交通工程 篓 ｉ 妻 ｌ 高速公路全程监控太阳能供电技术探讨 文／杜雅娟 太阳能供电系统与传统供电 系统的对 匕 当今社会，消费经济日益增长， 广大居民对电力的需求也越来越高。 竭的，是资源最丰富的可再生能源。 （警示）灯供电、草地灯供电、其他无 自利用太阳能发电不会造成空气污 法连线供电地点电器设备的供电等等。 染及生态环境的失衡 是一种绿色的可 再生能源。 。国家鼓励充分利用太阳能发电。 社会的发展促使太阳能供电系统在高速 公路机电系统中广泛应用。其中典型案 例就是太阳能紧急电话。在我国高速公 路机电系统项目建设初期，或许还没有 人能想到太阳能紧急电话如此大面积地 ２００５年夏天，我国拉闸限电波及２５省 市，出现前所未有的 电荒 。究其原 早在２００５年２月．我国就颁布实施了 因 主要在于煤电之间的矛盾。虽然我 国为原煤大国 但随着近年来的开采， 可再生能源法》，今年１月份的人大 会议也再次提到了要充分利用新能源的 应用在高速公路上。随着全程监视系统 在高速公路的发展．太阳能发电也将逐 步发展。 各个地方都产生过原煤供应紧张的状 议题，这些都表明了国家对新型能源利 况，同时依靠石油长期、稳定的供应也 是捉襟见肘。在这样一个能源供应矛盾 用的支持 太阳能供电系统主要应用于高速 太阳能发电系统安装简单．维护 方便，性价比高。在机电项目中，设 日益突出的形势之下，太阳能供电就更 公路监控系统、森林防火监控系统、微 加突出了它的优点。 口太阳能资源是取之不尽、用之不 波中继系统供电、移动或者联通公路 备安装及布线的简单与复杂、后期维 中继发射接收系统供电．公路ＬＥＤ指示 护的方便与困难等问题也是很多业主 行速度进行验算．以确保道路通行能力 线形设计中．要避免小半径平曲线与竖 应满足车辆行驶要求。 和服务水平符合要求。 曲线的组合、直线与竖曲线的组合、小 半径平曲线与大纵坡的组合，这些都会 结束语 公路交通安全是一个涉及多因素 的动态系统工程，良好的道路几何线 横断面设计 响不如平面、纵面设计那么大，但是也 引起驾驶人员视觉的突变，是诱发交通 公路横断面设计对交通安全的影 安全事故的主要原因 因此，在平曲线 的组合中，尽量避免或少采用反向曲 形 平整坚固的路面结构．清晰易懂的 是设计中不容忽视的问题．横断面的布 线、断背曲线和复曲线。交通标志．合理有效的防护措施等都能 为驾驶员提供安全可靠的行车条件。虽 置应根据道路使用功能、交通量大小、 交通流的组成以及安全行车要求进行合 理设计，做到连续性和一致性。在桥 线形与桥隧的配合设计 对于行驶速度要求较高的公路． 然造成交通事故的原因是多方面的，并 非一定是几何设计不当造成的，但科学 完善的交通安全设计特别是加强几何设 梁、隧道与路基衔接路段．其宽度如果 除特殊结构的大桥外，均应符合路线总 与路基宽度不一致时，或人行道与护拦 体布设的要求．使桥头引道与路线的线 计等内容是减少交通事故、减轻旅客生 引起路面、路肩宽度发生变化时，或者 形连续、均衡，避免线形的突变而引发 命财产损失有效的手段。在交通事故成 跨线桥下车行道侧面的桥墩、桥台过 交通安全事故，桥头引道的纵坡不宜过 因中不单指人和车，公路的设计也有其 近，侧向余宽不够时．都会引起交通安 全事故 因此．在设计过程中 也应该 加以重视。 大，过大容易引起桥梁结构的安全。 成因．而这点我们往往忽略。本文根据 隧道、隧道洞口连接线与路线的 公路交通系统的各个方面对交通事故影 衔接应符合路线布设的总体要求．隧道 响的分析 对公路设计因素与交通安全 进出口前后是交通安全事故多发路段， 的关系进行了研究．希望能对改进公路 平纵横组合设计 因此，隧道进出口附近的平、纵面线形 设计、减少交通事故的发生率起到一定 在视觉上违背自然诱导的线形组 均应满足要求．进出口前后３Ｓ范围内 的指导作用。合是导致事故多发的主要原因 在平纵 的线形设计应保持一致．进出１３纵坡也 作者单位：邯郸市交通局公路勘察设计院 ：２０１１年第１４期｛ 月Ｔ 《交通世界》１４３ 交通工程 ＲＡＦＦＩＣ嚣 ｌ ￡茳 ｌ 接 市电／发电机 流 器 充放电控制器监控 太 阳 能 太阳能充放 电控制器 太目Ｉ能 电池陴别 逆 变 器 池 ’ 太Ｒｌ肯＆ ｌ乜池阵列Ｎ 兰１皇 竺 Ｌ－］ｌ 图１太阳能供电系统构成圈 图２太阳能供电方案 及承包商关注的问题．太阳能供电与 传统电缆供电相比，前者省去了很多 复杂的布线，在立柱上装载即可完成 简单的安装：对于后期的维护．也只 是对太阳能电池板进行清洁．对蓄电 池进行必要的更换。由于全程监控系 统布设的摄像机数量多．涉及的里程 比较长．采用传统直埋电缆的供电方 图 式，考虑到沿线电缆压降的因素，都 必须采用比较粗大的铜芯线缆 这样 显然也增加了很多成本。如果采用太 阳能供电，就省去了中间电缆及其敷 设的过程，具有很好的性价比。 随着我国高速公路建设里程的不 断增加．高速公路机电项目的精度要 求也是越来越高．全国很多高速公路 都相继设置了全程监控系统．实现交 通事件．事故自动检测报警和２４小时 动态录像。继连霍高速公路建成太阳 能全程监视系统之后 河南省信南高 速公路、山东济泽高速公路、河北保 沧高速公路等均已建成太阳能监控系 统。全程监控已经成为高速公路监控 发展的趋势．相应的监控设备特别是 监控摄像机沿道路全线布设．用来监 视各类交通事故事件 以便对交通量 及时做出处理．在高速公路的安全运 营上发挥着极其重要的作用。 太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统主要由以下 四部分组成：太阳能供电系统由太阳电 池方阵、充放电控制器、逆变器、蓄电 池组等构成（如图１）。 太阳能电池阵列即太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能光伏发电 系统中的核心部分．它的主要作用就是 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，从而推 动负载工作。其转换率和使用寿命是决 定太阳能电池是否具有使用价值。太阳 能电池分为单晶硅太阳电池、多晶硅太 阳电池、非晶硅太阳能电池。由于单晶 硅电池比其他两类坚固耐用、使用寿命 长（一般可达２０年）、具有光电转换 效率高等特点．致使它成为最常用的电 池。太阳电池板可组成各种大小不同的 太阳能电池方阵．亦称太阳能电池阵 列。太阳能电池板的功率输出能力与其 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。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。 太阳能充放电控制器 充放电控制器主要由专用处理 器、电子元件、显示器、开关功率管等 组成。它的主要工作就是控制整个系统的状态，同时对蓄电池的过充电、过放 电起保护作用。在温度特别低的地方． 它还具有温度补偿功能。 在太阳能发电系统中．充放电控 制器在整个系统中起着重要的作用．扮 演着系统管理和组织核心的角色。太阳 能充放电控制器能够为蓄电池提供最佳 蓄电池监测及应急充电 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 同 时保护蓄电池．避免过充电和过放电现 象的发生。充放电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Ｅｌ，便于实现远端控 制和近端控制。 蓄电池组 蓄电池组是独立太阳能供电系统 不可缺少的重要部件。顾名思义就是蓄 电的．它主要储存由太阳能电池板转化 过来的电能，一般为铅酸电池．可以多 次循环使用。蓄电池组将太阳能电池方 阵发出的直流电贮能起来 供负载使 用。在太阳能发电系统中．蓄电池处于 充放电状态。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。蓄电池的种类主要有铅酸免维 护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉 蓄电池等种类。 逆变器 在全程监控系统中，有的设备需 要提供２２ＯＶ的交流电源，而太阳能的 直接输出一般为１２ＶＤＣ、２４ＶＤＯ、 ４８ＶＤＣ。所以为了能给２２ＯＶＡＣ的设备 提供电源 系统中就必须增加ＤＣ＼ＡＣ逆 变器，将太阳能光伏发电系统中产生的 直流电能转化为交流电能。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．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。 当出现长期阴雨天 蓄电池电能 消耗较大，不能够向设备正常供电时． 蓄电池监测设备将发出报警信号．提示 需要采用市电或发电机进行应急充电。 同时．蓄电池监控设备还能够对蓄电池 郑州至洛阳段（９０公里）全程监控系 极其重要的太阳能方阵每日所发电量除 运行状况进行监控，出现问题及时报 统外场摄像机全部采用太阳能光伏发 供设备消耗外，还要多发出一部分电量 警。目前高速公路监控摄像机工作电压 主要有以下几种：２２０ｖＡＣ．２４ＶＡＣ， ２４ＶＤＣ，电系统进行供电．如此大规模地使用 （裕量）存储到蓄电池内以备夜间及阴 太阳能电力实时路况监控系统，不仅 雨天使用。 蓄电池的容量Ｑ 计算公式为 ＱＢ＝Ｙ ＸＱＬ×ＮＲ Ｘ Ｔ／Ｃ（ＡＨ） １２ＶＤＣ。为了体现设计的通 在河南是第一次，在全国也是史无前 用性，本文采用２４ＶＡＣ监控摄像机，设 例的，开创了国内大规模太阳能外场 计如图２的太阳能供电方案。 供电实施路况监控的先河。这种供电 方式的主要特点就是它的能源全部来 （式中：Ｙ一安全系数．取１ １～１ ４之间 Ｔ一最长连续阴雨天 全程监控的供电方案 自太阳能，无需传统繁杂的布线，并 数；Ｔ一温度修正系数 一般在０。Ｃ以 在全程监控中，由于部分监控摄 像机距离配电场所较远，这就要求机电 系统承包商和业主考虑设备供电方案。 目前，远距离为外场监控摄像机提供电 源常用方法有以下几种： 采用光电混合缆的供电方案。在 监控系统中 沿线采用比较传统的直埋 电缆的供电方式来支持监视设备的运 转。这种方案需采用１０ＫＶ高压供电．且 需要在中央分隔带设置变压器 这就增 加了施工过程中的难度。 。中压电能传输方案。这种供电方 式可以克服低压系统由于距离远而带 来的压降损失问题，但是由于沿线监 控摄像机的负荷较小 且位置较为分 散，施工时不但要设置变压器和敷设 电力电缆，还要采取必要的措施确保 防雷接地的电阻值满足有关标准及规 范的要求 整体工程造价较高．且施 工难度较大。 。升降压调压方案。由于收费站或 服务区距远端的摄像机距离较长．电 力传输的损耗超出了摄像机正常工作 允许的范围．且升降压变压器属于非 标产品。需找生产厂家定做 产品成 本较高。 鉴于以上监控系统供电方案存 在的不足，本文介绍采用太阳能发电 解决高速公路监控摄像机供电方案。 采用太阳能发电无需架设电力线缆， 操作简单。并且太阳能供电是一种既 不消资源又无污染排放的清洁能源． 使用寿命长、性能稳定、维护费用较 低。２００５年１ １月 河南连霍高速公路 且系统无污染、维护简便、使用寿命 长、能源丰富。 ＠监控设备功率及日耗电量的确 定。确定太阳能发电功率及配置的前提 是确定监控摄像机（负载）的功率及耗 电量通过计算或实验检测手段可以确定 监控摄像机的总功率Ｗ ．Ｗ 由两部分 组成（１）摄像机、镜头、解码器、光 端机等全天２４ＪＪ＼ｌｔ￣，Ｔ＿＿作设备的功率之和 Ｗ ． （２）云台、雨刷 加热／除湿、 降温等设备的功率之ｇｎＷ 。这些设备每 天平均工作时间总和为Ｎ 小时。 由上面确定结果可计算监控设备 日耗电量ＰＬ＝Ｗ１ｘ２４＋Ｗ２×Ｎ２（ｗＨ） 若监控设备的工作电压为ＵＬ。则 设备日耗电容量Ｑ ＝Ｐ ／ＵＬ（ＡＨ） 。太阳能电池方阵设计 根据监控设备日耗电计算太阳能 电池板数量。拟采用单组电压为ｕ。，功 率为ｗＳ的太阳能电池板。 计算太阳能电池板数量。单块太 阳能板日发电量Ｐｓ＝Ｗｓ Ｘ Ｔｓ ｎ Ｘ （１一入） （ＷＨ）。其中Ｔｓ一太阳能电 池板充电时间 ｎ一综合充电效率， 充电过程中损耗比率。考虑逆变器 和变压器总效率为 ，则实际需要发电 量Ｐ＝Ｐ。／ （ＷＨ）。若太阳能发电裕 量比率为１３，则需要太阳能电池板数量 Ｎ：Ｐ （１＋１３）／Ｐｓ故太阳能电池方阵 总功率Ｗ＝Ｎ Ｘ Ｗ。（Ｗ），电池板并联块 数为Ｎ。＝ＵＬ／ＵＧ电池板串联块数为虬； Ｎｓ＝Ｎ／ＮＰ 自蓄电池组容量设计 蓄电池的容量对保证连续供电是 上取１，一１０。Ｃ以上取１．．，一１０。Ｃ以下取 １．２；Ｃ一蓄电池放电深度。 ０充放电控制器的设计 （１）充放电控制器工作电压不低 于系统工作电压 Ｕｃ ＵＬ（Ｗ）Ｕｃ Ｕｓ Ｘ ＵＧ（Ａ） （２）最大充电电流不小于太阳能 电池充电电流，最大放电电流不小于向 负载供电电流 Ｉｃｌ－＞－ＷＧ×ＮＰ／ＵＧ（Ａ）ｌｃ２ ＷＬ， ＵＬ （Ａ） 。逆变器．变压器的设计 逆变器功率：ＷＡ＝ＫＡ×ＷＬ（Ｗ） ＫＡ一比例系数，ＫＡ＞１。 变压器功率：ＷＴ＝ＫＴ ＸＷｌ（Ｗ） Ｋ 比例系数 ＫＴ＞１。 ＠充放电控制器监控及蓄电池监测 设置可监测Ｎ块蓄电池的监测仪． 采集蓄电池工作参数，与充放电控制器 运行数据一起传输至监控分中心的太阳 能供电管理设备，通过软件分析（电池 及控制器的工作状态），出现异常，及 时报警，采取相应措施。 结束语 本文根据高速公路全程监控摄像 机现有供电方式的缺陷，介绍了监控摄 像机的太阳能供电方案，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。 作者单位：唐山市唐港高速公路管理处 ２０１１年第１４期ｌ７月Ｔ）《交通世界》１４５