實施單位：河南高速公路發(fā)展有限責任公司　　

　　項　　目：太陽能技術在連霍高速公路鄭州至洛陽段道路全程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

　　一、概況

河南高速公路發(fā)展有限責任公司是河南省人民政府授權省交通運輸廳組建的國有獨資企業(yè)，公司管理資產總額達1100億元，員工總數(shù)近2萬人。主營高速公路、 特大型獨立橋梁等交通基礎設施的開發(fā)建設、養(yǎng)護和經營管理，是河南省高速公路建設管理的投資主體。成立以來，累計建成通車高速公路2540公里，約占全省 通車高速公路的53%；管養(yǎng)已通車高速公路2069公里，為全省高速公路通車總里程的46%；在建高速公路404公里。公司目前下設鄭州、商丘、開封、洛 陽、三門峽等15個管理分公司，9個項目建設公司，15個多種經營公司，控股河南中原高速公路股份有限公司，公司機關設辦公室、工程管理部、養(yǎng)護管理部、 路產管理部等職能部門。經營范圍涉及高速公路工程施工、道路養(yǎng)護、交通機電運營維護、服務區(qū)經營、油品供應等領域。

　　隨著河南高速公路路網(wǎng)的逐步形成，對道路設施和交通狀況進行全面監(jiān)控，為制定和實施應急預案，減少道路擁堵、預防交通事故、提高服務水平，河南 高速公路發(fā)展有限責任公司決定在連（運港）霍（爾果斯）高速公路鄭州和洛陽管轄的220km范圍內（K528+881-K748+136）實施道路全程監(jiān) 控。

　　 為擴展監(jiān)視范圍，有效實施全程監(jiān)控，外場攝像機的設置間隔約為2km,處于一種線狀的非集中布局，若采用電網(wǎng)供電方式，存在線路損耗大、建設 投資成本高、施工復雜和運營維護費用高等問題。同時，該路段即將實施不中斷運營的道路兩側拓寬工程（四改八），外場攝像機需設置在中央隔離帶。如在中央隔 離帶敷設電力電纜，則影響通信及其它弱電信號。因此，攝像機供電問題已成為項目實施單位面臨的難點問題。

　　太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔環(huán)保型能源，利用太陽能光伏技術將太陽能轉換為電能，現(xiàn)已廣泛應用于航空航天、氣象站、遙測遙感、航道燈塔、鐵路信號、通信以及偏遠地區(qū)、海島居民的供電等領域。太陽能光伏發(fā)電技術為上述問題提供了解決方案。

　　 因此，根據(jù)鄭洛路全程監(jiān)控實際需要，從經濟、節(jié)能、環(huán)保、縮短工期的角度考慮，連霍高速公路鄭州至洛陽段道路監(jiān)控系統(tǒng)了采用太陽能供電方式，為全線100套視頻監(jiān)控攝像機供電。

　　二、基本原理

　　（一）系統(tǒng)原理

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池組件在日照輻射下產生光伏電流，為用電負載提供電力能源。太陽能電池產生的電流通過充放電控制器一方面對負 載直接供電，另一方面將多余的電能儲存在蓄電池中以備光照不足時向負載供電。交流負載可通過逆變器、變壓器轉換成適用的交流電供電。為應對惡劣氣象條件造 成蓄電池電量不足的情況，系統(tǒng)可配置市電或自發(fā)電應急充電接口。為了提高供電系統(tǒng)的可靠性通過光端機將光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時上傳至監(jiān)控中心，以便及時采 取人工維護措施。 

　?。ǘ┳匀粭l件分析

　　鄭洛路處于河南省中部，位于北緯34.7度，全年日照2000-2600小時，年均日照率為45-55%，年太陽輻射總量110-125千卡/ 平方厘米，沿線日平均輻照時間約4.1小時，屬于三級太陽能資源地區(qū)中光能資源較豐富的區(qū)域。因此，鄭洛路實現(xiàn)太陽能全程監(jiān)控具有較好的自然條件。

　　三、實施方案

　　（一）太陽能全程監(jiān)控系統(tǒng)構成

　　太陽能供電的高速公路道路全程監(jiān)控系統(tǒng)由太陽能電池陣列、蓄電池組、太陽能充放電控制器、逆變器、變壓器、攝像機和光端機等設備組成，如圖所示。
 

　?。ǘ﹥?yōu)化設計

　　太陽能光伏發(fā)電技術在公路交通行業(yè)中應用的主要障礙是供電負載的適用性問題，如何結合高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)的用電負載特性，優(yōu)化供電系統(tǒng)設計，降低用電負載功耗，提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率則是該項目的關鍵技術環(huán)節(jié)。

　　 因此，本項目針對系統(tǒng)主要部件進行如下優(yōu)化。

　　1、攝像機

　　為降低太陽能供電系統(tǒng)的初期投資成本，在滿足交通監(jiān)控圖像質量要求的前提下，經過試驗與研究，對攝像機用電功率提出具體要求并進行技術改進，將一臺全天候帶云臺攝像機的額定功率限定在30W以內，并且采用直流24V供電方式。

　　2、電源變換系統(tǒng)

　　為適應負載的直流供電模式，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)中用電負載進行系列技術改造，將多數(shù)交流負載改 為直流負載。通過技術改造，節(jié)省了逆變器和變壓器的設備投資，降低了電源系統(tǒng)的故障風險，減少了逆變器和變壓器自身的用電損耗，提高了太陽能供電系統(tǒng)的可 靠性和電源系統(tǒng)的利用率，同時也降低了供電系統(tǒng)對太陽能電池陣列和蓄電池的容量需求，從而進一步節(jié)省建設成本，提高經濟效益。

　　3、太陽能電池板

　　太陽電池板是太陽能供電系統(tǒng)中的關鍵設備，安裝角度對發(fā)電效率影響較大，并盡量避免水平安裝或垂直放置。經試驗，該項目太陽能電池板最佳安裝傾角為41.7度，朝向正南。

　　在太陽能供電系統(tǒng)中，單晶硅型電池光電轉換效率優(yōu)于多晶硅和非晶硅，雖然非單晶硅太陽能電池板在特殊條件下可以作為補充電源應用，但考慮到其供電能力較低，老化速度較快的特點，該項目選用了單晶硅太陽能電池板。

　　4、蓄電池

　　利用電化學反應實現(xiàn)電能和化學能的相互轉換，是太陽能供電系統(tǒng)中的儲能裝置。其主要技術指標包括容量、循環(huán)使用壽命、浮充使用壽命等；主要控制參數(shù)包括放電深度、浮充電壓、最大充放電電流等。

　　綜合考慮各種類型蓄電池的特點，結合成本分析，該項目選用免維護膠體型鉛酸蓄電池。

　　溫度對鉛酸蓄電池的性能影響明顯，在室外應對鉛酸蓄電池進行恒溫處理，工程上通常將蓄電池 放置在地井或地上的基礎建筑中。本項目經過多種實驗手段充分驗證溫度對蓄電池性能的影響，將蓄電池放入保溫防護箱并埋入凍土層以下，保證了蓄電池最佳工作 狀態(tài)。運行5年來，經抽樣檢測，蓄電池工作狀態(tài)良好。

　　5、太陽能充放電控制器

　　為了實現(xiàn)太陽能電池、蓄電池和負載之間的合理匹配，保障供電質量，提高太陽能供電系統(tǒng)效率 和延長蓄電池使用壽命。本項目選用了12、24、48VDC自適應的20A太陽能充放電控制器，設置過放電壓為21.6VDC，以保證極端惡劣氣候條件下 可靠供電。并配置數(shù)據(jù)采集模塊，將蓄電池電壓、充電電流、放電電流等參數(shù)實時上傳至監(jiān)控中心電源管理系統(tǒng)。

　　四、保障措施

　　（一）領導重視

　　對于節(jié)能減排和新能源的應用，公司領導高度重視，專門成立了項目領導小組，為項目實施提供了有力的組織保障。此外，在人力、物力、財力方面也給予了積極支持，并提供了充足的研究試驗經費。

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　　項目組經歷了調研、太陽能自然條件分析與測試、方案論證、試驗驗證、施工設計、采購、施工安裝、調試驗收、運營維護等全過程，對每一步都設定目標，落實到人，做到記錄完整、論述充分、數(shù)據(jù)可靠，確保整個項目目標的實現(xiàn)。

　?。ㄈ┘夹g支持

　　如此大規(guī)模地實施太陽能供電系統(tǒng)，在公路交通領域尚無先例，一個小的技術細節(jié)都可能影響整個系統(tǒng)的運行，公司委托了具有豐富設計、實驗、檢測經驗的國內權威機構對每個關鍵技術點都進行充分的技術論證，針對鄭洛路實際情況搭建了試驗平臺，按照設計原理圖對每個節(jié)點都進行了實驗分析，在此基礎上篩選出符合要求的系統(tǒng)部件和施工方案，確保了項目順利實施。

　　五、項目成效

　　該項目在全長約220km的路段實施了100套太陽能全程道路監(jiān)控系統(tǒng)，5年來產生的直接經濟效益和社會效益十分顯著。

　　（一）經濟效益

　　1、太陽能全程監(jiān)控系統(tǒng)產生的直接經濟效益

　　該系統(tǒng)投入運行后，值班人員定時利用攝像機進行人工巡查，每天可減少路政人員兩次路巡計880公里，以百公里耗油10升計算，每年可節(jié)約汽油32120升，以每升汽油6元計，每年節(jié)省19.27萬元人民幣。5年來共節(jié)約人民幣96.35萬元。

　　2、采用太陽能供電產生的直接經濟效益

　?。?）節(jié)約建設費用

　　節(jié)約建設費用：688.4萬元，詳見下表。

　?。?）節(jié)約電費

　　節(jié)約電費：43800kWh/年，5年節(jié)電219000 kWh，計22萬元。

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　　每燃燒1升汽油可產生2.4kg二氧化碳，實施全程監(jiān)控每年節(jié)約汽油32120升，每年可減少二氧化碳排放77噸。5年來累計減少二氧化碳排放385噸。 

　　經測算道路監(jiān)控系統(tǒng)每套每天耗電1.2kWh、全線共布設100套，每年耗電 43800kWh。采用太陽能供電，每年節(jié)約市電43800kWh，相當于減少標準煤1.314噸，減少排放二氧化碳3.44噸、二氧化硫11.7kg、 氮氧化物9.72kg。5年來該太陽能供電系統(tǒng)，累計節(jié)約標準煤6.57噸，減少排放二氧化碳17.20噸、二氧化硫55.85kg、氮氧化物 48.60kg。

　　推廣建議：

　　項目實施單位以此示范項目為基礎，將實施過程中的技術細節(jié)、系統(tǒng)的優(yōu)化選型以及后期運營維護方面的經驗進一步提煉、總結，盡快制定出相關的企業(yè)標準，經試用后進而升級為地方標準，以利于在更大范圍中推廣應用。

　　推廣應用單位要嚴格核算當?shù)毓庹諚l件及負載情況，優(yōu)化系統(tǒng)設計，并在實施過程嚴格遵循施工工藝，特別注意蓄電池防水、防潮及恒溫措施，確保工程質量，保證系統(tǒng)可靠運行。

　　此示范項目為太陽能在公路沿線設施供電提供了成功案例，消除了許多應用單位的顧慮，建議行 業(yè)主管部門以此為契機，盡快制訂相應的行業(yè)標準或技術規(guī)范，推動全行業(yè)應用清潔環(huán)保能源，進一步推進節(jié)能減排示范活動在公路沿線設施用電領域的廣泛開展， 全面提高交通節(jié)能減排工作水平。