南昌理工學(xué)院新能源與環(huán)境工程學(xué)院 ■ 周冬蘭 廖丹 程彩虹 熊仰

0 引言

近年來，隨著國家城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，車流量急速增加，導(dǎo)致城市交通負(fù)載呈爆炸式增長。交通監(jiān)控是城市交通維持秩序的重要組成部分。隨著道路交通新規(guī)的實(shí)施，電子交通監(jiān)控的數(shù)量大幅增加，而連接交通監(jiān)控的電力往往是連接城市的公共電網(wǎng)，這就需要在安裝時(shí)重新挖掘路面或草地來鋪設(shè)線路，由此帶來了安裝復(fù)雜、維護(hù)麻煩的問題，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生城市交通擁堵的問題。光伏發(fā)電已成為世界新能源領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)，其應(yīng)用范圍也在逐漸擴(kuò)大，如大型電站、光伏建筑一體化、充電樁和城市軌道交通等[1-4]。將光伏發(fā)電應(yīng)用于電子交通監(jiān)控，具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：一是無需另外考慮和電網(wǎng)連接的問題，安裝方便且維護(hù)簡單；二是采用清潔能源供電，對(duì)環(huán)境無污染，還能緩解市電供應(yīng)緊張的問題。

本文以南昌市為例，詳細(xì)討論光伏系統(tǒng)在電子交通監(jiān)控中的設(shè)計(jì)過程，并分析其產(chǎn)生的環(huán)保效益。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

由于是在原有的十字路口附加安裝電子交通監(jiān)控，本文設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)在電子交通監(jiān)控中的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要組成部分有：光伏組件方陣、蓄電池、控制器、逆變器、交換機(jī)、電子警察和LED燈。

其工作原理是：當(dāng)白天有陽光照射時(shí)，光伏組件方陣接收太陽光將其轉(zhuǎn)換成直流電能，流經(jīng)控制器，通過逆變器，一部分輸送給交換機(jī)，使其正常工作，多余的直流電則輸給蓄電池；當(dāng)夜晚或連續(xù)陰雨天氣無光照時(shí)，則由蓄電池提供電能使交換機(jī)和LED燈正常運(yùn)行。而電子警察是由網(wǎng)線連接交換機(jī)，因此不需要額外電源。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 交通監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載確定及計(jì)算

目前常見的電子交通監(jiān)控如圖2所示，其中1組LED燈(220 V/48 W)可以對(duì)2個(gè)電子警察進(jìn)行補(bǔ)光，LED燈平均每天工作時(shí)間為10 h；由1個(gè)交換機(jī)(100～240 V/20 W)通過網(wǎng)線對(duì)2個(gè)電子警察供電，交換機(jī)每天工作時(shí)間為24 h。

圖2 交通監(jiān)控的示意圖

負(fù)載用電總功率P可由式(1)計(jì)算：

式中，Pi為每個(gè)設(shè)備的功率，W；i為負(fù)載個(gè)數(shù)，此處取值為2。

因此，1個(gè)電子交通監(jiān)控的總功率P=20+48=68 W

負(fù)載所有用電設(shè)備一天的用電量Q可由式(2)計(jì)算：

式中，ti為單個(gè)負(fù)載的用電時(shí)間，h。

因此，1個(gè)電子交通監(jiān)控一天的用電量Q=20×24+48×10=960 Wh。

2.2 蓄電池的設(shè)計(jì)

南昌地區(qū)太陽能資源較豐富，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，降雨豐富，最長無日照用電天數(shù)為5天[5]。

蓄電池組容量C可由式(3)計(jì)算：

式中，D為最長無日照用電天數(shù)；F為蓄電池放電容量的修正系數(shù)，一般取值1.2；K為交流回路(包含逆變器在內(nèi))的損耗系數(shù)，一般取值0.8；U為所選蓄電池的放電深度，一般取值0.5[6]；V為系統(tǒng)直流電壓，V。

系統(tǒng)的直流電壓選擇時(shí)需滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，一般取12 V、24 V、48 V等，由于本文系統(tǒng)功率相對(duì)較小，所以選擇系統(tǒng)的直流電壓為24 V。

將V=24代入式(3)可得，蓄電池組容量C為600 Ah。

如今，蓄電池的種類多種多樣，如鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池等。鉛酸電池由于具有價(jià)格低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中。本系統(tǒng)選用科華12 V/200 Ah的鉛酸蓄電池。因此，需串聯(lián)的單體蓄電池?cái)?shù)Ns可由式(4)計(jì)算：

式中，U單為單體蓄電池電壓，V。

將數(shù)據(jù)代入式(4)可得：Ns=2。

需并聯(lián)的單體蓄電池?cái)?shù)Np可由式(5)計(jì)算：

式中，C單為單體蓄電池的容量，Ah。

將數(shù)據(jù)代入式(5)可得：Np=3。

綜上所述，串聯(lián)蓄電池的數(shù)目為2，并聯(lián)蓄電池的數(shù)目為3，即每2個(gè)蓄電池串聯(lián)再3組并聯(lián)，共計(jì)需要6個(gè)蓄電池。

2.3 光伏組件方陣設(shè)計(jì)

2.3.1 光伏組件方陣的功率

平均每日峰值日照時(shí)數(shù)Tm可由式(6)計(jì)算：

式中，KOP為最佳輻射系數(shù)；H為年均太陽總輻射量，MJ/m2。

通過查詢資料可知，在南昌地區(qū)，H=4305.92 MJ/m2[7]，KOP=0.8640[8]，由此可得Tm=2.83 h。

光伏組件方陣的功率P可由式(7)計(jì)算：

將數(shù)據(jù)代入式(7)可得：P≈509 W。

2.3.2 光伏組件的選擇及計(jì)算

目前市場上較常見的是單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件。雖然單晶硅光伏組件轉(zhuǎn)換效率高，但是造價(jià)費(fèi)用也較高?？紤]到電子交通監(jiān)控系統(tǒng)需成本低的實(shí)用性要求，選取255 W多晶硅光伏組件，其性能參數(shù)見表1。

表1 多晶硅光伏組件性能參數(shù)

光伏組件的串聯(lián)數(shù)Ns′可由式(8)計(jì)算：

式中，V為系統(tǒng)直流電壓，V；Vmp為光伏組件峰值輸出電壓，V。

將數(shù)據(jù)代入式(8)可得：Ns′≈1塊。

光伏組件的并聯(lián)數(shù)Np′可由式(9)計(jì)算：

式中，Pm為光伏組件的峰值功率，取值255 W。

將數(shù)據(jù)代入式(9)可得：Np′≈2塊。

綜上所述，需串聯(lián)多晶硅光伏組件數(shù)目為1，并聯(lián)多晶硅光伏組件數(shù)目為2，共計(jì)需要2塊多晶硅光伏組件，即2塊多晶硅光伏組件并聯(lián)。

2.4 控制器的選擇

光伏控制器的主要功能是對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電保護(hù)，以避免蓄電池有過充或過放的情形發(fā)生?？刂破鞯淖畲筝斎腚娏魅Q于光伏組件方陣的短路電流；同時(shí)，為提高安全系數(shù)，在此基礎(chǔ)上需增加25%的余量，因此，控制器的最大輸入電流IFsc可由式(10)計(jì)算：

式中，Isc為單塊光伏組件的短路電流，A；1.25為安全系數(shù)。

根據(jù)所選組件的短路電流為8.89 A，且2塊并聯(lián)，計(jì)算可得IFsc=22.2 A

因此，控制器的電流應(yīng)不小于22.2 A，才能防止因過流而導(dǎo)致控制器損壞。依據(jù)直流母線電壓24 V，本文選擇尚高新能源公司SD-30型智能光伏控制器。該產(chǎn)品工作溫度范圍寬，對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，且體型小巧，便于安裝，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 SD-30智能光伏控制器性能參數(shù)

2.5 逆變器選擇

逆變器是實(shí)現(xiàn)將直流電(蓄電池等)轉(zhuǎn)變成交流電的一種裝置。目前，光伏逆變器在市場上被分為兩種：光伏離網(wǎng)型逆變器和光伏并網(wǎng)型逆變器。由于直流母線電壓為24 V、負(fù)載功率為68 W，本系統(tǒng)選取尚高新能源公司SGP300A-242型24 V離網(wǎng)式光伏逆變器。該逆變器逆變效率高，且具有蓄電池過放電保護(hù)、超電壓關(guān)閉等功能，其性能參數(shù)如表3所示。

表3 SGP300A-242型逆變器性能參數(shù)

3 環(huán)保效益分析

以本文計(jì)算的數(shù)據(jù)為例，1個(gè)電子交通監(jiān)控的年耗電量為：960 Wh×365=350400 Wh，即350.4 kWh。按每節(jié)約1 kWh，就相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.4 kg，減少排放碳粉塵0.272 kg、CO20.997 kg、SO20.03 kg和NOx0.015 kg進(jìn)行計(jì)算[5]，1個(gè)電子交通監(jiān)控光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保效益分析如表4所示。以我國目前的道路數(shù)量來

計(jì)算，若均能采用光伏系統(tǒng)對(duì)電子交通監(jiān)控供電，可實(shí)現(xiàn)非常強(qiáng)大的環(huán)保效益。

表4 1個(gè)電子交通監(jiān)控光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保效益

4 結(jié)論

本文主要根據(jù)蓄電池、光伏組件、控制器和逆變器等部件對(duì)電子交通監(jiān)控中的光伏系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并簡單計(jì)算了節(jié)能減排的環(huán)保效益?？梢姡夥到y(tǒng)在電子交通監(jiān)控中的設(shè)計(jì)研究可有效促進(jìn)能源和環(huán)境的和諧發(fā)展。雖然該系統(tǒng)前期的投入費(fèi)用較高，但是后期的維護(hù)費(fèi)用低；而且，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光伏組件和蓄電池的成本降低，光伏系統(tǒng)在電子交通監(jiān)控中的應(yīng)用將有更長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。

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