福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院、內(nèi)蒙古阿爾山國家森林公園的研究人員李陽、李東阜，在2018年第9期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，從內(nèi)蒙古阿爾山景區(qū)監(jiān)控及廣播系統(tǒng)供電方面的實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)其特殊的地理位置，從工程的角度出發(fā)，探索并實(shí)現(xiàn)了太陽能供電系統(tǒng)的建立。

本文從系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)安裝實(shí)施及成本控制等方面進(jìn)行闡述，主要圍繞著"風(fēng)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)備選型，太陽能電池板鋪設(shè)參數(shù)設(shè)計(jì)及成本控制等方面"進(jìn)行討論。

阿爾山景區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺西南麓，鑒于景區(qū)的管理和安全措施，需要架設(shè)監(jiān)控及應(yīng)急廣播等設(shè)備。景區(qū)占地面積大，達(dá)十萬公頃，地貌特征獨(dú)特且多樣，有火山遺跡、溫泉地貌、花崗巖地貌，既有高山高原，森林灌木，又有湖泊河流[1]。每隔一定距離需架設(shè)一個(gè)監(jiān)控及廣播設(shè)備，總共需要架設(shè)較多的監(jiān)控設(shè)備，這些設(shè)備的供電方案，成為需要考慮的重大問題[2]。

不同于其他景點(diǎn)，阿爾山景區(qū)部分景點(diǎn)高低海拔落差較大。對(duì)于高海拔的景點(diǎn)，如果采用長(zhǎng)距離有線布線，直接從總供電柜把供電引到上去，雷擊的概率很高，雷電通過有線電纜流入總供電柜，會(huì)對(duì)景區(qū)其他供電造成很大影響。

從資料顯示和考察的結(jié)果證明[3]，我國大部分地區(qū)日照充足、風(fēng)力資源豐富。阿爾山屬于中國日照最多的地區(qū)之一，緯度在46o～47o，太陽輻射總量為5275MJ/m2，作物生長(zhǎng)季內(nèi)總輻射量占年值的66%～69%。年日平均照數(shù)為2468h，年日照百分率平均為56%，日照月份分布為5月份最大，平均為255.3h；12月份最小，平均為140.1h。圖1為阿爾山林區(qū)年日照時(shí)數(shù)，由圖可以得知1981—2011年平均日照時(shí)數(shù)（ASDU）呈上升趨勢(shì)[4]，這與全球氣候變暖相一致。

太陽能供電是一種既不消耗資源又無污染排放的清潔能源[5]，使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，景區(qū)維護(hù)費(fèi)用較低。太陽年日照時(shí)數(shù)和年發(fā)電量之間滿足以下公式：

  式1

式中，W為發(fā)電量；T為年日照時(shí)數(shù)；◆?為輻射量與日照時(shí)數(shù)系數(shù)；Sarea為光伏陣列面積；◆1為太陽能電池陣列轉(zhuǎn)換效率；◆2為光伏陣列效率；◆3為逆變器效率；◆4為交流并網(wǎng)效率。

通過式（1），帶入圖2數(shù)據(jù)，取最優(yōu)化參數(shù)[6]，計(jì)算可得阿爾山地林區(qū)年均發(fā)電量變化圖，如圖2所示。由圖可知，阿爾山景區(qū)太陽能資源充沛，年發(fā)電量在60MWp以上。

圖1 阿爾山林區(qū)年日照時(shí)數(shù)（ASDU）

圖2 阿爾山林區(qū)年均發(fā)電量變化圖

使用太陽能供電系統(tǒng)，除了無需架設(shè)電力線并且一次性投資，無需繳納電費(fèi)這些優(yōu)點(diǎn)外，還應(yīng)考慮到其避免了因長(zhǎng)距離布線導(dǎo)致雷擊通過有線電纜對(duì)景區(qū)總供電系統(tǒng)的影響。在監(jiān)控探頭周圍再加上有效的屏蔽隔離，可以降低雷擊對(duì)設(shè)備影響的風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)能和太陽能具有天然的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，景區(qū)白天太陽光強(qiáng)，夜晚無光有風(fēng)。圖3為阿爾山林區(qū)年均風(fēng)速。由圖3可以看出，阿爾山景區(qū)風(fēng)速不高，基本低于3級(jí)。綜合考慮選擇采用太陽能供電為主，風(fēng)力供電為輔的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。一年中日照時(shí)間較短的月份，比如冬季，也可以采用風(fēng)力供電作為輔助供電。

圖3 阿爾山林區(qū)年均風(fēng)速（AWDU）

1 系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)主要供電部分的部分原理圖如圖4所示，主要由太陽能電池陣列，匯流箱，光伏充放電控制器，風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)控制柜及中央控制單元（MCU），蓄電池組等組成。系統(tǒng)中主要部分電路及工作工作原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主要供電部分原理圖

1）太陽能輸入

太陽能電池陣列為主要的供電源，利用太陽能電池陣列的光伏效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，進(jìn)入?yún)R流箱。為了方便擴(kuò)充容量及MCU控制，太陽能硅板分為4組輸入。

2）光伏充放電控制器

匯流箱輸出的電能進(jìn)入光伏充電控制器，通過PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)，調(diào)整為12V電壓進(jìn)入主供電線對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)蓄電池過沖時(shí)，通過放電控制器控制對(duì)其進(jìn)行放電。選用德國D公司的控制器，其具有充電控制，放電控制和泄流控制3種功能，性能穩(wěn)定。

3）風(fēng)機(jī)輸入

風(fēng)機(jī)為輔助供電源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電，通過風(fēng)機(jī)控制柜內(nèi)整流電路[7]，輸出的12V直流電，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，由于風(fēng)力發(fā)電不是主要供電來源，因此只需要一組輸入。

4）MCU

MCU控制單元是該系統(tǒng)重要組件之一，具有數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視、統(tǒng)一管理等功能。在MCU統(tǒng)一管理下，多個(gè)光伏充電控制器和放電控制器可以同時(shí)工作。根據(jù)不同太陽能電池板接收日照情況，及蓄電池組的充電情況狀態(tài)等因素，控制光伏充放電控制器，實(shí)現(xiàn)充放電的調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

因考慮到系統(tǒng)供電主要是以太陽能為主，風(fēng)力發(fā)電輔助，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要按照太陽能供電來設(shè)計(jì)。

2.1 設(shè)備功率及日耗電量的確定

系統(tǒng)主要用電設(shè)備及工作時(shí)間要求見表1。

表1 主要用電設(shè)備及工作時(shí)間要求

由于大部分主要用電設(shè)備為12V用電，故按12V供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無線網(wǎng)橋設(shè)備要配一個(gè)35～50W的DC/DC變換器供電。

每日總用電能Qd為

 式（2）

式中，Qh1、Qh2、Qh3為各主要用電設(shè)備在12V的電壓等級(jí)下，日耗電能；◆?為無線網(wǎng)橋所用DC/DC變換器的損耗系數(shù)，根據(jù)型號(hào)測(cè)算為1.25。

每日以12V供電提供的電量Ad為

 式（3）

式中，Qd為每日總用電能；Vd為供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓，為12V。

2.2 蓄電池組容量及太陽能電池板容量的確定

蓄電池的容量對(duì)保證系統(tǒng)連續(xù)供電是很重要的。因?yàn)樵O(shè)備所需的電量都是由蓄電池提供的，所以太陽能方陣每日所發(fā)電量都要存儲(chǔ)到蓄電池以供設(shè)備消耗。

蓄電池每日應(yīng)沖的電能Bd為

 式（4）

式中，Vb為太陽能電池工作電壓，一般取17V；◆為太陽能電池和蓄電池的綜合損耗系數(shù)，一般取1.23。

蓄電池總電能Bc為

  式（5）

式中，T為太陽能電池板無輸入的時(shí)間。

建設(shè)單位要求系統(tǒng)主要用電設(shè)備連續(xù)陰天5天內(nèi)應(yīng)能正常工作。雖然陰雨天太陽能電池板也是有一定發(fā)電量的，但是在部分林區(qū)，樹陰茂密，供電量低，加上輔助設(shè)備也要耗電，在計(jì)算時(shí)不予考慮。

蓄電池的總電量Ab為

  式（6）

式中，Vb為蓄電池輸出電壓，取值12V，與主要設(shè)備供電電壓是一致的。

膠體電池能量和功率要比常規(guī)鉛酸電池大 20% 以上，壽命一般也是常規(guī)鉛酸電池長(zhǎng)一倍左右，耐高溫及低溫。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用800Ah的12V免維護(hù)儲(chǔ)能膠體電池。

太陽能板最大輸出功率Pm為

  式（7）

式中，Tp為峰值發(fā)電時(shí)間，查相關(guān)資料本地平均有效日照時(shí)間為4.6h[4]，相當(dāng)于每天折合按峰值發(fā)電時(shí)間為3h。

采用640Wp太陽能電池板。根據(jù)景區(qū)安裝空間測(cè)算，640Wp峰瓦的太陽能板可分成4塊，每塊為160W，工作電壓為16～17V即可。

3 系統(tǒng)的安裝方案

3.1 太陽能電池板材料選擇

目前有3種太陽能電池板，即單晶硅、多晶硅和薄膜。

從材料成本上考慮，薄膜太陽能電池板成本最低，多晶硅其次，單晶硅最貴。從轉(zhuǎn)換效率來看，薄膜太陽能電池板在實(shí)驗(yàn)室中電池的穩(wěn)定最高能量轉(zhuǎn)換效率只有13%左右，多晶硅太陽電池的平均能量轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到14%，最高為19.8%；單晶硅為15%，最高可達(dá)25.0%[8]。

在戶外太陽光的長(zhǎng)期照射下，薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率也有一定的衰減，需要定期維護(hù)。考慮根據(jù)景區(qū)面積大，人力成本有限，太陽能板固定后，要能長(zhǎng)時(shí)間工作。在各種光強(qiáng)下，單晶硅太陽能電池板的發(fā)電效能最高，穩(wěn)定性好。綜合考慮后，選擇較貴，但發(fā)電效能最高的單晶硅太陽能板。

3.2 支架形狀選擇

常見的支架形式分為固定式和向日葵追光旋轉(zhuǎn)式。

如果使用后者，就會(huì)遇到以下幾個(gè)問題：1）部分設(shè)備所在的景點(diǎn)并不開闊，樹林茂密，支架旋轉(zhuǎn)空間有限；2）追光系統(tǒng)需要的控制器需要電源轉(zhuǎn)換模塊及穩(wěn)壓電源，電路的復(fù)雜使得太陽能電池耗電量增加，也使得景區(qū)成本增加。

景區(qū)需要較為成熟簡(jiǎn)單及低成本的方案，根據(jù)綜合考慮，支架工程方案采用固定式方案。

單塊太陽能面板面積約5m2，單桿架設(shè)很困難，因此采用業(yè)界普遍使用的H型雙桿架設(shè)。架設(shè)位置根據(jù)各個(gè)景點(diǎn)地貌不同可以選擇不同高度?？紤]冬天要回收集中保存也可以直接在地面架設(shè)。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，為減少風(fēng)阻力，太陽能電池下沿距地面應(yīng)大于0.6m，橫列太陽能板間距要大于0.2m，縱列太陽能板之間的距離要大于0.3m。

3.3 光電板設(shè)計(jì)角度的確定

太陽能光電板設(shè)計(jì)角度確定，目前行業(yè)內(nèi)比較普遍采用的方法是根據(jù)所在地的緯度進(jìn)行計(jì)算[10]。冬季的太陽能輻射最弱，系統(tǒng)在冬季能滿足使用要求，一般情況下在其他季節(jié)基本夠用。根據(jù)以下估算公式[11]，可以算出所在景區(qū)的冬季最佳傾角Td，即

  式（8）

式中，L為緯度（阿爾山市：L=47.18）。

此種計(jì)算方法是建立在理想的實(shí)驗(yàn)室條件下，假設(shè)沒有任何遮擋物，如樹、山等。但在林區(qū)這種情況少見，因此計(jì)算出來的角度只能作為一個(gè)架設(shè)參考值。經(jīng)過實(shí)際工程數(shù)據(jù)測(cè)試，角度降低8°在63°效果最好。

考慮根據(jù)每年氣候條件不同，景區(qū)對(duì)開放時(shí)間的調(diào)整。如果冬天不開放，只在夏季5個(gè)月開放，太陽能電池板角度就還需進(jìn)行調(diào)整。

可在后支架在對(duì)應(yīng)的角度鉆好預(yù)留固定孔，以便進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)測(cè)算數(shù)據(jù)可知[12]，內(nèi)蒙古阿爾山地區(qū)，正午12點(diǎn)，夏至日太陽方位角度（155°）和冬至太陽角度（172°），相差17°，太陽能電池板對(duì)地面的夾角可再調(diào)小 17°，固定在46°。

4 成本預(yù)算

攝像頭是主要的耗電來源，視頻監(jiān)控主要為游客服務(wù)，為節(jié)約更多成本，在游客退場(chǎng)后可在中心機(jī)房遙控關(guān)閉攝像機(jī)電源，將攝像頭工作時(shí)間改為每天12h。在有必要的時(shí)候通過遙控?fù)Q醒攝像機(jī)進(jìn)入設(shè)防狀態(tài)工作。根據(jù)式（2），可以得出縮短攝像頭工作時(shí)間后，每日耗電量下降33%，蓄電池容量也可下調(diào)33%左右，由800A時(shí)降到約500A時(shí)，更便于安裝和維護(hù)。太陽能電池板容量不建議降低，因?yàn)槠涫怯秒姷脑慈阋?，壽命長(zhǎng)，所以即使陰天也會(huì)發(fā)出一部份電力。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)阿爾山景區(qū)高低錯(cuò)落的獨(dú)特地貌特征及其豐富的太陽能資源特點(diǎn)的研究，設(shè)計(jì)了一套基于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的監(jiān)控及廣播供電系統(tǒng)，并根據(jù)其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)安裝方案中的部分技術(shù)問題，提出了解決方案，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用效果良好。

該系統(tǒng)分為風(fēng)光輸入部分，充放電控制部分，蓄電池儲(chǔ)能部分。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，主要解決了根據(jù)設(shè)備耗電估算太陽能電池板容量及蓄電池容量的問題，提供了具體工程中用于計(jì)算的公式及方法。在系統(tǒng)的安裝方案中，根據(jù)景區(qū)獨(dú)特的地貌情況及景區(qū)開支的需求，在太陽能電池板材料，支架方面提出了解決方案。

不同于理論及仿真，在太陽能電池板安裝角度問題上，對(duì)公式計(jì)算的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)地工程測(cè)試調(diào)整，提供了具體實(shí)施的測(cè)算方式。此外根據(jù)施工方需要，提出成本控制的策略。

本文為其他同地貌景區(qū)的太陽能供電系統(tǒng)提供了參考意義，具有較大的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。