太陽能供電在野外道路監控中的應用

杜　明

(四川南渝高速公路有限公司, 四川南充 637000)

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太陽能供電在野外道路監控中的應用

杜明

(四川南渝高速公路有限公司, 四川南充 637000)

【摘要】文章淺析了太陽能供電的基本概念和基本原理，及其在野外道路監控中基本應用和養護，這或許能為建設、運營、養護人員及管理者提供一定的幫助。并結合工程實際，探索太陽能供電在野外道路監控中的應用。

【關鍵詞】太陽能;原理;應用;養護

太陽能(solar energy)，是指太陽的熱輻射能，主要表現為太陽光線，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，并不斷得到發展。

太陽能的利用方式主要有光熱轉換和光電轉換兩種，太陽能發電是一種新興的可再生的清潔能源，在能源領域有著廣闊的前景。

1太陽能供電原理

太陽能供電是利用電池組件將太陽能通過光伏效應直接轉變為電能的裝置，主要包括電池單元、控制器、逆變器、儲存單元，圖1為太陽能供電裝置結構圖。光伏特效應是指半導體由于吸收光子而產生電動勢的現象，是當半導體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。

圖1　太陽能供電裝置

1.1電池單元

電池單元是單一電池經串、并聯組成的太陽能電池系統。

太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態硅三種。單晶硅太陽電池變換效率最高，已達20 %以上，但價格也最貴。非晶態硅太陽電池變換效率最低，但價格最便宜。

單一電池是一只硅晶體二極管，根據半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的P-N結上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結勢壘區存在著較強的內建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內建電場的兩側面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結、連接電路和負載形成的回路，就有"電流"流過，太陽能電池組件就實現了對負載的功率P輸出(圖2)。

圖2　太陽能電池結構原理

太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當地的太陽平均輻射強度與末端的用電負荷決定。

1.2控制器

控制器的主要功能是使太陽能發電系統始終處于發電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調制技術即PWM控制方式，使整個系統始終運行于最大功率點Pm附近區域。放電控制主要是指當電池缺電、系統故障，如電池開路或接反時切斷開關。

1.3逆變器

逆變器按激勵方式，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處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統終端用戶使用。

太陽能光伏發電系統的防反充二極管又稱阻塞二極管，在太陽電池組件中其作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨和夜晚不發電或出現短路故障時，鋰電池組通過太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯在太陽電池方陣電路中，起單向導通作用。因此它必須保證回路中有最大電流，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，因為控制器本來就可防反沖。板子串聯的情況，需要安裝旁路二極管，如果是并聯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作用，不會影響發電效果。

1.4存儲單元

太陽能電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間(發電時間)的影響。因此蓄電池容量由預定的連續無日照時間決定。

2太陽能供電的應用

在不便于使用線纜供電的野外，且太陽能較為充足的地域，一般建議使用太陽能供電解決野外設備供電問題，如道路全程監控的攝像機、氣象站、微波車檢等設備的野外供電問題。

某路段的實際工程所在地的氣象資料顯示，日照充足，但風力達到3級以上較少，不宜使用風光互補供電，宜使用太陽能供電。

根據該路段氣象數據，項目所在地的最低日照時間是在1月份，最佳安裝角度為29°；平均一天的日照時間為2.16 h，每天工作24 h，最長連續陰雨天為7 d，兩最長連續陰雨天最短間隔天數為15 d，進行設備配置。

下面列舉微波車檢、攝像機、道路氣象站的配電及計算。

2.1微波車輛檢測器配電計算

微波車輛檢測器供電的設備配置：負載功率為15 W，配備2塊24 V、200 Wp太陽能板，2塊12 V、100 Ah鉛酸免維護蓄電池，及配套設備。

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；

QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數；

NL為最長連續陰雨天數；

TO為溫度修正系數，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。

太陽能電池組件并聯數Np：

Np= QL/Qp=15 Ah/10.4976=1.428911646

QL為負載每天的耗電量。

QP為200 W太陽能電池組件在某地區每天發電量

2.2攝像機配電計算

攝像機供電的設備配置：負載功率為40 W，配備4塊24 V、200 W太陽能板，4塊12 V、200 Ah鉛酸免維護蓄電池，及配套設備。

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

太陽能電池組件并聯數Np：

Np= QL/Qp=40 Ah/10.4976=3.810431055

2.3道路氣象站配電計算

道路氣象站供電的設備配置：負載功率為15 W，配備2塊24 V、200 W太陽能板，2塊12 V、100 Ah鉛酸免維護蓄電池，及配套設備。

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

太陽能電池組件并聯數Np：

Np= QL/Qp=15 Ah/10.4976=1.428911646

上述計算中，標準200 W太陽能電池組件日發電量Qp計算方法如下：

Qp=I×H×CzAh(4) =5.4 A×2.16 h×0.9=10.4976 Ah

式中：I為太陽能電池組件最佳工作電流；

H為太陽能平均日照小時數(2.16 h)；

Cz為修正系數，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.9。

3太陽能供電養護

太陽能供電裝置運行費用低，維修費、維護費幾乎接近于零，工程安裝簡單，施工周期短，操作安全，太陽能供電穩定可靠，基本不受任何影響，但也必須注意養護。

(1)系統長時間過載會造成線路板原件發熱并有可能損壞整個系統，請勿長時間過載使用。

(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太陽的照射角度，以使其直射進行充電。

(3)為盡量提高充電效率，減少充電損失，不要將太陽能電池板置于很熱的地面.

(4)為避免任何可能的電池損壞及電池漏液，勿倒置及撞擊系統控制箱，并將其放置于干燥的地方使用及存儲。

(5)為避免可能的任何損壞，在使用中請輕按開關及插拔各種接頭。手機等小型電子產品專用充電插座嚴禁插入其他用電器。隨時注意控制箱面板各顯示燈的變化當電池顯示燈變紅時請先及時充電再使用。

(6)在使用時將系統總開關先打開，再打開相應輸出開關，在檢修及不使用時關閉所有開關。

(7)為防止電池因長時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，請保證每三個月內至少充電一次。

4結束語

綜上所述，太陽能作為一種清潔能源，具有廣闊的應用前景，也很好地解決了野外監控供電問題，希望對你有所幫助，也是本文的初衷。

參考文獻

[1]GB/T 19064-2003 家用太陽能光伏電源系統技術條件和試驗方法[S].

[作者簡介]杜明(1983～),男,在讀碩士,機電工程師,主要從事高速公路機電系統建設、運營工作。

【中圖分類號】TU852

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-13