实施单位：河南高速公路发展有限责任公司
项 目：太阳能技术在连霍高速公路郑州至洛阳段道路全程监控系统中的应用
一、概况
河南高速公路发展有限责任公司是河南省人民政府授权省交通运输厅组建的国有独资企业，公司管理资产总额达1100亿元，员工总数近2万人。主营高速公路、 特大型独立桥梁等交通基础设施的开发建设、养护和经营管理，是河南省高速公路建设管理的投资主体。成立以来，累计建成通车高速公路2540公里，约占全省 通车高速公路的53%；管养已通车高速公路2069公里，为全省高速公路通车总里程的46%；在建高速公路404公里。公司目前下设郑州、商丘、开封、洛 阳、三门峡等15个管理分公司，9个项目建设公司，15个多种经营公司，控股河南中原高速公路股份有限公司，公司机关设办公室、工程管理部、养护管理部、 路产管理部等职能部门。经营范围涉及高速公路工程施工、道路养护、交通机电运营维护、服务区经营、油品供应等领域。
随着河南高速公路路网的逐步形成，对道路设施和交通状况进行全面监控，为制定和实施应急预案，减少道路拥堵、预防交通事故、提高服务水平，河南 高速公路发展有限责任公司决定在连（运港）霍（尔果斯）高速公路郑州和洛阳管辖的220km范围内（K528+881-K748+136）实施道路全程监 控。
为扩展监视范围，有效实施全程监控，外场摄像机的设置间隔约为2km,处于一种线状的非集中布局，若采用电网供电方式，存在线路损耗大、建设 投资成本高、施工复杂和运营维护费用高等问题。同时，该路段即将实施不中断运营的道路两侧拓宽工程（四改八），外场摄像机需设置在中央隔离带。如在中央隔 离带敷设电力电缆，则影响通信及其它弱电信号。因此，摄像机供电问题已成为项目实施单位面临的难点问题。
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁环保型能源，利用太阳能光伏技术将太阳能转换为电能，现已广泛应用于航空航天、气象站、遥测遥感、航道灯塔、铁路信号、通信以及偏远地区、海岛居民的供电等领域。太阳能光伏发电技术为上述问题提供了解决方案。
因此，根据郑洛路全程监控实际需要，从经济、节能、环保、缩短工期的角度考虑，连霍高速公路郑州至洛阳段道路监控系统了采用太阳能供电方式，为全线100套视频监控摄像机供电。
二、基本原理
（一）系统原理
太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池组件在日照辐射下产生光伏电流，为用电负载提供电力能源。太阳能电池产生的电流通过充放电控制器一方面对负 载直接供电，另一方面将多余的电能储存在蓄电池中以备光照不足时向负载供电。交流负载可通过逆变器、变压器转换成适用的交流电供电。为应对恶劣气象条件造 成蓄电池电量不足的情况，系统可配置市电或自发电应急充电接口。为了提高供电系统的可靠性通过光端机将光伏系统的运行状态实时上传至监控中心，以便及时采 取人工维护措施。
（二）自然条件分析
郑洛路处于河南省中部，位于北纬34.7度，全年日照2000-2600小时，年均日照率为45-55%，年太阳辐射总量110-125千卡/ 平方厘米，沿线日平均辐照时间约4.1小时，属于三级太阳能资源地区中光能资源较丰富的区域。因此，郑洛路实现太阳能全程监控具有较好的自然条件。
三、实施方案
（一）太阳能全程监控系统构成
太阳能供电的高速公路道路全程监控系统由太阳能电池阵列、蓄电池组、太阳能充放电控制器、逆变器、变压器、摄像机和光端机等设备组成，如图所示。
（二）优化设计
太阳能光伏发电技术在公路交通行业中应用的主要障碍是供电负载的适用性问题，如何结合高速公路全程监控系统的用电负载特性，优化供电系统设计，降低用电负载功耗，提高太阳能发电系统效率则是该项目的关键技术环节。
因此，本项目针对系统主要部件进行如下优化。
1、摄像机
为降低太阳能供电系统的初期投资成本，在满足交通监控图像质量要求的前提下，经过试验与研究，对摄像机用电功率提出具体要求并进行技术改进，将一台全天候带云台摄像机的额定功率限定在30W以内，并且采用直流24V供电方式。
2、电源变换系统
为适应负载的直流供电模式，对视频监控系统中用电负载进行系列技术改造，将多数交流负载改 为直流负载。通过技术改造，节省了逆变器和变压器的设备投资，降低了电源系统的故障风险，减少了逆变器和变压器自身的用电损耗，提高了太阳能供电系统的可 靠性和电源系统的利用率，同时也降低了供电系统对太阳能电池阵列和蓄电池的容量需求，从而进一步节省建设成本，提高经济效益。
3、太阳能电池板
太阳电池板是太阳能供电系统中的关键设备，安装角度对发电效率影响较大，并尽量避免水平安装或垂直放置。经试验，该项目太阳能电池板最佳安装倾角为41.7度，朝向正南。
在太阳能供电系统中，单晶硅型电池光电转换效率优于多晶硅和非晶硅，虽然非单晶硅太阳能电池板在特殊条件下可以作为补充电源应用，但考虑到其供电能力较低，老化速度较快的特点，该项目选用了单晶硅太阳能电池板。
4、蓄电池
利用电化学反应实现电能和化学能的相互转换，是太阳能供电系统中的储能装置。其主要技术指标包括容量、循环使用寿命、浮充使用寿命等；主要控制参数包括放电深度、浮充电压、最大充放电电流等。
综合考虑各种类型蓄电池的特点，结合成本分析，该项目选用免维护胶体型铅酸蓄电池。
温度对铅酸蓄电池的性能影响明显，在室外应对铅酸蓄电池进行恒温处理，工程上通常将蓄电池 放置在地井或地上的基础建筑中。本项目经过多种实验手段充分验证温度对蓄电池性能的影响，将蓄电池放入保温防护箱并埋入冻土层以下，保证了蓄电池最佳工作 状态。运行5年来，经抽样检测，蓄电池工作状态良好。
5、太阳能充放电控制器
为了实现太阳能电池、蓄电池和负载之间的合理匹配，保障供电质量，提高太阳能供电系统效率 和延长蓄电池使用寿命。本项目选用了12、24、48VDC自适应的20A太阳能充放电控制器，设置过放电压为21.6VDC，以保证极端恶劣气候条件下 可靠供电。并配置数据采集模块，将蓄电池电压、充电电流、放电电流等参数实时上传至监控中心电源管理系统。
四、保障措施
（一）领导重视
对于节能减排和新能源的应用，公司领导高度重视，专门成立了项目领导小组，为项目实施提供了有力的组织保障。此外，在人力、物力、财力方面也给予了积极支持，并提供了充足的研究试验经费。
（二）精心组织
项目组经历了调研、太阳能自然条件分析与测试、方案论证、试验验证、施工设计、采购、施工安装、调试验收、运营维护等全过程，对每一步都设定目标，落实到人，做到记录完整、论述充分、数据可靠，确保整个项目目标的实现。
（三）技术支持
如此大规模地实施太阳能供电系统，在公路交通领域尚无先例，一个小的技术细节都可能影响整个系统的运行，公司委托了具有丰富设计、实验、检测经验的国内权威机构对每个关键技术点都进行充分的技术论证，针对郑洛路实际情况搭建了试验平台，按照设计原理图对每个节点都进行了实验分析，在此基础上筛选出符合要求的系统部件和施工方案，确保了项目顺利实施。
五、项目成效
该项目在全长约220km的路段实施了100套太阳能全程道路监控系统，5年来产生的直接经济效益和社会效益十分显著。
（一）经济效益
1、太阳能全程监控系统产生的直接经济效益
该系统投入运行后，值班人员定时利用摄像机进行人工巡查，每天可减少路政人员两次路巡计880公里，以百公里耗油10升计算，每年可节约汽油32120升，以每升汽油6元计，每年节省19.27万元人民币。5年来共节约人民币96.35万元。
2、采用太阳能供电产生的直接经济效益
（1）节约建设费用
节约建设费用：688.4万元，详见下表。
（2）节约电费
节约电费：43800kWh/年，5年节电219000 kWh，计22万元。
（二）社会效益
每燃烧1升汽油可产生2.4kg二氧化碳，实施全程监控每年节约汽油32120升，每年可减少二氧化碳排放77吨。5年来累计减少二氧化碳排放385吨。
经测算道路监控系统每套每天耗电1.2kWh、全线共布设100套，每年耗电 43800kWh。采用太阳能供电，每年节约市电43800kWh，相当于减少标准煤1.314吨，减少排放二氧化碳3.44吨、二氧化硫11.7kg、 氮氧化物9.72kg。5年来该太阳能供电系统，累计节约标准煤6.57吨，减少排放二氧化碳17.20吨、二氧化硫55.85kg、氮氧化物 48.60kg。
推广建议：
项目实施单位以此示范项目为基础，将实施过程中的技术细节、系统的优化选型以及后期运营维护方面的经验进一步提炼、总结，尽快制定出相关的企业标准，经试用后进而升级为地方标准，以利于在更大范围中推广应用。
推广应用单位要严格核算当地光照条件及负载情况，优化系统设计，并在实施过程严格遵循施工工艺，特别注意蓄电池防水、防潮及恒温措施，确保工程质量，保证系统可靠运行。
此示范项目为太阳能在公路沿线设施供电提供了成功案例，消除了许多应用单位的顾虑，建议行 业主管部门以此为契机，尽快制订相应的行业标准或技术规范，推动全行业应用清洁环保能源，进一步推进节能减排示范活动在公路沿线设施用电领域的广泛开展， 全面提高交通节能减排工作水平。
