光伏系統在電子交通監控中的設計研究

南昌理工學院新能源與環境工程學院 ■ 周冬蘭 廖丹 程彩虹 熊仰

0 引言

近年來，隨著國家城鎮化的發展，城市規模不斷擴大，車流量急速增加，導致城市交通負載呈爆炸式增長。交通監控是城市交通維持秩序的重要組成部分。隨著道路交通新規的實施，電子交通監控的數量大幅增加，而連接交通監控的電力往往是連接城市的公共電網，這就需要在安裝時重新挖掘路面或草地來鋪設線路，由此帶來了安裝復雜、維護麻煩的問題，同時也會產生城市交通擁堵的問題。光伏發電已成為世界新能源領域的一大亮點，其應用范圍也在逐漸擴大，如大型電站、光伏建筑一體化、充電樁和城市軌道交通等[1-4]。將光伏發電應用于電子交通監控，具有兩方面的優點：一是無需另外考慮和電網連接的問題，安裝方便且維護簡單；二是采用清潔能源供電，對環境無污染，還能緩解市電供應緊張的問題。

本文以南昌市為例，詳細討論光伏系統在電子交通監控中的設計過程，并分析其產生的環保效益。

1 系統結構及工作原理

由于是在原有的十字路口附加安裝電子交通監控，本文設計的光伏系統在電子交通監控中的結構如圖1所示，其主要組成部分有：光伏組件方陣、蓄電池、控制器、逆變器、交換機、電子警察和LED燈。

其工作原理是：當白天有陽光照射時，光伏組件方陣接收太陽光將其轉換成直流電能，流經控制器，通過逆變器，一部分輸送給交換機，使其正常工作，多余的直流電則輸給蓄電池；當夜晚或連續陰雨天氣無光照時，則由蓄電池提供電能使交換機和LED燈正常運行。而電子警察是由網線連接交換機，因此不需要額外電源。

圖1 系統結構圖

2 系統設計

2.1 交通監控系統負載確定及計算

目前常見的電子交通監控如圖2所示，其中1組LED燈(220 V/48 W)可以對2個電子警察進行補光，LED燈平均每天工作時間為10 h；由1個交換機(100～240 V/20 W)通過網線對2個電子警察供電，交換機每天工作時間為24 h。

圖2 交通監控的示意圖

負載用電總功率P可由式(1)計算：

式中，Pi為每個設備的功率，W；i為負載個數，此處取值為2。

因此，1個電子交通監控的總功率P=20+48=68 W

負載所有用電設備一天的用電量Q可由式(2)計算：

式中，ti為單個負載的用電時間，h。

因此，1個電子交通監控一天的用電量Q=20×24+48×10=960 Wh。

2.2 蓄電池的設計

南昌地區太陽能資源較豐富，為亞熱帶濕潤季風氣候，降雨豐富，最長無日照用電天數為5天[5]。

蓄電池組容量C可由式(3)計算：

式中，D為最長無日照用電天數；F為蓄電池放電容量的修正系數，一般取值1.2；K為交流回路(包含逆變器在內)的損耗系數，一般取值0.8；U為所選蓄電池的放電深度，一般取值0.5[6]；V為系統直流電壓，V。

系統的直流電壓選擇時需滿足國家標準，一般取12 V、24 V、48 V等，由于本文系統功率相對較小，所以選擇系統的直流電壓為24 V。

將V=24代入式(3)可得，蓄電池組容量C為600 Ah。

如今，蓄電池的種類多種多樣，如鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池等。鉛酸電池由于具有價格低、技術成熟等優點而被廣泛應用于光伏系統中。本系統選用科華12 V/200 Ah的鉛酸蓄電池。因此，需串聯的單體蓄電池數Ns可由式(4)計算：

式中，U單為單體蓄電池電壓，V。

將數據代入式(4)可得：Ns=2。

需并聯的單體蓄電池數Np可由式(5)計算：

式中，C單為單體蓄電池的容量，Ah。

將數據代入式(5)可得：Np=3。

綜上所述，串聯蓄電池的數目為2，并聯蓄電池的數目為3，即每2個蓄電池串聯再3組并聯，共計需要6個蓄電池。

2.3 光伏組件方陣設計

2.3.1 光伏組件方陣的功率

平均每日峰值日照時數Tm可由式(6)計算：

式中，KOP為最佳輻射系數；H為年均太陽總輻射量，MJ/m2。

通過查詢資料可知，在南昌地區，H=4305.92 MJ/m2[7]，KOP=0.8640[8]，由此可得Tm=2.83 h。

光伏組件方陣的功率P可由式(7)計算：

將數據代入式(7)可得：P≈509 W。

2.3.2 光伏組件的選擇及計算

目前市場上較常見的是單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件。雖然單晶硅光伏組件轉換效率高，但是造價費用也較高。考慮到電子交通監控系統需成本低的實用性要求，選取255 W多晶硅光伏組件，其性能參數見表1。

表1 多晶硅光伏組件性能參數

光伏組件的串聯數Ns′可由式(8)計算：

式中，V為系統直流電壓，V；Vmp為光伏組件峰值輸出電壓，V。

將數據代入式(8)可得：Ns′≈1塊。

光伏組件的并聯數Np′可由式(9)計算：

式中，Pm為光伏組件的峰值功率，取值255 W。

將數據代入式(9)可得：Np′≈2塊。

綜上所述，需串聯多晶硅光伏組件數目為1，并聯多晶硅光伏組件數目為2，共計需要2塊多晶硅光伏組件，即2塊多晶硅光伏組件并聯。

2.4 控制器的選擇

光伏控制器的主要功能是對蓄電池進行充放電保護，以避免蓄電池有過充或過放的情形發生。控制器的最大輸入電流取決于光伏組件方陣的短路電流；同時，為提高安全系數，在此基礎上需增加25%的余量，因此，控制器的最大輸入電流IFsc可由式(10)計算：

式中，Isc為單塊光伏組件的短路電流，A；1.25為安全系數。

根據所選組件的短路電流為8.89 A，且2塊并聯，計算可得IFsc=22.2 A

因此，控制器的電流應不小于22.2 A，才能防止因過流而導致控制器損壞。依據直流母線電壓24 V，本文選擇尚高新能源公司SD-30型智能光伏控制器。該產品工作溫度范圍寬，對惡劣環境的適應能力強，且體型小巧，便于安裝，其性能參數如表2所示。

表2 SD-30智能光伏控制器性能參數

2.5 逆變器選擇

逆變器是實現將直流電(蓄電池等)轉變成交流電的一種裝置。目前，光伏逆變器在市場上被分為兩種：光伏離網型逆變器和光伏并網型逆變器。由于直流母線電壓為24 V、負載功率為68 W，本系統選取尚高新能源公司SGP300A-242型24 V離網式光伏逆變器。該逆變器逆變效率高，且具有蓄電池過放電保護、超電壓關閉等功能，其性能參數如表3所示。

表3 SGP300A-242型逆變器性能參數

3 環保效益分析

以本文計算的數據為例，1個電子交通監控的年耗電量為：960 Wh×365=350400 Wh，即350.4 kWh。按每節約1 kWh，就相當于節約標準煤0.4 kg，減少排放碳粉塵0.272 kg、CO20.997 kg、SO20.03 kg和NOx0.015 kg進行計算[5]，1個電子交通監控光伏發電系統的環保效益分析如表4所示。以我國目前的道路數量來

計算，若均能采用光伏系統對電子交通監控供電，可實現非常強大的環保效益。

表4 1個電子交通監控光伏發電系統的環保效益

4 結論

本文主要根據蓄電池、光伏組件、控制器和逆變器等部件對電子交通監控中的光伏系統進行了詳細的設計，并簡單計算了節能減排的環保效益。可見，光伏系統在電子交通監控中的設計研究可有效促進能源和環境的和諧發展。雖然該系統前期的投入費用較高，但是后期的維護費用低；而且，隨著科學技術的進步，光伏組件和蓄電池的成本降低，光伏系統在電子交通監控中的應用將有更長遠的發展前景。

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