高速公路监控摄像机太阳能供电系统.doc

高速公路监控摄像机太阳能供电系统
李中开、胡星阳、孙乔
（江苏汾灌高速公路管理有限公司，连云港 222346）
（江苏高速公路信息工程有限公司，南京 210018）
摘 要 本文针对高速公路全程监控摄像太阳能机供电系统供电方案进行设计，详细介绍了太阳能供电系统各个部分的组成，并根据工程实例进行计算。
关键词 监控摄像机 太阳能 供电
为更好服务大众、服务社会，目前不少新建或改造高速公路陆续进行全程监控系统的实施，实现道路全程实时监控、交通事件自动检测报警、 24小时录像，为道路指挥调度提供有效的决策依据。
传统道路摄像机一般设置在离收费站2Km范围以内，供电都是直接从收费站配电房引出，铺设电力电缆到道路摄像机处。全程监控系统道路摄像机设置在整个路段，这就要求供电系统能够在远离配电房的路段上为摄像机成功供电。供电方式有两种：一种为太阳能供电；另一种为变压器供电。变压器供电又分为两种，一种为沿途设置箱式变压器(每4km左右1台， 因为传输距离超过4km左右电压将降低20％以上，不能满足摄像机的供电要求)，通过变压器直接为摄像机供电；另一种为沿途设置调压器(每4km左右1台)，通过调压器补偿的方式，为沿途摄像机提供合格的电压。变压器供电方式供电需要全线敷设电缆并且安装变压器（调压器），变压器（调压器）为定制产品价格较高，电缆敷设施工难度较大且被盗可能性也比较大。
鉴于变压器供电方式的不足，本文介绍了道路摄像机太阳能供电系统，解决全程监控供电问题。太阳能供电系统不消耗能源、无污染、维护简便、使用寿命长、能源丰富。
1、 太阳能供电系统结构
利用太阳能电池组件把白天吸收的太阳光能转变为电能，并通过充放电路等控制器将存储在蓄电池中电能提供给各种负载。系统由太阳能电池组件、太阳能控制器（含逆变器）、蓄电池、机箱支架等组成。
1.1太阳能电池组件
太阳能电池组件是太阳能供电电系统中的最核心部分，它的主要作用就是将太阳能光子转化为电能，从而推动负载工作。太阳能电池分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳能电池。由于单晶硅电池比其他两类坚固耐用、使用寿命长(一般可达20年)、光电转换效率高等，目前道路监控摄像机太阳能供电系统大多少数采用单晶硅太阳能电池。
1.2太阳能控制器
太阳能控制器（含电源逆变器功能）控制整个系统的运行状态，同时为各种负载提供与之相互匹配的电能（电压和电流）。
太阳能控制器为蓄电池提供最佳充电电流和电压，为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电，另外，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，太阳能供电系统中的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。由于大多数摄像机需要交流电，因此太阳能控制器（含逆变器）需要进行DC-AC转换，根据需要进行升、降压处理。为进一步了解太阳能供电系统的运行状态，控制器还具有数据记录功能，预留通信接口可以进行本地实时数据显示和远程数据传输。
1.3蓄电池组
蓄电池组主要储存由太阳能电池板转化过来的电能，白天蓄电池组给负载供电，同时太阳能组件还给蓄电池充电，晚上或阴雨天负载用电全部由蓄电池供给。
1.4机箱支架
在南方地区太阳能供电系统安装在摄像机立柱上，机箱内安装蓄电池、控制器、光端机、终端盒等，为防盗一般安装高度为6m左右，机箱具有保温层，确保蓄电池工作温度。在北方地区，蓄电池一般采用地埋式安装。

2、 监控摄像机太阳能供电设计
目前高速公路道路摄像机主要有一体化球型摄像机和枪式云台摄像机两种，本文就一体化球型摄像机供电系统进行初步设计。
监控摄像机外场耗能设备一般有摄像机、光端机组成，一体化球型摄像机供电为交流24V，摄像机功率为20W，球机转动、加热时摄像机功率为45W。光端机为直流12V，功率为5W。
2.1确定负载功率及日耗电量
监控系统总功率有2部分组成，W1为摄像机、光端机等全天24小时工作设备功率之和；W2为摄像机转动、加热等设备功率之和，这些设备工作时间为Tl。
摄像机系统日耗电量Ps=W1×24＋W2×Tl＝(20+5)×24＋45×2＝690w
摄像机系统日耗电容量Q=Ps/U＝690/24=29 Ah U为系统工作电压
2.2太阳能电池板功率计算
计算时首先需查到当地的太阳能日平均辐射量，此数据可从当地气象部门获得，下表可供参考：
主要的城市纬度及日照情况 
城市
纬度Φ
日均辐射量
KW/ m2
修正系数
冬至正午日照高度
1996--2004年平均日照时数
拉 萨
29.70
5.92
1.096
36°56′
2807.4
西 宁
36.75
4.66
1.136
29°58′
2483.0
呼和浩特
40.78
4.60
1.147
25°47′
2692.2
银 川
38.48
4.60
1.156
28°07′
2749.4
北 京
39.80
4.24
1.098
26°41′
2489.0
太 原
37.78
4.18
1.101
28°43′
2396.8
兰 州
36.05
4.16
0.949
30°32′
2528.9
乌鲁木齐
43.78
4.02
1.009
22°49′
2442.9
天 津
39.10
3.99
1.069
27°27′
2223.7
昆 明
25.02
3.94
0.922
41°32′
2119.5
济 南
36.68
3.90
1.063
29°55′
2220.4
海 口
20.03
3.84
0.876
46°32′
1831.1
沈 阳
41.77
3.83
1.067
24°48′
2274.7
长 春
43.90
3.77
1.155
22°42′
2674.1
郑 州
34.72
3.70
1.048
31°50′
1876.2
武 汉
30.63
3.67
0.904
36°02′
1822.6
南 京
32.00
3.64
1.025
34°32′
1930.9
南 昌
28.67
3.64
0.864
37°54′
1790.4
西 安
34.30
3.55
0.928
32°19′
1528.9
上 海
31.17
3.54
0.990
35°21′
1754.9
哈尔滨
45.68
3.53
1.140
20°51′
2423.7
合 肥
31.85
3.48
0.999
34°43′
1797.0
南 宁
22.82
3.48
0.823
43°47′
1466.1
广 州
23.13
3.36
0.885
43°28′
1567.3
福 州
26.08
3.33
0.898
40°30′
1571.3
杭 州
30.23
3.24
0.936
36°19′
1647.3
长 沙
28.20
3.16
0.803
38°23′
1426.9
成 都
30.67
2.89
0.755
35°55′
945.7
贵 阳
26.58
2.87
0.814
40°00′
991.0

太阳能控制器效率为α，则实际需要发电量
Qz＝P/α=29/0.85=34.11Ah （一般α取0.85）
考虑到阴雨天后太阳能板不仅需给系统正常运行提供电能，还需给蓄电池充电等因素，太阳能发电裕量比率为（一般α取0.4）
以南京为例，太阳能日均辐射量为3.64KW/m2，相当于每天有峰值功率发电小时Tf＝3.64，修正系数为1.025，按太阳能电池表面污染及蓄电池自耗损系数为0.9，计所需的太阳能电池功率为：(给24V蓄电池充电的太阳能电池电压Ut为29V)
所需的太阳能电池功率为P={Qz×Ut×（1＋β）}/{Tf×1.025×0.9}={34.11×29×（1＋0.4）}/{3.64×1.025×0.9}=412 W
可选择210Wp的太阳能电池组件2块。
太阳能电池板安装倾角的确定:南方光照最少的月份是阴雨天，安装倾角靠近当地纬度值，北方光照最少月是因为太阳本身照射的时间短，安装倾角靠近垂直当月的日照高度角，在南京我们选择40度左右（居中）。
 2.3确定蓄电池组容量
蓄电池组容量Qx＝（γ×Qz×N×τ）/C
γ安全系数取1.1
N阴雨天数取5
τ温度修正系数，一般在0℃以上取1；－10℃以上取1.1; －10℃以下取1.2
C蓄电池放电深度取0.8
Qx=(1.1×34.11×5×1.1)/0.8=258Ah
蓄电池总容量为24V、258 Ah，选取太阳能监控专用胶体蓄电池12V、250Ah单体蓄电池2块，并联使用。
 2.4确定太阳能控制器
太阳能控制器工作电压不能低于太阳能电池板开路电压36.1V,最大充电电流不能小于太阳能电池板开路电流16A，输出工作电压为24V，输出功率不低于负载2倍功率（20＋45＋5）×2＝140W。

3、 结语
本文介绍了高速公路全程监控摄像机供电方案，给出一般计算方法，并对太阳能实例进行了设备参数的计算和选择。由于地理位置的不同、摄像机功耗不同、不同厂家太阳能板和蓄电池参数差异等因素，在实际工程中应结合实际情况进行设计。

参考文献
1、《高速公路太阳能供电系统的设计》辽宁省交通勘测设计院 刘振全

联系方式：胡星阳
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