本文主要介紹了京臺高速安徽段的GPRS通信和太陽能供電技術的應用情況，并重點對太陽能發(fā)電原理及電池板功率計算方法進行了詳細解釋，希望讀者喜歡。

    近幾年隨著國家對高速公路建設的大量投入，高速公路里程也迅速增加，截止到2007年底，安徽省的高速公路里程已經達到了2200多公里。為保證高速公路正常高效運轉，充分發(fā)揮其舒適、快捷、安全、高效的性能，高速公路路況信息采集工作顯的更加重要，這對信息的依賴程度越來越高，絕對不可能獨立于信息化浪潮之外，必須采用現(xiàn)代化的手段，如應用信息技術、能源技術、計算機技術、人工智能等技術，才能實現(xiàn)復雜路段下的路況信息采集，建立高速公路路況信息實時采集監(jiān)控管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)高速公路路況資源管理的信息化。

    京臺高速安徽段（G3高速）是國家公路網中7條首都放射線之一——它是北京到臺北高速公路的重要組成部分，也是連接北京、山東、浙江、福建、江西四省的省際干線公路，京臺高速合徐南段充分利用了GPRS通信和太陽能供電技術實現(xiàn)交通路況信息采集。

高速公路傳統(tǒng)路況信息傳輸模式
系統(tǒng)組成
    目前安徽省高速公路機電系統(tǒng)中主要包括：監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、收費系統(tǒng)。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)主要包括信息采集、信息處理、信息提供和反應決策等幾種功能。其是設在道路沿線的各種外場設備，能及時向各級監(jiān)控中心提供數據，實時反應道路的各種運行狀況。這些外場設備主要有：車輛檢測器（環(huán)型線圈、微波、紅外、視頻等多種類型）、氣象檢測器、能見度檢測器、隧道內的CO檢測器、煙霧等火災檢測器、路側緊急電話機等。監(jiān)控中心也可以通過各種設備將交通運行狀況和各種決策信息及時告知司乘人員，這些設備主要有可變情報板、可變限速標志、車道控制標志及巡邏車等。

路況信息采集系統(tǒng)組成及傳統(tǒng)傳輸模式
    路況信息采集系統(tǒng)主要包括：車輛檢測器（環(huán)型線圈、微波、紅外、視頻等多種類型）、氣象檢測器、能見度檢測器、隧道內的CO檢測器、煙霧等火災檢測器等。

    傳統(tǒng)信息采集模式：路況采集終端設備一般有一個供傳輸的接口，該接口通過串口轉發(fā)設備經高速公路通信系統(tǒng)及網絡設備等進入通信中心（監(jiān)控中心），實現(xiàn)對路況信息的采集。這種傳輸模式需依附干線管道為設備提供電源和傳輸光纜，對特殊路段如離收費站點較遠的地方，無法實現(xiàn)為采集設備提供電源和傳輸光纜，或者是實施成本太高。

GPRS通信和太陽能供電技術下的傳輸模式
    通過GPRS通信和太陽能供電技術在G3高速公路安徽合徐南段實現(xiàn)了交通路況信息采集，徹底改變傳統(tǒng)傳輸與供電模式，真正實現(xiàn)了哪里需要，哪里就可以實現(xiàn)交通路況信息的采集。

GPRS組網方案
    本次在G3高速公路安徽合徐南段建設的四個能見度儀和一個氣象站，分布在沿線多霧、彎道及事故的多發(fā)地段。設備采用太陽能供電，并通過GPRS網絡與管理中心進行信息傳輸，把采集到的空氣能見度、氣象（如溫度、風向、風力等）等信息數據傳輸到管理中心，進行數據接收、處理、存儲等（通信前端現(xiàn)地采集站控制機理如圖1所示）。

[nextpage]     基于GPRS組建的網絡，接入方式有三種，即專線接入方式、公網接入方式和無線接入方式，本路段主要采用GPRS MODEM接入方式，接入示意圖如圖2。

    GPRS通訊方式采用申請專用VPN，移動運營商分配給數據中心Modem網內固定IP地址；數據中心通過無線GPRS Modem與遙測站實現(xiàn)多點對中心數據通信，遠地遙測站根據配置的數據中心網內IP地址與數據中心建立數據通道。利用中國移動提供VPN業(yè)務，為用戶組建基于GPRS的虛擬專有數據網絡，通過分配一個固定IP地址網段，這些地址只能在該用戶的VPN內部之間通信，不能與其他用戶的VPN節(jié)點通信，也不能與通過Internet接入的用戶節(jié)點通信。

    移動公司可為每一臺GPRS DTU的SIM卡分配固定IP地址，數據中心根據每臺DTU的ID號或IP地址進行通訊，也可不必為每一臺DTU分配固定IP地址，DTU連接GPRS網絡后，在指定網段內動態(tài)獲得IP地址，這種情況下，數據中心根據每臺DTU的ID號進行注冊和通訊。用戶的數據監(jiān)控中心經無線GPRS Modem連接至移動公司GGSN服務器，這種接入方法的特點主要是：

·數據在自己的VPN專網內進行通訊，外界的終端或節(jié)點不能進入，數據安全性好；
·數據在自己的VPN專網內進行通訊，也保證了數據傳輸的實時性；
·接入成本僅為DDN專線接入的三分之一。費用降低，使用帶寬在40-80K之間，通訊性能完全滿足目前高速公路路況信息數據傳輸要求；
·中心接入點或遙測站均可綁定內網固定IP，偶爾掉線可以控制再自動上線，不會丟失地址；
·在條件許可的情況下，移動還提供中心端專線（光纖）接入的方案，中心端帶寬更寬，可達2M，中心端IP也是固定的，數據也是在VPN專網內傳輸，適合大批量數據傳輸業(yè)務。

GPRS 通信流程
    GPRS的通信具有一套詳細的流程（參見圖3），由GPRS無線網絡將交通路況數據傳送到管理中心后，首先經過防火墻，再由通信服務程序進行檢錯、數據格式歸一化處理，以TCP/IP方式發(fā)送給數據庫服務器，接著由入庫軟件程序進行數據解析、標記、合成等處理后，將數據寫入相應的數據庫。還可以用WEB服務軟件從數據庫中讀取數據，通過網頁的方式，以圖形化的界面顯示實時數據及統(tǒng)計分析報表等。

GPRS 無線網絡優(yōu)點
無線網絡具有以下優(yōu)點：
·覆蓋范圍廣；
·不受距離與地形限制；
·使用費率低；[nextpage]
·設備功耗低、維護簡單，擴展方便；
·速度高；
·技術成熟，設備兼容性好，設備選擇余地大。

    太陽能板發(fā)電量與日照量成正比，晴天時發(fā)電量大，陰天時發(fā)電量?。惶栔鄙鋾r發(fā)電量大，偏移時發(fā)電量小。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理
    太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用如下：

·太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作；
·太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其它附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項；
·蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來；
·逆變器：太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設計需要考慮的因素具體如下：
1、太陽能發(fā)電系統(tǒng)在哪里使用？該地日光輻射情況如何？
2、系統(tǒng)的負載功率多大？
3、系統(tǒng)的輸出電壓是多少，直流還是交流？
4、系統(tǒng)每天需要工作多少小時？
5、如遇到沒有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天？
6、負載的情況，純電阻性、電容性還是電感性，啟動電流多大？
7、系統(tǒng)需求的數量。

太陽能電池板功率計算方法
    太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變器。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負載提供足夠的電源，就要根據用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6個小時為例，介紹一下計算方法。

1、首先應計算出每天消耗的瓦時數（包括逆變器的損耗）
    若逆變器的轉換效率為90%，則當輸出功率為100W時，則實際需要輸出功率應為100W/90%=111W；若按每天使用5小時，則耗電量為111W×5小時=555Wh。

2、計算太陽能電池板
    按每日有效日照時間為6小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。[nextpage]

    要求日照充足的條件下6小時充滿，蓄電池200W。要求太陽能電池板的功率為yW，太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變器。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負載提供足夠的電源，就要根據用電器的功率，合理選擇各部件，也就是說，太陽能電池板的實際輸出功率為200W。

粗略的計算方法
    太陽能電池板吸收能量轉化需要損耗，轉換效率為80-95%，考慮到充電效率和充電過程中的損耗，這個過程的損耗為60-75%。分別取90%、70%，則y×90%×70=200，求出y=317.5W。

    當然這只是粗略的求法，只是做個參考，比較準確的算法是計算太陽能板的發(fā)電功率，太陽能電池板容量是指平板式太陽能板發(fā)電功率Wp。太陽能發(fā)電功率量值取決于負載24h所消耗的電力，由負載額定電源與負載24h所消耗的電力，決定了負載24h消耗的容量P（AH），再考慮到平均每天日照時數及陰雨天造成的影響，計算出太陽能電池陣列工作電流IP（A）。

    由負載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯(lián)個數及蓄電池浮充電壓VF（V），再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓VT（v）及反充二極管P-N結的壓降VD（v）所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓VP（V），由太陽能電池陣列工作電源IP（A）與工作電壓VP（v），便可決定平板式太陽能板發(fā)電功率，從而設計出太陽能板容量，由設計出的容量Wp與太陽能電池陣列工作電壓VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數與并聯(lián)組數。

太陽能電池陣列的具體設計步驟
1、計算負載24h消耗容量P
P=H/V
V——負載額定電源
2、選定每天日照時數T（H）
3、計算太陽能陣列工作電流
IP=P（1+Q）/T
Q——按陰雨期富余系數
Q=0.21?1.00
4、確定蓄電池浮充電壓VF
鎘鎳（GN）和鉛酸（CS）蓄電池的單體浮充電壓分別為1.4-1.6V和2.2V。
5、太陽能電池溫度補償電壓VT
VT=2.1/430（T-25）VF
6、計算太陽能電池陣列工作電壓VP
VP=VF+VD+VT
其中VD＝0.5-0.7
約等于VF
7、太陽能電池陣列輸出功率Wp（平板式太陽能電池板）
Wp＝IP×UP
8、根據VP、Wp在硅電池平板組合系列表格，確定標準規(guī)格的串聯(lián)塊數和并聯(lián)組數。[nextpage]

蓄電池的容量計算
蓄電池的容量由下列因素決定：
1、蓄電池單獨工作天數。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20%。
2、蓄電池每天放電量。對于日負載穩(wěn)定且要求不高的場合，日放電周期深度可限制在蓄電池所剩容量占額定容量的80%。
3、蓄電池要有足夠的容量，以保證不會因過充電所造成的失水。一般在選蓄電池容量時，只要蓄電池容量大于太陽能電池板峰值電流的25倍，則蓄電池在充電時就不會造成失水。
4、蓄電池自身漏掉的電能，隨著電池使用時間的增長及電池溫度的升高，自放電率會增加。對于新的電池自放電率通常小于容量的5%，但對于舊的質量不好的電池，自放電率可增至每月10-15%。

    在水情遙測系統(tǒng)中，連續(xù)陰雨天的長短決定了蓄電池的容量。由遙測設備在連續(xù)陰雨天中所消耗能量（安時數加上20%因子，再加上10%電池自放電能安時數）便可計算出蓄電池的容量。

實際應用
    合徐南道路監(jiān)控改造中，首次采用太陽能供電系統(tǒng)為能見度供電和采用GPRS傳輸方式，實現(xiàn)交通路況信息采集。

1、太陽能發(fā)電量計算
    根據上述原理分析及有關本區(qū)域特點，本地段的太陽能發(fā)電的全年日平均綜合有效率為10-15%。

    發(fā)電量（度）＝70W×4塊板×24小時×日平均有效率×0.001＝70×4×24×0.135×0.001＝0.9072（度）。

    現(xiàn)場測量兩組太陽能板充電電流一般在1-3A，按總充電電流5A、日照8小時計算，日充電量為：發(fā)電量（度）＝24V×5A×8小時×0.001=0.96（度）。

    即：4塊70瓦的太陽能板的日平均發(fā)電量為1度左右。

    上述計算未考慮300AH×2的蓄電池的最小充電電流及自身充電損耗。

2、VISIC620型能見度耗電量計算
    在該監(jiān)控路段中選用VISIC620型能見度（DC24V直流供電），加穩(wěn)壓器，GPRS傳輸增加RS485轉RS232方式，并通過測量，加負載后輸出電流在0.33A-0.37A（含穩(wěn)壓器及485轉換器），計算負載功率為：26V×0.35A=9.31W，日耗電量（度）為9.31×24×0.001=0.22344（度）。

    即：VISIC620型能見度的日平均耗電量為0.23度左右，不同負載功率的耗電對比情況見表1。

3、實際測量數據結果（詳細參見以下相關測試記錄）
    101K自2008.05.23太陽能斷開負載；2008.05.30給負載加電，同時太陽能給電池充電；2008.06.3下午14:10切斷太陽能給電池充電，電池完全放電，測量蓄電池電壓25.8v；2008.06.4上午測量蓄電池電壓25.1v；6.9日下午14:15測量蓄電池電壓24.3v。2008.06.14上午無供電輸出，結論為101K的VISIC620型能見度已經完全由電池連續(xù)供電十天。（本文作者張玉虎任職于安徽省高速公路總公司，張恒任職于安徽省高等級公路工程監(jiān)理有限公司）