太阳能发电在阿尔山景区监控及广播供电系统中的解决方案 / 开普饭

摘要

福建师范大学协和学院、内蒙古阿尔山国家森林公园的研究人员李阳、李东阜，在2018年第9期《电气技术》杂志上撰文，从内蒙古阿尔山景区监控及广播系统供电方面的实际需求出发，根据其特殊的地理位置，从工程的角度出发，探索并实现了太阳能供电系统的建立。

本文从系统技术设计，系统安装实施及成本控制等方面进行阐述，主要围绕着“风光系统设计方案，设备选型，太阳能电池板铺设参数设计及成本控制等方面”进行讨论。

阿尔山景区位于内蒙古大兴安岭西南麓，鉴于景区的管理和安全措施，需要架设监控及应急广播等设备。景区占地面积大，达十万公顷，地貌特征独特且多样，有火山遗迹、温泉地貌、花岗岩地貌，既有高山高原，森林灌木，又有湖泊河流[1]。每隔一定距离需架设一个监控及广播设备，总共需要架设较多的监控设备，这些设备的供电方案，成为需要考虑的重大问题[2]。

不同于其他景点，阿尔山景区部分景点高低海拔落差较大。对于高海拔的景点，如果采用长距离有线布线，直接从总供电柜把供电引到上去，雷击的概率很高，雷电通过有线电缆流入总供电柜，会对景区其他供电造成很大影响。

从资料显示和考察的结果证明[3]，我国大部分地区日照充足、风力资源丰富。阿尔山属于中国日照最多的地区之一，纬度在46º～47º，太阳辐射总量为5275MJ/m2，作物生长季内总辐射量占年值的66%～69%。年日平均照数为2468h，年日照百分率平均为56%，日照月份分布为5月份最大，平均为255.3h；12月份最小，平均为140.1h。图1为阿尔山林区年日照时数，由图可以得知1981—2011年平均日照时数（ASDU）呈上升趋势[4]，这与全球气候变暖相一致。

太阳能供电是一种既不消耗资源又无污染排放的清洁能源[5]，使用寿命长，性能稳定，景区维护费用较低。太阳年日照时数和年发电量之间满足以下公式：

（1）

式中，W为发电量；T为年日照时数；为辐射量与日照时数系数；Sarea为光伏阵列面积；1为太阳能电池阵列转换效率；2为光伏阵列效率；3为逆变器效率；4为交流并网效率。

通过式（1），带入图2数据，取最优化参数[6]，计算可得阿尔山地林区年均发电量变化图，如图2所示。由图可知，阿尔山景区太阳能资源充沛，年发电量在60MWp以上。

图1 阿尔山林区年日照时数（ASDU）

图2 阿尔山林区年均发电量变化图

使用太阳能供电系统，除了无需架设电力线并且一次性投资，无需缴纳电费这些优点外，还应考虑到其避免了因长距离布线导致雷击通过有线电缆对景区总供电系统的影响。在监控探头周围再加上有效的屏蔽隔离，可以降低雷击对设备影响的风险。

风能和太阳能具有天然的互补优势，景区白天太阳光强，夜晚无光有风。图3为阿尔山林区年均风速。由图3可以看出，阿尔山景区风速不高，基本低于3级。综合考虑选择采用太阳能供电为主，风力供电为辅的风光互补系统。一年中日照时间较短的月份，比如冬季，也可以采用风力供电作为辅助供电。

图3 阿尔山林区年均风速（AWDU）

1 系统技术方案

系统主要供电部分的部分原理图如图4所示，主要由太阳能电池阵列，汇流箱，光伏充放电控制器，风机及风机控制柜及中央控制单元（MCU），蓄电池组等组成。系统中主要部分电路及工作工作原理如图4所示。

图4 系统主要供电部分原理图

1）太阳能输入

太阳能电池阵列为主要的供电源，利用太阳能电池阵列的光伏效应，将光能转化为直流电能，进入汇流箱。为了方便扩充容量及MCU控制，太阳能硅板分为4组输入。

2）光伏充放电控制器

汇流箱输出的电能进入光伏充电控制器，通过PWM脉冲宽度调节，调整为12V电压进入主供电线对蓄电池进行充电。当蓄电池过冲时，通过放电控制器控制对其进行放电。选用德国D公司的控制器，其具有充电控制，放电控制和泄流控制3种功能，性能稳定。

3）风机输入

风机为辅助供电源，风力发电机输出的三相交流电，通过风机控制柜内整流电路[7]，输出的12V直流电，对蓄电池进行充电，由于风力发电不是主要供电来源，因此只需要一组输入。

4）MCU

MCU控制单元是该系统重要组件之一，具有数据处理、监视、统一管理等功能。在MCU统一管理下，多个光伏充电控制器和放电控制器可以同时工作。根据不同太阳能电池板接收日照情况，及蓄电池组的充电情况状态等因素，控制光伏充放电控制器，实现充放电的调节。

2 系统设计方案

因考虑到系统供电主要是以太阳能为主，风力发电辅助，系统设计方案主要按照太阳能供电来设计。

2.1 设备功率及日耗电量的确定

系统主要用电设备及工作时间要求见表1。

表1 主要用电设备及工作时间要求

由于大部分主要用电设备为12V用电，故按12V供电系统设计，无线网桥设备要配一个35～50W的DC/DC变换器供电。

每日总用电能Qd为

（2）

式中，Qh1、Qh2、Qh3为各主要用电设备在12V的电压等级下，日耗电能；为无线网桥所用DC/DC变换器的损耗系数，根据型号测算为1.25。

每日以12V供电提供的电量Ad为

（3）

式中，Qd为每日总用电能；Vd为供电系统设计电压，为12V。

2.2 蓄电池组容量及太阳能电池板容量的确定

蓄电池的容量对保证系统连续供电是很重要的。因为设备所需的电量都是由蓄电池提供的，所以太阳能方阵每日所发电量都要存储到蓄电池以供设备消耗。

蓄电池每日应冲的电能Bd为

（4）

式中，Vb为太阳能电池工作电压，一般取17V；为太阳能电池和蓄电池的综合损耗系数，一般取1.23。

蓄电池总电能Bc为

（5）

式中，T为太阳能电池板无输入的时间。

建设单位要求系统主要用电设备连续阴天5天内应能正常工作。虽然阴雨天太阳能电池板也是有一定发电量的，但是在部分林区，树阴茂密，供电量低，加上辅助设备也要耗电，在计算时不予考虑。

蓄电池的总电量Ab为

（6）

式中，Vb为蓄电池输出电压，取值12V，与主要设备供电电压是一致的。

胶体电池能量和功率要比常规铅酸电池大 20% 以上，寿命一般也是常规铅酸电池长一倍左右，耐高温及低温。根据计算结果，采用800Ah的12V免维护储能胶体电池。

太阳能板最大输出功率Pm为

（7）

式中，Tp为峰值发电时间，查相关資料本地平均有效日照时间为4.6h[4]，相当于每天折合按峰值发电时间为3h。

采用640Wp太阳能电池板。根据景区安装空间测算，640Wp峰瓦的太阳能板可分成4块，每块为160W，工作电压为16～17V即可。

3 系统的安装方案

3.1 太阳能电池板材料选择

目前有3种太阳能电池板，即单晶硅、多晶硅和薄膜。

从材料成本上考虑，薄膜太阳能电池板成本最低，多晶硅其次，单晶硅最贵。从转换效率来看，薄膜太阳能电池板在实验室中电池的稳定最高能量转换效率只有13%左右，多晶硅太阳电池的平均能量转换效率能达到14%，最高为19.8%；单晶硅为15%，最高可达25.0%[8]。

在户外太阳光的长期照射下，薄膜太阳能电池的能量转换效率也有一定的衰减，需要定期维护。考虑根据景区面积大，人力成本有限，太阳能板固定后，要能长时间工作。在各种光强下，单晶硅太阳能电池板的发电效能最高，稳定性好。综合考虑后，选择较贵，但发电效能最高的单晶硅太阳能板。

3.2 支架形状选择

常见的支架形式分为固定式和向日葵追光旋转式。

如果使用后者，就会遇到以下几个问题：1）部分设备所在的景点并不开阔，树林茂密，支架旋转空间有限；2）追光系统需要的控制器需要电源转换模块及稳压电源，电路的复杂使得太阳能电池耗电量增加，也使得景区成本增加。

景区需要较为成熟简单及低成本的方案，根据综合考虑，支架工程方案采用固定式方案。

单块太阳能面板面积约5m2，单杆架设很困难，因此采用业界普遍使用的H型双杆架设。架设位置根据各个景点地貌不同可以选择不同高度。考虑冬天要回收集中保存也可以直接在地面架设。根据施工现场测量，为减少风阻力，太阳能电池下沿距地面应大于0.6m，横列太阳能板间距要大于0.2m，纵列太阳能板之间的距离要大于0.3m。

3.3 光电板设计角度的确定

太阳能光电板设计角度确定，目前行业内比较普遍采用的方法是根据所在地的纬度进行计算[10]。冬季的太阳能辐射最弱，系统在冬季能满足使用要求，一般情况下在其他季节基本够用。根据以下估算公式[11]，可以算出所在景区的冬季最佳倾角Td，即

（8）

式中，L为纬度（阿尔山市：L=47.18）。

此种计算方法是建立在理想的实验室条件下，假设没有任何遮挡物，如树、山等。但在林区这种情况少见，因此计算出来的角度只能作为一个架设参考值。经过实际工程数据测试，角度降低8°在63°效果最好。

考虑根据每年气候条件不同，景区对开放时间的调整。如果冬天不开放，只在夏季5个月开放，太阳能电池板角度就还需进行调整。

可在后支架在对应的角度钻好预留固定孔，以便进行调整。根据测算数据可知[12]，内蒙古阿尔山地区，正午12点，夏至日太阳方位角度（155°）和冬至太阳角度（172°），相差17°，太阳能电池板对地面的夹角可再调小 17°，固定在46°。

4 成本预算

摄像头是主要的耗电来源，视频监控主要为游客服务，为节约更多成本，在游客退场后可在中心机房遥控关闭摄像机电源，将摄像头工作时间改为每天12h。在有必要的时候通过遥控换醒摄像机进入设防状态工作。

根据式（2），可以得出缩短摄像头工作时间后，每日耗电量下降33%，蓄电池容量也可下调33%左右，由800A时降到约500A时，更便于安装和维护。太阳能电池板容量不建议降低，因为其是用电的源泉，便宜，寿命长，所以即使阴天也会发出一部份电力。