国省道干线公路监控外场设施太阳能供电方案设计

第10期
2020年5月No.10May，2020
1 外场监控设施常见的电力电缆供电方案
目前，江苏省多条国省道干线公路建设建成了数字化公路系统，通过信息化技术手段，实现了加强道路实时监控、提高路网调度能力、保证干线公路安全畅通的建设目标。

其中，交通信息采集子系统在道路的安全运营上发挥着极其重要的作用，相应的监控外场设施，特别是车辆检测器、监控摄像机、气象检测器等沿道路全线布设，用来采集交通基础设施的信息、路段交通流信息、外部环境信息、各类交通事故事件信息等，以便及时做出处理。

外场监控设施常见的电力电缆供电方案有以下几种：
（1）集中低压供电方案。

沿路由房建区供电设施线敷设低压供电电缆至外场监控设施，电压等级AC220/380 V 。

为减少电力传输的损耗，当距离较远时，常采用升、降压传输方式，但需设置升、降压变压器，成本较高。

（2）分布中压供电方案。

采用10 kV 供电线路，沿线在负荷集中点设置变压器。

但工程造价较高，主要用于特大型桥梁及长隧道等沿线用电设备分布密集的场合，施工难度较大。

（3）低压外线引电方案。

在沿线有低压外线供电条件的地方，直接由当地供电部门引入AC220/380 V 外线，但供电的可靠性与当地电网有关，需要进行计量。

2 太阳能供电原理
利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转化成电能的技术。

太阳能供电装置由太阳能电池板、控制器、蓄电池组、逆变装置（如有）等组成，如图1所示，实现将太阳能直接转化成电能。

在全国大部分地区都能应用，具有可靠性高、安装方便、维护简便、无污染的优点。

（1）太阳能电池板：一般由电池片、组件边框、钢化玻璃、封装材料以及接线盒等组成。

作用是将太阳辐射能量直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用，是太阳能发电系统中最重要的部件之一，转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。

太阳电池板可组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳能电池阵列，功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。

图1 太阳能供电系统构成
（2）控制器：在整个太阳能发电系统中起着重要作用，扮演着系统管理和组织核心的角色。

控制器能够为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗；同时，保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

控制器记录及显示系统各种重要数据，如充电电流、电压等，并提供通信接口，便于实现远程控制和现场控制。

（3）蓄电池组：将太阳能电池板发出的直流电能贮藏起来，供负载使用。

在太阳能发电系统中，蓄电池处于浮充放电状。

白天太阳能电池方阵给负载供电，同时，电池方阵还给蓄电池充电；晚上或阴雨天负载用电全部由蓄电池供给。

蓄电池主要分为胶体免维护蓄电池、铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池等种类。

（4）逆变器：按激励方式可分为自激式振荡逆变器和它激式振荡逆变器。

由于太阳能电池的直接输出是直流电，为能向使用交流电的设备提供电能，应将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此，需要使用DC-AC 逆变器。

有时还要根据设备工作电压的需要，采用变压器进行升降压。

作者简介：成晟（1976— ），男，江苏南京人，院长，工程师，学士；研究方向：智能交通。

摘 要：目前，江苏省多条国省道干线公路建设建成了数字化公路系统，通过信息化技术手段，实现了加强道路实时监控。

针对国省道干线公路监控外场设施远程供电困难的问题，结合环保、节能的原则，文章设计了监控外场设施太阳能供电系统，详细介绍了太阳能供电设计方案。

关键词：国省道干线公路；监控外场设施；太阳能；供电国省道干线公路监控外场设施太阳能供电方案设计
成 晟
（江苏先行交通科技有限公司，江苏 南京 210000）
无线互联科技
Wireless Internet Technology
第10期2020年5月
No.10May，2020
3 监控外场设备太阳能供电系统设计
国省道干线公路由太阳能供电的监控外场设施通常由超声波车辆检测器、摄像机、视频编码器（或者光端机）、串口服务器等组成。

由于太阳能电池输出的是直流电，为了提高太阳能供电系统资源利用率，建议不使用转换效率低下的逆变器，直接采用直流+24 V 供电的负载。

3.1 监控外场设备日耗电量的确定
确定太阳能发电功率及配置的前提是确定监控外场设备（负载）的功率及耗电量。

通过计算或实验检测可以确定监控外场设备的总功率W 2，设备每天平均工作时间总和为h 小时。

监控外场设备日耗电量为：
h
W P z z ×=若监控外场设备的工作电压为+24 V ，则设备日耗电容
量为：
AH ）
3.2 蓄电池组容量设计
蓄电池的容量对保证系统连续供电是极其重要的。

太阳能电池阵列每日所发电量除供设备消耗外，还要多发出一部分电量存储到蓄电池内以备夜间及阴雨天使用。

蓄电池的容量Q 计算公式为：
C
N Q A Q L Z τ
×××=
式中，A 代表安全系数，取值为1.1～1.4之间；
N L 代表最长连续阴雨天数；τ代表温度修正系数，一般在0 ℃以上取1，
-10 ℃以上取1.1，-10 ℃以下取1.2；
C 代表蓄电池放电深度，一般取0.7。

3.3 太阳能电池阵列设计
由于日照强度及日照时间分布不均匀，需换算出安装地点标准光下的平均日辐射数H ：
h
H H t 1000778
.2×=
（h ）
式中，H t 为安装地点的日辐射量，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。

可依据《全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量表》数据，单位为KJ/m 2·天。

太阳能电池日发电量Q P ：
（AH ）
式中，I OC 代表太阳能电池最佳工作电流，典型值为6.86 A ；
K OP 代表斜面修正系数，一般取1.067 1；C Z 表修正系数，主要为组合、充电等衰减，取0.8。

太阳能电池板并联数量N 1
：
太阳能电池板串联数量N 2由系统电压（12 V 或24 V ）确定。

3.4 系统运行监测
系统需设置运行监测设备，采集控制器与蓄电池工作参数数据，经通信接口传输至监控分中心的管理工作站，通过软件分析电池及控制器的工作状态，出现异常状况时，及时报警，采取相应措施。

4 结语
本文根据国省道干线公路数字化改造项目中监控外场设施供电的特点，介绍了监控外场设施的太阳能供电方案，给出了太阳能供电的一般设计原则。

由于太阳能供电方式受环境及设备质量影响较大，在实际工程设计中，应结合实际情况，依照本文给出的设计原则，充分考虑上述因素影响进行设计。

Design of solar power supply scheme for monitoring outfield
facilities of national and provincial trunk highways
Cheng Sheng
（Jiangsu First Traffic Technology Co., Ltd., Nanjing 210000, China ）
Abstract：
At present, a number of national and provincial highways in Jiangsu province have been built into a digital highway system, in view of the difficulty of remote power supply for monitoring outfield facilities of national and provincial highways, combined with the principles of environmental protection and energy conservation, this paper designs a solar power supply system for monitoring outfield facilities, and introduces the design scheme of solar power supply in detail.
Key words：
national and provincial trunk highways; monitor outfield facilities; solar energy; power supply [参考文献]
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