1 应用研究的背景 高速公路全程监控在保障高速行车安全、畅通方面发挥着极其重要的作用，而监控设施首先要解决的是设备供电问题。常规的供电方式是通过敷设电缆就近从隧道的监控电源接入，如果监控设施距离电力接入点超过1km以上时，采用加大电缆截面积进实施远距离敷设的方法，既不科学，也不经济。 位于泉三高速泉州段长下坡路段制动车道、互通连接线的外场监控设施，因远离电力接入点，监控设施的供电方式成为设计阶段的难题。为此，必须着力于向可再生的绿色环保能源要电力的应用研究，从而实现在任意路段解决监控设施供电难的问题。
1 应用研究的背景
高速公路全程监控在保障高速行车安全、畅通方面发挥着极其重要的作用，而监控设施首先要解决的是设备供电问题。常规的供电方式是通过敷设电缆就近从隧道的监控电源接入，如果监控设施距离电力接入点超过1km以上时，采用加大电缆截面积进实施远距离敷设的方法，既不科学，也不经济。
位于泉三高速泉州段长下坡路段制动车道、互通连接线的外场监控设施，因远离电力接入点，监控设施的供电方式成为设计阶段的难题。为此，必须着力于向可再生的绿色环保能源要电力的应用研究，从而实现在任意路段解决监控设施供电难的问题。
本项目位于泉州永春山区，根据历史气象数据以及现场勘察结果，当地的风力资源相对匮乏，不宜采用风力发电系统，决定采用太阳能光伏发电系统向外场监控设施供电。
2太阳能供电方案的设计思路
泉三高速公路泉州段由太阳能供电的监控设施由车辆检测器、摄象机、光端机、照明组成。监控地点位于泉三高速至德化连接线的三处紧急制动车道，桩号分别为：1#制动车道 LK0+150, 2#制动车道 LK2+600, 3#制动车道 LK5+000。
太阳能供电系统由太阳电池板阵列、汇流盒、太阳能充放电控制器、蓄电池组等构成。蓄电池作为太阳能系统的储能设备使太阳能系统阴雨天和夜间也能正常供电。充放电控制器作为太阳能系统的核心技术能够为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命，保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。汇流盒的作用是将若干组太阳能电池板产生的电流汇接，防止每组太阳能电池板在输出不平衡时发生电流倒贯现象。
由于太阳能供电系统输出的是直流电源，为了提高太阳能资源的利用率，在联合设计中，决定不使用转换效率低下的逆变器，要求所有的监控设备向厂家直接订购直流低压供电的负载，特别是高杆照明采用低压直流供电的LED路灯 。监控设备设计参数如表1所示。太阳能供电系统构成如图1所示。
表1 监控设备设计参数表
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负 载
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型 号
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电压(V)
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最大功耗（W)
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光端机
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OB9211D-B
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DC24
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6
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车检器
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Vdi-4P
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DC24
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5
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高杆灯
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LED路灯
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DC24
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75
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摄像机
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球机
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DC12
|
35
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3关键技术及解决方法
图1太阳能供电系统构成
3.1监控设备日耗电量
表2为经过实测得到负载工作电流，据此可以计算出制动车道监控设备的每日耗电量。
光端机:24V×0.433A×24H=249.408WH
车检器:24V×0.035A×24H=20.16WH
高杆灯:24V×3A×2H=144WH
摄像机:24V×0.42A×23.5H+24V×1A ×0.5H =248.88WH
每日耗电=249.408WH+20.16WH+144WH+248.88WH=662.448WH
表2 实测负载工作电流
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负载
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型号
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电流(A)
静态/关
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电流(A)
动态/开
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光端机
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OB9211D-B
|
0.433
|
0.433
|
|
车检器
|
Vdi-4P
|
0.035
|
0.23
|
|
高杆灯
|
LED路灯
|
0
|
3
|
|
摄像机
|
球机
|
0.42
|
1
|
3.2蓄电池配置
表3数据表明，泉州山区连续阴雨天数为7天左右，一年中最低温度为0℃。则避险车道蓄电池的容量Q为：
Q=A×QL× NL×To／Cc AH
=1．4×662.448WH／24V×7D ×1／0.7=386.428AH
式中，A——安全系数，取1．1～1．4之间；
QL——负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；
NL——最长连续阴雨天数；
To——温度修正系数，一般在0℃ 以上取1，一10℃ 以上取1.1，一l0℃ 以下取1.2；
Cc——蓄电池放电深度，取0.7。
根据计算结果，采用4个单体为12V／100AH的蓄电池，每组2个串联，2组并联，形成24V／400AH。
3.3太阳能板选配
由于实际日照强度及日照时间分布不均匀，需换算出日平均峰值日照时数。日平均峰值日照时数指的是每日平均太阳光辐射量换算成标准光强后的辐射时间。依据国家气象局几十年统计总结出的全国光强分布表（表3）找出泉州地区日平均峰值日照时数为3.5H。所需太阳能板的数量计算如下：
表3 全国光强分布表
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区域划分
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丰富区
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较丰富区
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可利用区
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贫乏区
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年总辐射量
千焦/厘米2年 |
≥580
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500~580
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420~500
|
≤420
|
|||||
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全年日
照时数
|
≥3000H
|
2400~3000H
|
1600~2400H
|
≤1600
|
|||||
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地域
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内蒙西部、新疆南部
甘肃西部、青藏高原 |
新疆北部、东北、内蒙东部、华北、陕北、宁夏、甘肃部分、青藏高原东侧、海南、台湾
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东北北端、内蒙呼盟、长江下游、两广、福建、贵州部分、云南、河南、陕西
|
重庆、川、贵、
桂、赣部分地区
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|||||
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特征
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日照时数≥3300小时
年日照百分率≥0.75 |
日照时数2600-3300小时
年日照百分率≥0.6~0.75 |
太阳能丰富区到贫乏区的过度带
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日照时数≤1800小时年日照百分率≤0.4建议不使用太阳能的地区
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|||||
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连续阴雨天
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2
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3
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7
|
5
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|||||
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总辐射量与日平均峰值日照时数间的对应关系
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|||||||||
|
年总辐射量千焦/厘米2年
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420
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460
|
500
|
540
|
580
|
620
|
660
|
700
|
740
|
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日平均峰值日照时数h
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3.19
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3.50
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3.82
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4.14
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4.46
|
4.78
|
5.10
|
5.42
|
5.75
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（1）单块太阳能板日发电量=峰值功率×日平均峰值日照时数×综合充电效率×损耗=120Wp ×3.5H ×0．7× 0.9=264.6WH
（2）日耗电量=662.448WH
（3）需要太阳能板的数量=日耗电量／单块太阳能板日发电量=662.448WH／264.6WH=2.5≈3块。
根据计算，可按照表4所示，采用转换效率最高的单晶太阳能电池板作为制动车道太阳能电池方阵基本单元。
将3块单晶太阳能电池板并联，并在每条并联电路上串接防反充二极管。防反充二极管的作用是，当多块太阳能电池板表面污染程度不同的时候，特别示其中的的某一块落上鸟粪、树叶等杂物时，将导致多块电池板输出不平衡，电压高的将向电压低的电池板倒贯电流，使得光伏转换效率降低而采取的防止倒充电的技术措施。
表4 单晶太阳能电池板
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㎜㎝
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LX-120
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开路电压(Voc)
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42.6 V
|
|
最佳工作电压(Vmp)
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34.5 V
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短路电流(Isc)
|
3.8 A
|
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最佳工作电流(Imp)
|
3.47 A
|
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峰值功率(Pm)
|
120Wp
|
STC 标准测试条件: 1000W/㎡, 25℃, AM1.5
为了兼顾接收太阳辐射量的提高和全年各月辐射的均匀性的改善，太阳能电池板选取适当的仰角与方位角，以确保光电转换的最大效率。根据泉州经纬度为 118:37E 24:54N，设定仰角为30o，朝向为正南。
3.4太阳能充电控制器
选用SBC-7200系列光电(PV)充电控制器。 其根据电池类型及充电的实际情况，从PV面板提供快速、最佳的充电电压及电流。自带的LCD显示屏，可显示今天及前两天的充电安时容量，解决了一般的太阳能充电控制器有无法记录系统实际充放电量的问题。阈值调控功能可通过程序控制智能化
的调节充放电阈值来实现系统的长期稳定工作。
4运行情况
按照以上方法设计出来的太阳能监控系统，已在泉三高速制动车道投入运行，经过现场实测，该太阳能供电系统能够满足制动车道监控系统的供电，测试结果以及充放电控制器记录数据，如表5所示。
表5 现场实测以及充放电控制器记录数据
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测量时间
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18：12
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充电控制器显示
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太阳能控制器指示灯状态
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绿灯
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电池电压（BATT VOLT) V
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25.9
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太阳能板电压(PV VOLT) V
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10.3
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太阳能板充电电流(PV CURR) A
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0
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今天充电量(TOD PV_AH) AH
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32.2
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昨天充电量(L1D PV_AH) AH
|
32.3
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前天充电量(L2D PV_AH) AH
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9.5（雨）
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实测
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电池电压 V
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25.74
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太阳能板电压 V
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8.67
|
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太阳能板开路电压 V
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32.13
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充电控制器 负载端电压 V
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25.52
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负载电流
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光端机 A
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0.428
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摄像机 A
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0.43
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照明 A
|
3
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6体会
本文针对高速公路全程监控摄像机现有供电方式的缺陷，结合泉三高速公路泉州段制动车道太阳能监控系统，介绍了高速公路监控系统的太阳能供电方案，解决了外场设备供电难的问题。然而就像其他所有供电方式一样，太阳能供电系统也存在许多的不足：
（1）高速公路沿线所设监控位置的全天日光照射情况，由于系统的主要能源为太阳光，所以必须考虑日光的照射时间，这点在南方高速路段及山区路段尤其突出，而北方及大西北地区则不是主要的考虑问题。
（2）当高速公路路段出现连续阴雨天气，系统最多能供电若干天。如果电池放电不能维持监控设备工作足够长的时间，那么在雨季里监控系统将会处于瘫痪状态。
（3）太阳能电池的转化率较低。目前太阳能电池供电的转化率只有20％左右，也就是说，如果在1m 面积上铺满了硅太阳能电池的话，可以得到100～200瓦的电力，要满足监控设备连续的长时间运行，这些显然是不够的。
上述问题有待进一步研究解决
。
