(6)通過監控中心追溯系統運行數據，自動記錄30天運行數據。

(7)監控中心實時檢測各點位數據的自動下載并保存。

(8)蓄電池欠壓報警并切斷負載供電。

(9)安裝有蓄電池溫度傳感器，系統根據蓄電池溫度自動調整浮充電壓。

(10)各種參數設置的鎖定，防止非專業人員的誤操作。

(11)監控中心遠程參數設定修改。

(12)采用完全模塊化和方便快速拆裝的結構設計，方便維修更換、固定和移動、系統擴容。

(13)蓄電池的防水保溫安裝，提高系統性能和延長畜電池使用壽命。

(14)具有快速充電接口，特殊情況下因蓄電池欠壓而無法為攝像機供電，可外接移動充電電源快速充電。

4 蓄電池檢測功能

(1)監控中心對6套太陽能光伏電源系統的蓄電池進行檢測和管理，在線實時監測所有電池的參數：組壓、單體電壓、溫度、電流等，并記錄數據。

(2)監控中心能發出聲光報警信號，對蓄電池溫度、容量、電池質量進行報警，報警記錄和歷史數據自動存儲并可查詢。

(3)可通過局域網實現蓄電池數據信息的共享。

(4)專用軟件支持Windows 2000/XP操作系統。

四 系統建設

1 系統建設的主要內容

(1)完成太陽能組件的安裝：按要求分兩層安裝，每層兩塊組件，底層組件凈空5m以上，兩層之間相隔2m以上，并按最佳方向和最佳傾角安裝。

(2)完成蓄電池防護井的建設：在攝像機立柱附近開挖1250mm×1000mm×1800mm的長條形地井，井底磚砌加高100mm，四壁磚砌加高300mm(距底)，內涂防水層，并預留走線孔和排水孔，地井內部涂3層厚防水涂料。

(3)完成蓄電池的安裝，并完成蓄電池的連接和蓄電池采集傳感器的安裝。

(4)完成中心控制板塊(包含太陽能充放電控制器、負載配電、應急充電接口)在控制箱的安裝。

(5)完成太陽電池到控制箱、蓄電池到控制箱的所有電纜的敷設，并完成各設備間的電氣連接以及通訊電纜連接。

(6)完成31套太陽能光伏電源的調試，電源試運行開始，開始對攝像機及光端機供電。

(7)安裝專用監控軟件，并完成軟件的設置，建立系統的在線檢測和蓄電池的在線檢測，最終完成系統的安裝和調試。

五 太陽能供電監控系統的優勢

太陽能供電監控系統具有安全可靠性、先進性、可擴充性、靈活性和示范性等特性。

1 安全可靠性

為保障系統可靠運行，系統設有完整的在線檢測系統；系統采用多項自我保護和負載保護的安全措施；選用性能優良、可靠性高的成熟技術產品；整體設計采用冗余技術，保證系統的安全可靠性。

2 先進實用性

選用的設備(包括組件、蓄電池、太陽能充放電控制器、在線檢測設備等)均為國內或國際上先進實用的技術和產品。監控中心采用功能強大的系統軟件，建成后的系統具有先進的蓄電池充放電管理技術、系統管理技術、系統在線檢測技術，系統的使用和維護變得更簡單。

3 擴充性和靈活性

系統全部采用模塊化設計，系統的擴容將變得簡單而靈活，增加數量的太陽能光伏電源很容易融入整個在線檢測網絡，而無需對其他設備做任何改動，也不會影響其他設備的正常使用。相對減少了擴容資金投入。

4 示范性

從項目的設計、施工、培訓到售后服務都進行周密計劃，并規范化實施，取得過程管理與實施結果的全面成功，為以后同類工程的實施起到示范作用。

六 太陽能供電與傳統供電的對比

太陽能發電相對于傳統發電，資源取之不盡、用之不竭，是資源最豐富的可再生能源。利用太陽能發電不會造成環境污染，不會造成生態環境失去平衡，是一種綠色的可再生能源。

形勢的發展促進了太陽能供電系統在高速公路機電系統中應用。典型的例子就是太陽能緊急電話。繼連霍高速公路建成太陽能全程監視系統后，河南省信南高速公路等已建成或正在建太陽能監視系統，江西省目前也正在籌劃各條高速公路的全程監視系統。隨著全程監視系統在高速公路的發展，太陽能發電也將逐步發展。

太陽能發電系統安裝簡單，維護方便，性價比高。在機電項目中，設備安裝及布線、后期維護等問題也是很多業主及承包商關注的問題。太陽能供電與傳統電纜供電相比，前者省去了很多復雜的布線，在立柱上裝載即可完成簡單的安裝；對于后期的維護，也只是對太陽電池板進行清潔，對蓄電池進行必要的更換。由于全程監控系統布設的攝像機多，涉及的里程較長，如果采用傳統直埋電纜的供電方式，考慮到沿線電纜壓降等因素，必須采用較粗大的銅芯線纜，而目前國內銅價不斷上漲，這顯然會增加很多成本。如果采用太陽能供電，就省去了中間電纜及其敷設的過程，具有很好的性價比。

綜合考慮高速公路沿線所設監控設施負載的運轉功率及其工作電壓、電流，可選擇更適合設備長期工作的太陽電池板。

七 結語

太陽能是今后能源的主要發展方向，有了國家對新能源的支持、以及全國建設生態環境高速公路的要求，特別是太陽能在其他高速公路路段實施的成功經驗，不久的將來，太陽能監控系統會像太陽能緊急電話系統一樣在全國得到推廣。