光伏发电在高速公路中的技术探析_谢维.pdf

第 ５８卷 第 １期 ２０２２年 １月 石 油 化 工 自 动 化 ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮ ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｖｏｌ．５８ ， Ｎｏ．１ Ｊａｎ ， ２０２２ 稿件收到日期 ：２０２１ ０７ １９ ，修改稿收到日期 ： ２０２１ １１ ０４ 。 基金项目 ：中央高校基本科研业务费专项项目 （ＺＹ２０２１０３１３）。 作者简介 ：谢维 （１９７１—），男 ，２０１７年毕业于北京工业大学控制科 学与工程专业 ，获博士学位 ，现就职于防灾科技学院 ，主要研究方 向为智能控制 、信息处理 、新能源发电 ，任教授 。 光伏发电在高速公路中的技术探析 谢维 ，蔡建羡 ，李立新 ，陈逊 ，于江 ，郭丽丽 （防灾科技学院 电子科学与控制工程学院 ，河北 燕郊 ０６５２０１ ） 摘要 ：高速公路外场监视系统采取传统供电形式 ，受供电距离 、地形 、成本等影响较大 ，进而给项目后期运行维护带来诸多不 便因素 。探讨了高速公路的外场监视系统实际运用中的需求 ，提出了采取光伏太阳能供电形式的可行性方案 。介绍了光伏太 阳能发电系统的构成及性能 ，并对项目设计中所要配备实际负荷的光伏太阳能电池方阵和蓄电池的容量大小进行分析阐述 。 通过长时期实际检测 ，该设计方案具有可靠 、高效 、可行性 。 关键词 ：光伏发电系统 ；太阳能 ；监控设备 ；高速公路 中图分类号 ：ＴＰ２７３；ＴＭ６１５ 文献标志码 ：Ｂ 文章编号 ：１００７ ７３２４ （ ２０２２ ） ０１ ００９０ ０３ 伴随中国经济的不断增长 ，公路建设也在快 速发展 ，道路服务水准与高速公路长度迈上一个 新阶梯 ，高速公路机电工程建设的标准也愈来愈 高 。完备的外场视频监视系统能够全过程监视高 速公路 ，完成交通事件自动报警监测与 ２４ｈ 监视 录影 ，给公路管理员实时察觉与处理交通肇事 ，高 效疏解交通提供重要援手 。外场监视系统一般采 取两种供电形式 ：一种是采取传统供电电缆的形 式 ，直接铺设电缆从就近的收费亭配电间起始给 监控点供应市电 ；另一种采取独立光伏电站或风 电光电互补结合的形式完成供电 ［１］ 。 传统的外场监控设备受到距离 、地形 、地域等 方面的影响 ，必须使用比较粗大的铜芯线缆长距 离输电来降低电压衰减 ，如此必将导致建设费用 过高 ，同时运营期间也因电缆经常被盗造成经济 损失和运营管理的不便 ［２］ 。而且传统电缆供电方 式电缆距离较长 ，容易受感应雷的影响 ，系统中需 要连接较完善的避雷设备 ，但受雷电影响的概率 仍较高 。 而光伏发电主要优点是能源全来自于太阳 能 ，和传统的电缆供电方式比较 ，避免了中间电缆 和敷设工程 ，还降低了被雷击影响的概率 ，而且避 免了输送电缆被盗窃 。当市电供电点距监控点之 间的距离愈长 ，那么建造成本的节约优势愈明显 。 同时 ，采用光伏发电的施工以及维护比较方便 ，不 受地形的差异 、位置的远近 、及跨线桥的影响 ，主 设备器 件 的 工 作 年 限 长 ，后期的维保服务比较 方便 ［３］ 。 １ 公路光伏监控系统的组成 本文介绍的光伏发电监控系统主要由太阳能 电池板 、蓄电池组 、光伏控制器和负载 （监控摄像 机系统 ）组成 。 太阳能电池板将太阳能转换为电能 ，然后由 光伏控制器经 ＤＣ ／ ＤＣ 组件变换后将电能存储至 蓄电池并为监控摄像机供电 。 １．１ 太阳能电池板 太阳能电池板是光伏发电系统的核心部件 ， 其性能的好坏直接影响光伏发电系统的可靠性与 供电效率 ，该系统采取的光伏电池板利用优质的 单晶硅片 ，具有工作寿命长 、变换效率高及可靠性 好的优点 。按照工程提出的对光伏电池组件参数 的需求 ，该系统设计拟采取 １４０Ｗ 共 ４ 块单晶硅 光伏电池组件并联连接 ，详细参数见表 １ 所列 。 表 １ 光伏电池板技术参数 组件参数 数 值 组件功率 ／Ｗ ｐ １４０ 功率误差 ，％ ±３ 转换效率 ，％ １５．７ 电池片规格 单晶 １２５ 电池片数量 ／个 ７２ 工作电压 ／Ｖ ２４．２ 工作电流 ／Ａ ５．８５ 短路电流 ／Ａ ７．１ 开路电压 ／Ｖ ２８．８ 温度系数 ，％ －０．３８ 光强系数 ／（Ｗ·ｍ －２ ） １ ０００ 外形尺寸 ／ｍｍ １ １１０×９９５×４０ 质量 ／ｋ ｇ １５．８ １．２ 光伏控制器 光伏控制器功能主要有 ：光电转换 、蓄电池充 放电防护与温度的补偿 、电源管理 、脉冲节能供 电 、 ＬＥＤ 驱动技术 、系统软件与液晶显示操作 。 光伏控制器为光伏发电储能设备实行充 ／放 电的管理 ，光伏方阵所发的直流电通过控制器为 储能设备充电 ，在储能设备还没充满前 ，控制器的 功能为最大程度向它充电 。而当储能设备被充满 电后 ，控制器断开充电电路 ，使储能设备处于停充 状况 。在储能设备放电接近于过放电压后 ，控制 器会发出储能设备电量不足的报警而且断开放电 回路 ，来保护储能设备及光伏发电系统 。光伏控 制器的核心技术为智能型充电 ＭＰＰＴ 控制系统 ， 该控制系统主要功能包括 ［４］ ： １ ）过充防护 。在蓄电池已经充满后 ，控制器 可自动地转换到浮充模式给蓄电池充电 。过充防 护的电压既可以按照缺省的设定值 ，又可以通过 远程或者用掌上型控制面板来设定 。 ２ ）过放防护 。当蓄电池放电到过放电压后 ， 控制器可将负载断开 ，以保护蓄电池不受损坏 ，延 长蓄电池使用寿命 ，过放保护电压在设置默认值 的基础上 ，也可在手持式控制面板或远程设置 。 ３ ）蓄电池反接与短路防护 。在蓄电池反接或 者短路后 ，电流过大使控制器的熔丝自动熔断 ，从 而保护其他器件不被损坏 ，换上新熔丝后控制器 可继续运行 。 ４ ）防止反向充电 。由于使用 ＰＷＭ 的串联工 作方式 ，当出现光伏电池板电压比蓄电池电压低 后 ，保障蓄电池不会朝光伏电池板反向充电 。 ５ ）过载防护 。当负载输出电流比设定值大 时 ，控制器可以断开负载 ，故障消除后 ，控制器继 续运行 。 ６ ）温度补偿 。光伏控制器可设定放充电压 值 ，当电池温度不同时 ，供应商需按照电池的额定 电压来设定具有温度补偿功能的控制器 ，依据电 池的温度自动调整放充电压值 ，蓄电池的停止放 充电压也不同 。 当额定电压为 １２Ｖ 时 ，光伏控制器系统缺省 性能技术指标见表 ２ 所列 。每个参数都能经过远 程或者掌上型控制面板设置 。 表 ２ 光伏控制器缺省性能指标 控制器性能指标 数 值 充电 保护电压 ／Ｖ １４．４±０．１ 浮充电压 ／Ｖ １３．２～１３．６ 续表 ２ 控制器性能指标 数 值 恢复电压 ／Ｖ １３．０±０．１ 温度补偿 ／（ｍＶ·℃ －１ ） －１３．２ 过放 断开电压 ／Ｖ １０．８±０．１ 恢复电压 ／Ｖ １２．３±０．１ 过压 切断电压 ／Ｖ １６．５ 恢复电压 ／Ｖ １５．０ １．３ 蓄电池组设备 蓄电池组为光伏发电系统不可缺少的组成部 分 ，由于光伏发电系统只含光电转换的功能 ，受到 辐照度影响显著 ，所以输出不太稳定 。为解决光 伏供电储能的合理性与同步性 ，保证雨天及夜间 能正常发电 ，需要配置适当的蓄电池组 。蓄电池 容量应保障当地最长时间连续降雨天的发电量 。 ２ 公路光伏监控系统的设计 ２．１ 负载的负荷 该光伏发电系统涉及到的负载主要有 ：解码 器 、加热器 、摄像机 、光端机 、镜头 、云台等 。按照 每台设备负荷的情况能够估算出负载的负荷用电 量 。主要耗电设备为加热器 ，然后逐次为光端机 、 解码器 、云台 、摄像机及镜头 。由于光伏发电系统 提供的是直流电压 ，同时逆变器通常产生一些功 率的消耗 ，所以 ，为尽可能减少非负载的用电 ，从 而让光伏电池发出的电量得以最大限度的运用 ， 负荷设备当中解码器 、加热器 、摄像机 、光端机尽 可能选用直流 １２Ｖ 供电 ［５］ 。如果选用交流电 ，需 要增设逆变器 。 ２．２ 蓄电池的容量 系统总负载所需的蓄电池容量 Ｑ ｃ 计算如式 （ １ ）所示 ： Ｑ ｃ＝ Ａｎ Ｌ Ｑ Ｌ ｔ ｏ ／ Ｃ Ｃ （ １ ） 式中 ： Ａ ———安 全 系 数 ，在 １．１～１．４ 间 取 值 ； ｎ Ｌ ———连续降雨的最大天数 ； Ｑ Ｌ ———负载的日平 均用电量 ，即工作电流乘以日工作小时数 ， Ａ · ｈ ； ｔ ｏ ———温度修正常数 ，通常在 －１０℃ 以下是 １．２ ， －１０℃ 以上是 １．１ ， ０℃ 以上是 １ ； Ｃ Ｃ ———蓄电池的 放电深度 ，通常碱性镍镉蓄电池是 ０．８５ ，铅酸蓄电 池是 ０．７５ 。 依据监控设备的关键程度 ，该光伏发电系统 工作后备时间到达了 １５ｄ 。在安全系数取值 Ａ＝ １．１ ， ｔ ｏ ＝１．１ 时 ，通过运算得出 ，负载的日均耗电 １９ 第 １期 谢维等 ．光伏发电在高速公路中的技术探析 量 Ｑ Ｌ ＝３３Ａ · ｈ ，在供电电压为 １２Ｖ 时 ，每天设备 持续 工 作 ２４ｈ 的 情 形 下 ，折 算 得 设 备 功 率 是 １６．５Ｗ ，通常监视摄像机的功率约为 ３０Ｗ ，为保 障在 １５ｄ 降雨天气条件下能正常供电 ，蓄电池容 量按照 １ ４００Ａ · ｈ 左右设计 。 ２．３ 光伏电池阵列的功率 按照项目需求 ，光伏板的功率为 ５５５Ｗ ，光伏 板的开路电压不小于 ２３Ｖ ，光伏系统拟采取 ４ 组 １４０Ｗ 光伏组件并联 ， ２４Ｖ 开路电压连接 。按照 当地太阳的辐射角 ，把光伏电池组件安装最优倾 斜角设计为 ４１° 。 光伏电池阵列功率 Ｐ 的计算如式 （ ２ ）所示 ： Ｐ＝Ｐ ｏ ｎ ｐ ｎ ｓ＝ １４０×４×１＝５６０ （ Ｗ ） （ ２ ） 式中 ： Ｐ ｏ ———光 伏 电 池 组 件 额 定 功 率 ，该 系 统 Ｐ ｏ ＝１４０Ｗ ； ｎ ｐ ———光伏电池组件的并联数 ，该系 统 ｎ ｐ ＝４ ； ｎ ｓ ———光伏电池组件的串联数 ，该系统 ｎ ｓ ＝１ 。然而 ｎ ｐ ＝ ｎ ｗ Ｑ Ｌ＋ Ｑ ｃｂ ｎ ｗ Ｑ ｐ （ ３ ） 式中 ： ｎ ｗ ———相隔两次最长连续降雨天之间的最 小间隔天数 ； Ｑ ｃｂ ———在该时间段内蓄电池的亏损 电量补 充 容 量 ； Ｑ Ｐ ———光 伏 电 池 组 件 的 每 日 发 电量 。 Ｑ ｃｂ＝ Ａｎ Ｌ Ｑ Ｌ＝ １．１×１５×６０＝９９０ （ Ａ · ｈ ） Ｑ ｐ ＝ＩｏｃＫｏ ｐ ＨＣ ｚ＝ ５．８× ２．７７８ １０ ０００ ×０．９９８ ８×１２ ５２５×０．８＝ １６．１３ （ Ａ · ｈ ） （ ４ ） 式中 ： Ｉ ｏｃ ———光伏电池组件最优工作电流 ， Ａ ； Ｈ ———标准光下的平均日辐射数 ； Ｋ ｏｐ ———斜面修 正常数 ； Ｃ ｚ ———修正常数 ，主要包含衰减 、组合 、充 电效率 、尘埃等带来损耗 ，通常为 ０．８ 。按照式 （ ３ ） 计算该系统光伏电池组件的并联数如式 （ ５ ）所示 ： ｎ ｐ ＝ ｎ ｗ× ６０＋９９０ ｎ ｗ× １６．１３ ＝４ （ ５ ） 得出光伏电池板功率为 ５５５Ｗｐ 时 ， ｎ ｗ ＝ ２００ｄ 。如果两组最长连续降雨天之间的最小间隔 天数低于 ２００ｄ 情况下 ，就提议增大光伏电池组件 的功率 ［６］ 。 ３ 结束语 太阳能是一种可再生无污染的清洁高效能 源 。对高速公路的外场监视系统利用光伏发电设 施实现供电 ，该方案将使不适合采取传统电缆供 电的场合得到有效的改变 。另外 ，该方案方便了 后期的维修 ，提高了资源利用率 ，降低了建造成本 和被盗概率 ，具备较高的经济及社会效益 。伴随 太阳能发电的技术进步与制造价格的降低 ，光伏 发电系统就更有竞争优势 ，现如今更有风电光电 互补技术的发展 ，该技术在高速公路领域之中必 然会运用得更为广泛 。实际应用证明高速公路光 伏发电及监控系统具备较高的实用性与可行性 。 参考文献 ： ［ １ ］ 范永伟 ．公路领域新能源利用是交通运输绿色发展的实践 创新 ［Ｊ］．交通建设与管理 ，２０１８（０２）：３２ ３４． ［ ２ ］ 李明星 ．太阳能发电技术及其发展分析 ［Ｊ］．电力系统装备 ， ２０１９ （ １６ ）： ３７ ３８． ［ ３ ］ 黄光政 ，林雁翎 ，郭亮 ，等 ．分布式发电并网运行管理技术研 究应用 ［Ｊ］．电气制造 ，２０１４（１０）：８８ ９１． ［ ４ ］ 谢维 ．基于状态观测器的光伏电站并网鲁棒控制 ［Ｄ］．北京 ： 北京工业大学 ，２０１７． ［ ５ ］ 宋科 ，曹建福 ，谭亚丽 ．光伏太阳能跟踪系统及同步控制技 术 ［Ｊ］．电子设计工程 ，２０１９，２７（２２）：４３ ４７． ［ ６ ］ 卢斯煜 ，周保荣 ，饶宏 ，等 ．高比例光伏发电并网条件下中国远 景电源结构探讨 ［Ｊ］．中国电机工程学报 ，２０１８，３８（增刊 １）： ３９ ４４． 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 Ｅｎｄｒｅｓｓ＋Ｈａｕｓｅｒ Ｍａｕｌｂｕｒ ｇ 物位 、压力生产中心扩建 Ｅｎｄｒｅｓｓ＋Ｈａｕｓｅｒ集团斥资近 ４ ６００万欧元扩建德国 Ｍａｕｌｂｕｒｇ生产中心 。该项目历时近两年 ，总建筑面积超过 １ ５７９．３５ｍ ２ ，包括新的生产车间和办公大楼 ，以及配套停车库 。近年来 ，物位 、压力生产中心保持了强劲增长势头 ，因此 ， 集团决定投资扩建 ，以更好地服务全球市场 。 作为 Ｅｎｄｒｅｓｓ＋Ｈａｕｓｅｒ集团最大的生产中心之一 ，Ｍａｕｌｂｕｒ ｇ 拥有近 ２ ０００ 名员工 。新办公大楼为多层建筑 ，于 ２０２０年 完工 ，总建筑面积超过 １ ５７９．３５ｍ ２ ，其中生产车间面积为 １ ０２１．９３ｍ ２ 。建筑的设计非常重视能源利用 ，屋顶安装有光伏发 电系统 ，采用热电联产机组装置 。其中 ，Ｅｎｄｒｅｓｓ＋Ｈａｕｓｅｒ的测量技术用于监测能量的流动 。新大楼的地下室中 ，仍有两个 区域正在紧张有序地施工 ，它们用于精准标定在大型储罐和料仓上安装的雷达仪表 。鉴于监测库存时 ，微小的测量误差都 会导致严重的不确定性 。因此 ，客户十分关注仪表的标定 。２０２１年 １０月 ８日 ，政商界贵宾 、业务合作伙伴 、Ｍａｕｌｂｕｒ ｇ 的员 工共同出席了小规模的新办公大楼落成典礼 。（恩德斯豪斯 （中国 ）自动化有限公司 ） ２９ 石油化工自动化 第 ５８卷