太陽能供電系統(tǒng)在索道線路支架上的應(yīng)用

蒙 娟 田增陽 丁洪濤

1北京勞動保障職業(yè)學院 北京 100029 2北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007 3深圳前海索士科技有限公司 深圳 518052

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們對旅游產(chǎn)業(yè)的需求日益增加?？瓦\索道作為一種基于山岳型地貌的高效交通運輸工具，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這對客運索道的安全運營與維修管理也提出了更高的要求和標準。依據(jù)TSG S7001—2013《客運索道監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則》的規(guī)定，夜間運營的索道支架上需安裝照明設(shè)施；依據(jù)國家客運索道企業(yè)安全生產(chǎn)標準化相關(guān)規(guī)范，客運索道須在索道支架等重點區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)施。因此，索道支架上的攝像頭、照明燈等電氣設(shè)備的應(yīng)用越來越普遍，逐漸成為客運索道的一種基本需求。

然而，索道支架上的供電問題一直都是索道行業(yè)內(nèi)比較棘手的難題。因為根據(jù)TSG S7001—2013《客運索道監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則》的規(guī)定，從安全角度考慮，索道支架只允許使用36 V以下的供電電壓[1]。而索道通常處于偏遠山區(qū)，索道支架上的設(shè)施供電只能取自索道站房。而一般的索道總長有數(shù)公里，各個支架直線分布在整個索道線路中，支架間的間距數(shù)百米。若采用低壓遠程供電，在36 V以下低電壓的情況下會產(chǎn)生非常大線路損耗，且距離站房越遠的支架，線路損耗越大，往往到達較遠支架時，電壓會下降很多，僅剩10 V左右甚至更少，達不到使用標準，離站房越遠、線路越長，損耗越大，這一問題就越突出。當然也可通過增大導(dǎo)線直徑減少導(dǎo)線內(nèi)阻等方式在一定程度上緩解該問題，但是相對應(yīng)的，使用更大直徑的導(dǎo)線進行電力輸送會大大增加導(dǎo)線單位長度的質(zhì)量，增加索道線路負荷，增大施工難度，同時使成本大幅增加。故索道支架的供電的最優(yōu)解即是能在支架本地解決?；谝陨峡紤]，本文提出一種基于太陽能供電原理的索道支架供電系統(tǒng)，有效地解決了這一問題。

1 太陽能供電系統(tǒng)概述

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能板在白天陽光充足時，吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為充電電壓，給蓄電池組充電，作為儲備電源，再由蓄電池組作為電源，給支架攝像頭、LED照明燈、太陽能供電系統(tǒng)控制器本身、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等所有支架用電設(shè)備供電。太陽能供電系統(tǒng)由主控制器對系統(tǒng)進行智能管控，利用PWM充電技術(shù)，合理控制太陽能充電速度，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸信息，實現(xiàn)對太陽能供電系統(tǒng)的電池電量、充電狀態(tài)、溫度等狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)控。系統(tǒng)選用24 V直流供電蓄電池組與太陽能板連接搭配，因此在充放電時，系統(tǒng)電壓低于規(guī)范所明確要求的36 V安全電壓，嚴格響應(yīng)了索道檢驗的規(guī)范要求。

索道支架上的電氣設(shè)備分布如圖1所示，支架攝像頭安裝在索道支架的橫擔兩側(cè)，用來對支架兩端進行視頻信息采集，以確保索道運營安全；LED照明燈用于照亮索道支架上的工作區(qū)域，以便索道夜間運營和設(shè)備維護。太陽能板架設(shè)在支架橫擔之上，其面板應(yīng)調(diào)整至能最大汲取太陽光的方向。太陽能供電系統(tǒng)控制器及其附屬設(shè)備，安裝在支架電氣箱內(nèi)；太陽能充電用的蓄電池組置于電池箱之中。

圖1 索道支架電氣設(shè)備分布圖

2 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

太陽能供電控制系統(tǒng)接線圖如圖2所示，主控制器（PLC）是整個控制系統(tǒng)的核心，分別連接太陽能板和蓄電池組，通過PWM脈沖調(diào)節(jié)太陽能板對充電電池的能量輸入，控制太陽能充電的進程和節(jié)奏，將電能儲存到蓄電池組中去。同時通過PLC的輸出端口，直接驅(qū)動支架攝像頭、LED照明燈和光纖收發(fā)器（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）等外部設(shè)施，為其提供電源的同時，可以管理其開閉狀態(tài)，實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)功能。

圖2 太陽能供電系統(tǒng)接線圖

主控制器留有以太網(wǎng)口，可以通過以太網(wǎng)連接至系統(tǒng)局域網(wǎng)，與位于索道站房的人機界面交互數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對支架電氣設(shè)備以及供電狀況的遠程監(jiān)視和控制。同時預(yù)留了一個RS485通訊口，方便工程人員對設(shè)備下載程序和調(diào)試。

2.2 主控制器設(shè)計

主控制器（PLC）是整個太陽能供電系統(tǒng)的核心，而CPU是主控制器的核心部件。由CPU通過數(shù)字量輸入電路，采集例如支架攝像頭狀態(tài)、LED照明燈狀態(tài)等數(shù)字量輸入信號；通過太陽能充電調(diào)節(jié)器電路采集蓄電池電壓和太陽能電池的供電電壓（即太陽能板電壓）。將這些采集到的輸入信號經(jīng)由 CPU運算決策后，再通過數(shù)字量輸出電路去控制支架攝像頭、LED照明燈的開啟和關(guān)閉；并作用于太陽能充電調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)其充電閥門，控制太陽能電池給蓄電池充電的過程和節(jié)奏[2]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主控制器（PLC）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)需要具備通訊功能將所有采集到的信息，如蓄電池的剩余電量、充電電流、數(shù)字量開關(guān)狀態(tài)等實時地傳送給控制室的監(jiān)控界面，以便操作人員了解設(shè)備運轉(zhuǎn)情況；并可以通過數(shù)字量輸出遠程控制支架攝像頭、LED燈的開啟和關(guān)閉。本系統(tǒng)設(shè)計了以太網(wǎng)通訊電路，以便PLC可以連接到以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠距離與控制中心的實時通訊。

當以太網(wǎng)通訊由于現(xiàn)場條件限制，例如對于某些特殊線路的索道或者老舊索道改造無法實施時，就需要通過無線通訊的方式來建立支架與主控站之間的聯(lián)系。因此PLC系統(tǒng)內(nèi)集成了無線通訊電路，通過無線網(wǎng)絡(luò)，遠程訪問控制中心。

當使用方有除支架監(jiān)控和照明以外的其他應(yīng)用需求時，PLC系統(tǒng)本身的輸入輸出點位和類型有可能滿足不了使用方需求，這時可以通過擴展接口，連接擴展模塊，來完成功能需求的增加。從而將整個支架的所有控制需求全部整合到主控制器中，再統(tǒng)一與主控站交互信息，從根本上解決支架供電和支架通訊的兩大核心問題。其中支架供電的核心問題主要是通過CPU的程序控制太陽能充電調(diào)節(jié)器來執(zhí)行的。

3 太陽能充電調(diào)節(jié)器電路設(shè)計

在PLC的內(nèi)部電路中，太陽能充電調(diào)節(jié)器是系統(tǒng)供電的主要執(zhí)行部分。如圖4所示，來自控制設(shè)備（CPU）的PWM輸出加到T1的基極，經(jīng)T1的集電極加到P溝道MOS管T2的柵極。MOS管T2就是連接太陽能電池和蓄電池的通道。R5為T1提供電流通路。當T1管基極加高電平時，T1導(dǎo)通，集電極電流在R5上的電壓降加到T2的柵源之間，使T2導(dǎo)通。反之，當T1管基極加低電平時，T1管截止，R5上無電壓降，T2管截止。D3是穩(wěn)壓管，其作用是鉗位T2的柵源電壓，保護T2不被擊穿。D2是續(xù)流二極管，L1是平波電感。D1的作用是防止在沒有陽光時電流反向。

圖4 充電電路設(shè)計

如果蓄電池在夜晚過量放電致使過放保護動作，蓄電池將不會對外供電。這時即使天亮后太陽能電池已經(jīng)能對外供電，但由于控制器已經(jīng)斷電發(fā)不出充電指令，系統(tǒng)會鎖死。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)置了由R1、R3、R4、D3、D4、D5、D6、T3、C1構(gòu)成了自動重啟電路。在蓄電池電壓正常情況下，C1被R4、D4充電至接近蓄電池電壓，這時晶閘管T3陰極由于電位較高，T3承受零電壓（當T1斷開時）或反向電壓（當T1導(dǎo)通時），故晶閘管T3不導(dǎo)通，對電路沒有影響。在蓄電池不輸出的情況下，C1通過D6向負載放電，幾乎放凈。如果有太陽，太陽能電池有輸出且超過了穩(wěn)壓管D4的擊穿電壓與C1電壓的和，則晶閘管T3被加上正向電壓。隨著天亮后陽光強度持續(xù)上升，太陽電池的電壓越來越高，當由R1、R3分壓的電位較T3陰極電位高時，晶閘管T3被觸發(fā)導(dǎo)通，則MOS管T2導(dǎo)通，太陽能電池向蓄電池充電，控制器得電后啟動工作，C1電壓逐漸升高，晶閘管T3逐漸失去正向電壓，晶閘管T3關(guān)斷，啟動過程結(jié)束，進入正常工作狀態(tài)。

4 太陽能充電程序設(shè)計

由于太陽能本身是一種不均勻的時刻變化的能量輸入形式。在確認太陽能充足，充電電壓足夠時，才能打開充電閥門對電池充電，否則將關(guān)閉充電輸入，靜候太陽光充足時，再繼續(xù)充電過程。太陽能充足、電壓足夠，是指太陽能電池的電壓（即太陽能板吸收陽光后在太陽能板輸出端所產(chǎn)生的電壓）大于蓄電池電壓的狀態(tài)[3]。同時，蓄電池的充放電過程不宜過度頻繁，折損電池壽命。因此，系統(tǒng)設(shè)定電池電量＜90%時啟動充電，充滿后自動停止充電。當電壓再度低于90%時又重新啟動充電過程。充電控制流程如圖5所示。

圖5 太陽能充電控制流程圖

充電過程分為快充和慢充兩個過程，當電量低于90%時，充電處于快充模式，此時將按最大電流調(diào)節(jié)對電池進行充電，在預(yù)先設(shè)定的安全閾值內(nèi)，太陽光能夠提供多大的充電電流，就使用多大的電流進行充電，目的是在電池電量明顯不足時，快速地對電池進行充電，提高充電效率。

而當蓄電池電量增加至介于90%～100%之間時，采用慢充，即涓流充電，此時采用的是PWM恒壓調(diào)節(jié)充電，PWM恒壓調(diào)節(jié)是指通過脈寬調(diào)制方法（PWM）調(diào)節(jié)太陽能電池的輸出電壓恒定在蓄電池充電允許的最大電壓上[4]，從而調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在涓流充電狀態(tài)，緩慢地對電池充電。已達到在電池電量接近充滿時，精準控制充電過程，避免過充，保障充電安全的效果。

5 太陽能板安裝角度測算

太陽能供電系統(tǒng)靠吸收太陽光來汲取能量，為了最大程度地獲取太陽能，太陽能板的角度調(diào)節(jié)就顯得尤為重要[5]。通常情況下，在正午稍后的時段會迎來太陽輻射能量的峰值時刻。因此，根據(jù)我國的總體地理位置，將太陽能的安裝角度調(diào)節(jié)為南偏西15°為最佳位置。但是在索道支架上安裝太陽能板時，需要辨別方向。

圖6 坐標位置

索道線路的特性是上下站房之間的線路是一條直線，線路中所有的支架橫擔的朝向都是一致的，垂直于索道線路的方向。因此只要能測算出索道線路的方向，就可以獲得支架橫擔的方向。從而在支架橫擔上安裝太陽能板時，根據(jù)計算結(jié)果錯開相應(yīng)的角度，即可獲得最佳安裝位置。為了解決這一問題，首先要弄清楚索道線路的方向，利用定位設(shè)備可以分別獲得索道上下站房的定位信息，即經(jīng)緯度信息坐標。上下站房之間的連線，即為索道線路的方向。

將地球置于坐標系X、Y、Z中，球心在原點上。

地球表面有一點P，坐標為(x，y，z)，其經(jīng)緯度分別為α和β。顯然有

若P點移動一段位移ds，則

由于只考慮計算水平距離和水平方位，故可認為R不變，可得到

分別平方

可得位移ds被分解成沿東西方向的分量Rcosβdα和沿南北方向的分量Rdβ。

式中：α、β分別是經(jīng)度和緯度，dα、dβ分別是經(jīng)度和緯度的變化量。

假設(shè)經(jīng)過測量得到的索道下站的經(jīng)緯度分別為α1和β1，索道上站的經(jīng)緯度分別為α2和β2。把下站作為基點，上站的位置看做是位移，則ds為上、下站之間的距離，而dα=α2-α1、dβ=β2-β1。則此時兩站之間連線與東方之間的夾角

至此，即可得出索道線路的方向角度，在安裝索道太陽能設(shè)備時，為了獲得南偏西15°的安裝效果，實際安裝太陽能板的方向（即太陽能板正面汲取太陽光的方向）與支架橫擔之間的夾角

安裝時與支架橫擔順時針錯開θ角度，即可獲得想要的最佳安裝位置。

6 結(jié)語

本文提出的基于太陽能供電原理的索道支架供電系統(tǒng)，能夠遵守支架供電不得超過36 V的索道檢驗規(guī)則，節(jié)約了在索道線路上施放電纜的成本。該系統(tǒng)不僅能有效地為支架上的監(jiān)控設(shè)備和照明設(shè)備提供電源，還能夠利用通訊技術(shù)將遠端支架上的設(shè)備狀態(tài)實時回傳，便于管理人員掌控索道信息。在設(shè)計上考慮了不同地域，不同時段，不同陽光射入條件下的應(yīng)用場景，同時兼顧電池的使用壽命及太陽能板安裝角度確定，達到系統(tǒng)效果最優(yōu)化。該設(shè)計已經(jīng)在多個景區(qū)及滑雪場的索道設(shè)備上得到應(yīng)用，結(jié)果表明，該方案有效地解決了索道支架上的供電問題。