實(shí)施單位：河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司　　

　　項(xiàng)　　目：太陽(yáng)能技術(shù)在連霍高速公路鄭州至洛陽(yáng)段道路全程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　一、概況

河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司是河南省人民政府授權(quán)省交通運(yùn)輸廳組建的國(guó)有獨(dú)資企業(yè)，公司管理資產(chǎn)總額達(dá)1100億元，員工總數(shù)近2萬(wàn)人。主營(yíng)高速公路、 特大型獨(dú)立橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和經(jīng)營(yíng)管理，是河南省高速公路建設(shè)管理的投資主體。成立以來，累計(jì)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(shè)鄭州、商丘、開封、洛 陽(yáng)、三門峽等15個(gè)管理分公司，9個(gè)項(xiàng)目建設(shè)公司，15個(gè)多種經(jīng)營(yíng)公司，控股河南中原高速公路股份有限公司，公司機(jī)關(guān)設(shè)辦公室、工程管理部、養(yǎng)護(hù)管理部、 路產(chǎn)管理部等職能部門。經(jīng)營(yíng)范圍涉及高速公路工程施工、道路養(yǎng)護(hù)、交通機(jī)電運(yùn)營(yíng)維護(hù)、服務(wù)區(qū)經(jīng)營(yíng)、油品供應(yīng)等領(lǐng)域。

　　隨著河南高速公路路網(wǎng)的逐步形成，對(duì)道路設(shè)施和交通狀況進(jìn)行全面監(jiān)控，為制定和實(shí)施應(yīng)急預(yù)案，減少道路擁堵、預(yù)防交通事故、提高服務(wù)水平，河南 高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司決定在連（運(yùn)港）霍（爾果斯）高速公路鄭州和洛陽(yáng)管轄的220km范圍內(nèi)（K528+881-K748+136）實(shí)施道路全程監(jiān) 控。

　　 為擴(kuò)展監(jiān)視范圍，有效實(shí)施全程監(jiān)控，外場(chǎng)攝像機(jī)的設(shè)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(shè) 投資成本高、施工復(fù)雜和運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用高等問題。同時(shí)，該路段即將實(shí)施不中斷運(yùn)營(yíng)的道路兩側(cè)拓寬工程（四改八），外場(chǎng)攝像機(jī)需設(shè)置在中央隔離帶。如在中央隔 離帶敷設(shè)電力電纜，則影響通信及其它弱電信號(hào)。因此，攝像機(jī)供電問題已成為項(xiàng)目實(shí)施單位面臨的難點(diǎn)問題。

　　太陽(yáng)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(yáng)能光伏技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、氣象站、遙測(cè)遙感、航道燈塔、鐵路信號(hào)、通信以及偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島居民的供電等領(lǐng)域。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)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(shí)際需要，從經(jīng)濟(jì)、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(yáng)段道路監(jiān)控系統(tǒng)了采用太陽(yáng)能供電方式，為全線100套視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)供電。

　　二、基本原理

　?。ㄒ唬┫到y(tǒng)原理

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽(yáng)能電池組件在日照輻射下產(chǎn)生光伏電流，為用電負(fù)載提供電力能源。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流通過充放電控制器一方面對(duì)負(fù) 載直接供電，另一方面將多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池中以備光照不足時(shí)向負(fù)載供電。交流負(fù)載可通過逆變器、變壓器轉(zhuǎn)換成適用的交流電供電。為應(yīng)對(duì)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(yīng)急充電接口。為了提高供電系統(tǒng)的可靠性通過光端機(jī)將光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心，以便及時(shí)采 取人工維護(hù)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(shí)，年均日照率為45-55%，年太陽(yáng)輻射總量110-125千卡/ 平方厘米，沿線日平均輻照時(shí)間約4.1小時(shí)，屬于三級(jí)太陽(yáng)能資源地區(qū)中光能資源較豐富的區(qū)域。因此，鄭洛路實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能全程監(jiān)控具有較好的自然條件。

　　三、實(shí)施方案

　　（一）太陽(yáng)能全程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

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

　?。ǘ﹥?yōu)化設(shè)計(jì)

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在公路交通行業(yè)中應(yīng)用的主要障礙是供電負(fù)載的適用性問題，如何結(jié)合高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)的用電負(fù)載特性，優(yōu)化供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低用電負(fù)載功耗，提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)效率則是該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

　　 因此，本項(xiàng)目針對(duì)系統(tǒng)主要部件進(jìn)行如下優(yōu)化。

　　1、攝像機(jī)

　　為降低太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的初期投資成本，在滿足交通監(jiān)控圖像質(zhì)量要求的前提下，經(jīng)過試驗(yàn)與研究，對(duì)攝像機(jī)用電功率提出具體要求并進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，將一臺(tái)全天候帶云臺(tái)攝像機(jī)的額定功率限定在30W以內(nèi)，并且采用直流24V供電方式。

　　2、電源變換系統(tǒng)

　　為適應(yīng)負(fù)載的直流供電模式，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中用電負(fù)載進(jìn)行系列技術(shù)改造，將多數(shù)交流負(fù)載改 為直流負(fù)載。通過技術(shù)改造，節(jié)省了逆變器和變壓器的設(shè)備投資，降低了電源系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)，減少了逆變器和變壓器自身的用電損耗，提高了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的可 靠性和電源系統(tǒng)的利用率，同時(shí)也降低了供電系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列和蓄電池的容量需求，從而進(jìn)一步節(jié)省建設(shè)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　3、太陽(yáng)能電池板

　　太陽(yáng)電池板是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，安裝角度對(duì)發(fā)電效率影響較大，并盡量避免水平安裝或垂直放置。經(jīng)試驗(yàn)，該項(xiàng)目太陽(yáng)能電池板最佳安裝傾角為41.7度，朝向正南。

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

　　4、蓄電池

　　利用電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換，是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置。其主要技術(shù)指標(biāo)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(diǎn)，結(jié)合成本分析，該項(xiàng)目選用免維護(hù)膠體型鉛酸蓄電池。

　　溫度對(duì)鉛酸蓄電池的性能影響明顯，在室外應(yīng)對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)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(chǔ)建筑中。本項(xiàng)目經(jīng)過多種實(shí)驗(yàn)手段充分驗(yàn)證溫度對(duì)蓄電池性能的影響，將蓄電池放入保溫防護(hù)箱并埋入凍土層以下，保證了蓄電池最佳工作 狀態(tài)。運(yùn)行5年來，經(jīng)抽樣檢測(cè)，蓄電池工作狀態(tài)良好。

　　5、太陽(yáng)能充放電控制器

　　為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池、蓄電池和負(fù)載之間的合理匹配，保障供電質(zhì)量，提高太陽(yáng)能供電系統(tǒng)效率 和延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。本項(xiàng)目選用了12、24、48VDC自適應(yīng)的20A太陽(yáng)能充放電控制器，設(shè)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(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心電源管理系統(tǒng)。

　　四、保障措施

　　（一）領(lǐng)導(dǎo)重視

　　對(duì)于節(jié)能減排和新能源的應(yīng)用，公司領(lǐng)導(dǎo)高度重視，專門成立了項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組，為項(xiàng)目實(shí)施提供了有力的組織保障。此外，在人力、物力、財(cái)力方面也給予了積極支持，并提供了充足的研究試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

　?。ǘ┚慕M織

　　項(xiàng)目組經(jīng)歷了調(diào)研、太陽(yáng)能自然條件分析與測(cè)試、方案論證、試驗(yàn)驗(yàn)證、施工設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工安裝、調(diào)試驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等全過程，對(duì)每一步都設(shè)定目標(biāo)，落實(shí)到人，做到記錄完整、論述充分、數(shù)據(jù)可靠，確保整個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

　?。ㄈ┘夹g(shù)支持

　　如此大規(guī)模地實(shí)施太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，在公路交通領(lǐng)域尚無(wú)先例，一個(gè)小的技術(shù)細(xì)節(jié)都可能影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，公司委托了具有豐富設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)的國(guó)內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)每個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)都進(jìn)行充分的技術(shù)論證，針對(duì)鄭洛路實(shí)際情況搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，按照設(shè)計(jì)原理圖對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，在此基礎(chǔ)上篩選出符合要求的系統(tǒng)部件和施工方案，確保了項(xiàng)目順利實(shí)施。

　　五、項(xiàng)目成效

　　該項(xiàng)目在全長(zhǎng)約220km的路段實(shí)施了100套太陽(yáng)能全程道路監(jiān)控系統(tǒng)，5年來產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

　?。ㄒ唬┙?jīng)濟(jì)效益

　　1、太陽(yáng)能全程監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

　　該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，值班人員定時(shí)利用攝像機(jī)進(jìn)行人工巡查，每天可減少路政人員兩次路巡計(jì)880公里，以百公里耗油10升計(jì)算，每年可節(jié)約汽油32120升，以每升汽油6元計(jì)，每年節(jié)省19.27萬(wàn)元人民幣。5年來共節(jié)約人民幣96.35萬(wàn)元。

　　2、采用太陽(yáng)能供電產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

　　（1）節(jié)約建設(shè)費(fèi)用

　　節(jié)約建設(shè)費(fèi)用：688.4萬(wàn)元，詳見下表。

　?。?）節(jié)約電費(fèi)

　　節(jié)約電費(fèi)：43800kWh/年，5年節(jié)電219000 kWh，計(jì)22萬(wàn)元。

　?。ǘ┥鐣?huì)效益

　　每燃燒1升汽油可產(chǎn)生2.4kg二氧化碳，實(shí)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(jì)減少二氧化碳排放385噸。 

　　經(jīng)測(cè)算道路監(jiān)控系統(tǒng)每套每天耗電1.2kWh、全線共布設(shè)100套，每年耗電 43800kWh。采用太陽(yáng)能供電，每年節(jié)約市電43800kWh，相當(dāng)于減少標(biāo)準(zhǔn)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(yáng)能供電系統(tǒng)，累計(jì)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目實(shí)施單位以此示范項(xiàng)目為基礎(chǔ)，將實(shí)施過程中的技術(shù)細(xì)節(jié)、系統(tǒng)的優(yōu)化選型以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步提煉、總結(jié)，盡快制定出相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)試用后進(jìn)而升級(jí)為地方標(biāo)準(zhǔn)，以利于在更大范圍中推廣應(yīng)用。

　　推廣應(yīng)用單位要嚴(yán)格核算當(dāng)?shù)毓庹諚l件及負(fù)載情況，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在實(shí)施過程嚴(yán)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(zhì)量，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

　　此示范項(xiàng)目為太陽(yáng)能在公路沿線設(shè)施供電提供了成功案例，消除了許多應(yīng)用單位的顧慮，建議行 業(yè)主管部門以此為契機(jī)，盡快制訂相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范，推動(dòng)全行業(yè)應(yīng)用清潔環(huán)保能源，進(jìn)一步推進(jìn)節(jié)能減排示范活動(dòng)在公路沿線設(shè)施用電領(lǐng)域的廣泛開展， 全面提高交通節(jié)能減排工作水平。