光伏发电在高速公路中的技术探析

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第５８卷第１期２０２２年１月石油化工自动化ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹＶｏｌ．５８，Ｎｏ．１Ｊａｎ，２０２２稿件收到日期２０２１０７１９，修改稿收到日期２０２１１１０４。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１００７７３２４（２０２２）０１００９００３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／Ｗｐ１４０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／Ｖ２４．２工作电流／Ａ５．８５短路电流／Ａ７．１开路电压／Ｖ２８．８温度系数，％－０．３８光强系数／（Ｗ·ｍ－２）１０００外形尺寸／ｍｍ１１１０９９５４０质量／ｋｇ１５．８１．２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／Ｖ１４．４±０．１浮充电压／Ｖ１３．２～１３．６续表２控制器性能指标数值恢复电压／Ｖ１３．０±０．１温度补偿／（ｍＶ·℃ －１）－１３．２过放断开电压／Ｖ１０．８±０．１恢复电压／Ｖ１２．３±０．１过压切断电压／Ｖ１６．５恢复电压／Ｖ１５．０１．３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Ｑｃ计算如式（１）所示Ｑｃ＝ＡｎＬＱＬｔｏ／ＣＣ（１）式中Ａ安全系数，在１．１～１．４间取值；ｎＬ连续降雨的最大天数；ＱＬ负载的日平均用电量，即工作电流乘以日工作小时数，Ａ · ｈ；ｔｏ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；ＣＣ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，ｔｏ＝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ＱＬ＝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１４００Ａ · 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＝Ｐｏｎｐｎｓ＝１４０４１＝５６０（Ｗ）（２）式中Ｐｏ光伏电池组件额定功率，该系统Ｐｏ＝１４０Ｗ；ｎｐ光伏电池组件的并联数，该系统ｎｐ＝４；ｎｓ光伏电池组件的串联数，该系统ｎｓ＝１。然而ｎｐ＝ｎｗＱＬ＋ＱｃｂｎｗＱｐ（３）式中ｎｗ相隔两次最长连续降雨天之间的最小间隔天数；Ｑｃｂ在该时间段内蓄电池的亏损电量补充容量；ＱＰ光伏电池组件的每日发电量。Ｑｃｂ＝ＡｎＬＱＬ＝１．１１５６０＝９９０（Ａ · ｈ）Ｑｐ＝ＩｏｃＫｏｐＨＣｚ＝５．８２．７７８１０００００．９９８８１２５２５０．８＝１６．１３（Ａ · ｈ）（４）式中Ｉｏｃ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；Ｋｏｐ斜面修正常数；Ｃｚ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ｎｐ＝ｎｗ６０＋９９０ｎｗ１６．１３＝４（５）得出光伏电池板功率为５５５Ｗｐ时，ｎｗ＝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）３２３４．［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）３７３８．［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）８８９１．［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）４３４７．［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）３９４４．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＋ＨａｕｓｅｒＭａｕｌｂｕｒｇ物位、压力生产中心扩建Ｅｎｄｒｅｓｓ＋Ｈａｕｓｅｒ集团斥资近４６００万欧元扩建德国Ｍａｕｌｂｕｒｇ生产中心。该项目历时近两年，总建筑面积超过１５７９．３５ｍ２，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，Ｍａｕｌｂｕｒｇ拥有近２０００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１５７９．３５ｍ２，其中生产车间面积为１０２１．９３ｍ２。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、Ｍａｕｌｂｕｒｇ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