光伏系统在电子交通监控中的设计研究

南昌理工学院新能源与环境工程学院 ■ 周冬兰 廖丹 程彩虹 熊仰

0 引言

近年来，随着国家城镇化的发展，城市规模不断扩大，车流量急速增加，导致城市交通负载呈爆炸式增长。交通监控是城市交通维持秩序的重要组成部分。随着道路交通新规的实施，电子交通监控的数量大幅增加，而连接交通监控的电力往往是连接城市的公共电网，这就需要在安装时重新挖掘路面或草地来铺设线路，由此带来了安装复杂、维护麻烦的问题，同时也会产生城市交通拥堵的问题。光伏发电已成为世界新能源领域的一大亮点，其应用范围也在逐渐扩大，如大型电站、光伏建筑一体化、充电桩和城市轨道交通等[1-4]。将光伏发电应用于电子交通监控，具有两方面的优点：一是无需另外考虑和电网连接的问题，安装方便且维护简单；二是采用清洁能源供电，对环境无污染，还能缓解市电供应紧张的问题。

本文以南昌市为例，详细讨论光伏系统在电子交通监控中的设计过程，并分析其产生的环保效益。

1 系统结构及工作原理

由于是在原有的十字路口附加安装电子交通监控，本文设计的光伏系统在电子交通监控中的结构如图1所示，其主要组成部分有：光伏组件方阵、蓄电池、控制器、逆变器、交换机、电子警察和LED灯。

其工作原理是：当白天有阳光照射时，光伏组件方阵接收太阳光将其转换成直流电能，流经控制器，通过逆变器，一部分输送给交换机，使其正常工作，多余的直流电则输给蓄电池；当夜晚或连续阴雨天气无光照时，则由蓄电池提供电能使交换机和LED灯正常运行。而电子警察是由网线连接交换机，因此不需要额外电源。

图1 系统结构图

2 系统设计

2.1 交通监控系统负载确定及计算

目前常见的电子交通监控如图2所示，其中1组LED灯(220 V/48 W)可以对2个电子警察进行补光，LED灯平均每天工作时间为10 h；由1个交换机(100～240 V/20 W)通过网线对2个电子警察供电，交换机每天工作时间为24 h。

图2 交通监控的示意图

负载用电总功率P可由式(1)计算：

式中，Pi为每个设备的功率，W；i为负载个数，此处取值为2。

因此，1个电子交通监控的总功率P=20+48=68 W

负载所有用电设备一天的用电量Q可由式(2)计算：

式中，ti为单个负载的用电时间，h。

因此，1个电子交通监控一天的用电量Q=20×24+48×10=960 Wh。

2.2 蓄电池的设计

南昌地区太阳能资源较丰富，为亚热带湿润季风气候，降雨丰富，最长无日照用电天数为5天[5]。

蓄电池组容量C可由式(3)计算：

式中，D为最长无日照用电天数；F为蓄电池放电容量的修正系数，一般取值1.2；K为交流回路(包含逆变器在内)的损耗系数，一般取值0.8；U为所选蓄电池的放电深度，一般取值0.5[6]；V为系统直流电压，V。

系统的直流电压选择时需满足国家标准，一般取12 V、24 V、48 V等，由于本文系统功率相对较小，所以选择系统的直流电压为24 V。

将V=24代入式(3)可得，蓄电池组容量C为600 Ah。

如今，蓄电池的种类多种多样，如铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池等。铅酸电池由于具有价格低、技术成熟等优点而被广泛应用于光伏系统中。本系统选用科华12 V/200 Ah的铅酸蓄电池。因此，需串联的单体蓄电池数Ns可由式(4)计算：

式中，U单为单体蓄电池电压，V。

将数据代入式(4)可得：Ns=2。

需并联的单体蓄电池数Np可由式(5)计算：

式中，C单为单体蓄电池的容量，Ah。

将数据代入式(5)可得：Np=3。

综上所述，串联蓄电池的数目为2，并联蓄电池的数目为3，即每2个蓄电池串联再3组并联，共计需要6个蓄电池。

2.3 光伏组件方阵设计

2.3.1 光伏组件方阵的功率

平均每日峰值日照时数Tm可由式(6)计算：

式中，KOP为最佳辐射系数；H为年均太阳总辐射量，MJ/m2。

通过查询资料可知，在南昌地区，H=4305.92 MJ/m2[7]，KOP=0.8640[8]，由此可得Tm=2.83 h。

光伏组件方阵的功率P可由式(7)计算：

将数据代入式(7)可得：P≈509 W。

2.3.2 光伏组件的选择及计算

目前市场上较常见的是单晶硅光伏组件和多晶硅光伏组件。虽然单晶硅光伏组件转换效率高，但是造价费用也较高。考虑到电子交通监控系统需成本低的实用性要求，选取255 W多晶硅光伏组件，其性能参数见表1。

表1 多晶硅光伏组件性能参数

光伏组件的串联数Ns′可由式(8)计算：

式中，V为系统直流电压，V；Vmp为光伏组件峰值输出电压，V。

将数据代入式(8)可得：Ns′≈1块。

光伏组件的并联数Np′可由式(9)计算：

式中，Pm为光伏组件的峰值功率，取值255 W。

将数据代入式(9)可得：Np′≈2块。

综上所述，需串联多晶硅光伏组件数目为1，并联多晶硅光伏组件数目为2，共计需要2块多晶硅光伏组件，即2块多晶硅光伏组件并联。

2.4 控制器的选择

光伏控制器的主要功能是对蓄电池进行充放电保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生。控制器的最大输入电流取决于光伏组件方阵的短路电流；同时，为提高安全系数，在此基础上需增加25%的余量，因此，控制器的最大输入电流IFsc可由式(10)计算：

式中，Isc为单块光伏组件的短路电流，A；1.25为安全系数。

根据所选组件的短路电流为8.89 A，且2块并联，计算可得IFsc=22.2 A

因此，控制器的电流应不小于22.2 A，才能防止因过流而导致控制器损坏。依据直流母线电压24 V，本文选择尚高新能源公司SD-30型智能光伏控制器。该产品工作温度范围宽，对恶劣环境的适应能力强，且体型小巧，便于安装，其性能参数如表2所示。

表2 SD-30智能光伏控制器性能参数

2.5 逆变器选择

逆变器是实现将直流电(蓄电池等)转变成交流电的一种装置。目前，光伏逆变器在市场上被分为两种：光伏离网型逆变器和光伏并网型逆变器。由于直流母线电压为24 V、负载功率为68 W，本系统选取尚高新能源公司SGP300A-242型24 V离网式光伏逆变器。该逆变器逆变效率高，且具有蓄电池过放电保护、超电压关闭等功能，其性能参数如表3所示。

表3 SGP300A-242型逆变器性能参数

3 环保效益分析

以本文计算的数据为例，1个电子交通监控的年耗电量为：960 Wh×365=350400 Wh，即350.4 kWh。按每节约1 kWh，就相当于节约标准煤0.4 kg，减少排放碳粉尘0.272 kg、CO20.997 kg、SO20.03 kg和NOx0.015 kg进行计算[5]，1个电子交通监控光伏发电系统的环保效益分析如表4所示。以我国目前的道路数量来

计算，若均能采用光伏系统对电子交通监控供电，可实现非常强大的环保效益。

表4 1个电子交通监控光伏发电系统的环保效益

4 结论

本文主要根据蓄电池、光伏组件、控制器和逆变器等部件对电子交通监控中的光伏系统进行了详细的设计，并简单计算了节能减排的环保效益。可见，光伏系统在电子交通监控中的设计研究可有效促进能源和环境的和谐发展。虽然该系统前期的投入费用较高，但是后期的维护费用低；而且，随着科学技术的进步，光伏组件和蓄电池的成本降低，光伏系统在电子交通监控中的应用将有更长远的发展前景。

[1]许雪松,李云涛.20MW 光伏发电站设计实例探究[J]. 产业与科技论坛, 2016,15 (8): 40－41.

[2]董叶莉, 黄中伟. 光伏建筑一体化结合形式的探讨[J]. 建筑节能, 2013, (6): 34－36.

[3] 王盛强,李婷婷. 新能源光伏汽车充电站发展现状与分析[J]. 科技创新与应用, 2016, 2: 106－107.

[4]周超.太阳能光伏发电在城市轨道交通中的应用[J]. 都市快轨交通, 2013, 26(2):77－80.

[5] 曾玉. 新能源汽车光伏照明系统的设计研究[J]. 电源技术,2016, 40(9): 1857－1858.

[6] 谢卿. 太阳能光伏系统的自动跟踪式装置[D].上海:华东理工大学, 2012.

[7] 王钰，宋裕根. 南昌太阳辐射观测发展及现状分析[J]. 能源研究与管理. 2009, (4): 39－42.

[8] 谢建，马勇刚.太阳能光伏发电工程实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2010: 114－124.