太陽能光伏供電在高速公路監(jiān)控中的應(yīng)用探析

劉東洋

摘 要：在常規(guī)化石資源儲(chǔ)量日益減少的情況下，應(yīng)積極開發(fā)利用太陽能，以緩解能源危機(jī)與減輕環(huán)境污染。高速公路中的監(jiān)控系統(tǒng)需要以電力能源作為支撐，才能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行，在監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用太陽能供電方式具有無可比擬的優(yōu)勢。文章分析了應(yīng)用光伏供電的主要優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)某高速公路工程實(shí)例探討了應(yīng)用光伏供電過程中應(yīng)注意的問題，包括供電系統(tǒng)構(gòu)成與主要功能，系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)把握的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高速公路；監(jiān)控；光伏供電；太陽能

太陽能屬于一種清潔可再生能源，目前利用太陽能的方式包括光電轉(zhuǎn)換與光熱轉(zhuǎn)換兩種，光伏發(fā)電及光伏供電屬于太陽能的光電轉(zhuǎn)換利用方式，光伏供電具有系統(tǒng)運(yùn)行成本低、發(fā)電效率高及環(huán)保性能好等優(yōu)勢，可以在多種領(lǐng)域中應(yīng)用[1]。文章分析了高速公路監(jiān)控體系中應(yīng)用光伏供電的相關(guān)問題，旨在改善改善高速公

1 在公路監(jiān)控當(dāng)中應(yīng)用光伏供電的優(yōu)勢

高速公路在現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系當(dāng)中發(fā)揮了重要作用，全程監(jiān)控高速公路運(yùn)行狀況是保障道路通暢性與減少交通事故的有效途徑。高速公路的監(jiān)控內(nèi)容包括交通流量、道路狀況等，以便可以根據(jù)公路動(dòng)態(tài)信息變化，如路網(wǎng)、異常事件、交通流及環(huán)境氣候等提供路況信息，同時(shí)發(fā)出路徑誘導(dǎo)、限速及禁行等指令，從而預(yù)防發(fā)生交通事故或道路擁堵問題。總之，正常監(jiān)控高速公路是提升路網(wǎng)暢通度與通行能力的基礎(chǔ)[2]。為了正常監(jiān)控公路，則需要保障監(jiān)控系統(tǒng)具有穩(wěn)定的電源作為支撐，而在監(jiān)控中應(yīng)用光伏供電能夠有效滿足上述要求。首先，太陽能具有綠色、可再生的特點(diǎn)，不會(huì)污染空氣與破壞生態(tài)平衡，不會(huì)因原煤供應(yīng)量減少而對(duì)供電的穩(wěn)定性與長期性造成影響。另一方面，太陽能供電可以獲得國家的鼓勵(lì)與大力支持，且供電系統(tǒng)維護(hù)方便，具有較高的性價(jià)比。國家的鼓勵(lì)與支持可以為光伏供電的推廣使用提供便利，這就能推動(dòng)光伏供電技術(shù)的革新，進(jìn)而促使監(jiān)控系統(tǒng)供電質(zhì)量實(shí)現(xiàn)提升[3]。此外，光伏供電的設(shè)備安裝方法與布線形式相對(duì)簡單，后期維護(hù)工作較少，只需要清潔電池板及更換蓄電池即可，且無需使用中間電纜，這就可以有效減少供電系統(tǒng)的投入成本。

2 在高速公路監(jiān)控中應(yīng)用太陽能光伏供電的方法

2.1 工程概況

某高速公路的路線總長度為196.246km，公路中的第二合同段總長度為35.4km，合同段中共設(shè)置有2處互通立交樞紐，服務(wù)站設(shè)在k170+480處，收費(fèi)站設(shè)在K169+865處，路段終點(diǎn)連接312國道線，終點(diǎn)樁號(hào)K173+265.13。路段設(shè)計(jì)為雙向4車道，設(shè)計(jì)車速為125km/h。路段中的監(jiān)控系統(tǒng)具有全線視頻監(jiān)控功能，攝像機(jī)之間的距離約為2km，在重點(diǎn)路段，如互通樞紐區(qū)等縮短攝像機(jī)之間的距離。由于監(jiān)控?cái)z像機(jī)的用電負(fù)荷相對(duì)分散且用電量較小，因此在充分調(diào)研及考察監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)營成本的基礎(chǔ)上決定采用光伏供電形式，光伏電源具有獨(dú)立性，可以解決長距離與負(fù)荷分散供電問題。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成與主要功能

本工程中采用的供電系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：監(jiān)測軟件、負(fù)載、控制器、蓄電池組、電池組件等，其中負(fù)載主要包括攝像機(jī)等。各組成部分所具有的功能如下：（1）電池組件。電池組件由電池片、EVA膠膜、TPT背膜、鋼化玻璃與邊框構(gòu)成。電池片采用單晶硅制成，光電轉(zhuǎn)化率較高，可以確保電池組件的發(fā)電功率達(dá)到要求。TPT背膜為氟塑料模，具有不透氣、耐腐蝕及耐老化的特點(diǎn)，可反射陽光與降低組件溫度，有助于提高組件光電轉(zhuǎn)化率。EVA膠膜的具有密封電池組件、連接TPT背膜與玻璃的作用，厚度為0.75mm，還具有增加組件透光率的作用[4]。鋼化玻璃的厚度為3.0mm，透光率>91%（波長為300nP～1000nP），同時(shí)可以有效反射紅外光及提升電池組件耐受紫外線能力。電池組件的邊框由鋁合金材料制成，能夠提升組件的強(qiáng)度與抗沖擊能力。（2）控制器、蓄電池、負(fù)載。蓄電池屬于儲(chǔ)能設(shè)備，安裝在野外的蓄電池可受到環(huán)境條件的影響，連續(xù)陰雨天氣及溫度過低、過高均會(huì)對(duì)蓄電池的使用壽命與容量造成影響，控制器及負(fù)載單元均能夠發(fā)揮保護(hù)蓄電池的重要作用?？刂破骶哂羞^沖、過放、反接、短路及過載保護(hù)等功能。在蓄電池處于充滿狀態(tài)的情況下，控制器可將正常充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換成浮充狀態(tài)；如蓄電池在放電時(shí)的電壓過大，則控制器可及時(shí)將負(fù)載切斷，因此可以避免蓄電池受到過放的損害。在蓄電池出現(xiàn)反接或短路問題時(shí)控制器可以在保護(hù)其他部件安全的情況下快速熔斷熔絲，只需將熔斷的熔絲更換掉便可以排除反接或短路故障。如負(fù)載輸出的電流較大，則控制器可及時(shí)將系統(tǒng)中的負(fù)載切斷，在蓄電池的電壓明顯高于電池的電壓時(shí)，控制器將會(huì)切換成串聯(lián)PWM控制，避免電池出現(xiàn)反向充電問題[5]。（3）監(jiān)測軟件具有安全性良好、可靠性高及精度高的特點(diǎn)，可以利用微處理器與精確測量技術(shù)采集數(shù)據(jù)、測量信號(hào)，在供電系統(tǒng)中的子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可及時(shí)發(fā)出告警，并自動(dòng)切除，避免其他子系統(tǒng)的正常運(yùn)行受到影響。監(jiān)測軟件還具有診斷硬件故障、軟件故障、通信中斷等方面的作用，能為供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。

2.3 系統(tǒng)建設(shè)

在建設(shè)光伏供電系統(tǒng)時(shí)采用了以下方法：（1）先按照設(shè)計(jì)要求分層安裝電池組件，以2塊組件為1層，底層組件的凈空為6.5m，不同層電池組件之間的距離為2.5m，安裝好電池組件后根據(jù)太陽照射角對(duì)傾角進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。隨后在安裝攝像機(jī)的立柱周圍開挖地井，地井規(guī)格為1.75m×1m×1.25m，地井底部加砌0.3m壁磚，井底砌磚，砌磚高度為0.1m，隨后在壁磚及底磚上涂好防水層，注意在地井中設(shè)置好排水孔及走線孔。完成上述工作后便可以連接好蓄電池及安裝好光傳感器，隨后在控制箱中安裝好充電接口、負(fù)載配電、放電與充電控制器等控制板塊構(gòu)件。安裝好控制器后可以敷設(shè)控制箱與蓄電池、電池組件之間的電纜敷設(shè)，并連接好通訊電纜與電氣電纜，確認(rèn)電纜敷設(shè)正確后可調(diào)試光伏供電電源，試運(yùn)行供電系統(tǒng)，為攝像機(jī)供電，試運(yùn)行中沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在運(yùn)行缺陷后便可以安裝監(jiān)測軟件，利用監(jiān)測軟件在線監(jiān)測蓄電池、供電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行需要調(diào)整監(jiān)測軟件設(shè)置方式。（2）蓄電池的容量計(jì)算。在計(jì)算蓄電池的實(shí)際容量時(shí)可以采用以下公式BC=To/CC×NL×QL×A，在上述公式中CC-放電深度，堿性鎳鎘電池為0.85，鉛酸電池為0.75；To-溫度修正值，小于10℃時(shí)取12，-10℃～0℃取10，大于0℃時(shí)取1；NL-陰雨天氣連續(xù)天數(shù)；QL-負(fù)載耗電量；A-安全系數(shù)，取1.0～1.4。

3 結(jié)束語

綜上所述，監(jiān)控高速公路的通行狀況是保障交通運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行的基本條件。在高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用光伏供電模式具有減少建設(shè)成本、節(jié)約資源及方便后期維護(hù)等優(yōu)勢，有助于保障監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性與可靠性。

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