新疆公路機(jī)電外場設(shè)備風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的研究

周偉

摘要：新疆地處歐亞大陸腹地，屬于溫帶大陸性干旱氣候，太陽能、風(fēng)能資源豐富，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性高，運(yùn)行維護(hù)成本低。由于太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)都可以做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足道路外場設(shè)備的用電需求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能太陽能；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電；公路機(jī)電外場設(shè)備

中圖分類號：U412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0096-02

隨著新疆公路里程和道路服務(wù)水平的不斷提高，近年來公路發(fā)展呈現(xiàn)兩個特點(diǎn)：一是在城鎮(zhèn)化較高的區(qū)域交通量增長迅速、路網(wǎng)加密，對全程監(jiān)控、信息誘導(dǎo)等監(jiān)控外場設(shè)備需求明顯提高；二是公路不斷向城鎮(zhèn)稀少、地形復(fù)雜的山區(qū)延伸。目前公路沿線的外場設(shè)備主要有監(jiān)控攝像機(jī)、車輛檢測器、氣象檢測器。隨著公路沿線外場設(shè)備數(shù)量和密度的需求不斷加大，設(shè)備供電方式的選擇直接影響道路運(yùn)營成本，外場設(shè)施供電難度大的問題也日益凸顯。

1 交通運(yùn)輸部、新疆交通運(yùn)輸廳對公路外場監(jiān)控設(shè)備布設(shè)的要求

2012年交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于高速公路監(jiān)控技術(shù)要求、高速公路通信技術(shù)要求和公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測與服務(wù)暫行技術(shù)要求的公告》（交通運(yùn)輸部公告2012年第3號）。三項(xiàng)“技術(shù)要求”的同時發(fā)布，對指導(dǎo)和規(guī)范公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測與服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行與管理，保障全國高速公路和重要國省干線公路以及重要公路設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，加強(qiáng)國家干線公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測與科學(xué)管理，提升國家干線公路網(wǎng)安全性能和服務(wù)質(zhì)量，提高公路突發(fā)事件應(yīng)急處置能力和公共服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)國家干線公路網(wǎng)“可視、可測、可控”的發(fā)展目標(biāo)以及為人民群眾提供安全、暢通、便捷、綠色的公路出行服務(wù)等方面具有重大而深遠(yuǎn)的意義。《公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測與服務(wù)暫行技術(shù)要求》明確提出通過建立部、省兩級路網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對重要通道上的重要路段、長大橋隧和區(qū)域交通狀態(tài)等的實(shí)時監(jiān)控，并為已建、新建、改（擴(kuò)）建的（高速）公路的監(jiān)測體系提供技術(shù)保障。其中，新建高速公路應(yīng)同步建設(shè)監(jiān)測設(shè)施與系統(tǒng)，已建成高速公路應(yīng)逐步完善監(jiān)測設(shè)施與系統(tǒng)，國省干線公路應(yīng)結(jié)合路網(wǎng)改造與養(yǎng)護(hù)工程逐步升級監(jiān)測設(shè)施與系統(tǒng)。

2 新疆公路外場設(shè)備采用風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)的優(yōu)勢

眾所周知風(fēng)能和太陽能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性：白天太陽光最強(qiáng)時，風(fēng)很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強(qiáng)。在夏季，太陽光強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季，太陽光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽能和風(fēng)能在時間上的互補(bǔ)使得這樣的系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)電。所以，風(fēng)光互補(bǔ)新能源供電系統(tǒng)也是資源條件最好的獨(dú)立電源系統(tǒng)。

2.1 新疆自然環(huán)境優(yōu)勢

新疆地處歐亞大陸腹地，屬于溫帶大陸性干旱氣候，太陽能資源豐富，僅次于青藏高原，居全國第二；風(fēng)能資源也較豐富，屬于全國風(fēng)能資源三大豐富地區(qū)之一。根據(jù)新疆公路沿線外場設(shè)備分布情況，站點(diǎn)布設(shè)區(qū)域平均風(fēng)速可達(dá)3m/s，而目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速2.5m/s，可以確保風(fēng)力機(jī)正常啟動工作。

2.2 供電穩(wěn)定性

目前新疆全區(qū)外場設(shè)備一般在易接市電（離居民區(qū)近）的地方，采用接市電方式供電，但受電纜線路老化、損壞及繳費(fèi)等情況的影響，隨時存在停電可能性，造成數(shù)據(jù)缺失，直接影響公路沿線監(jiān)控、交通量、氣象等數(shù)據(jù)。在戈壁、沙漠公路、山區(qū)等無法接市電的地方，交調(diào)設(shè)備目前采用太陽能光伏板單一供電，但多在陰、雨、雪天氣和蓄電池充電不足情況下，太陽能板供電不足，無法為設(shè)備提供正常電源，造成數(shù)據(jù)缺失，也直接影響公路沿線交通量等數(shù)據(jù)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)同時利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電，對氣象資源的利用更加充分，可實(shí)現(xiàn)晝夜發(fā)電。在合適的氣象資源條件下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。獨(dú)立供電，在遇到自然災(zāi)害時不會影響到全部用戶的用電。

2.3 維護(hù)難易度及推廣性

市電供電地埋電纜更換困難，需開挖溝、拆除舊電纜、重新鋪設(shè)新電纜，維護(hù)難度較大，推廣程度受電網(wǎng)布線制約。太陽能供電后期維護(hù)主要定期更換蓄電池，更換方便，維護(hù)難度小，推廣程度受環(huán)境、氣象規(guī)律影響。風(fēng)光互補(bǔ)供電相對于太陽能供電增加了風(fēng)力機(jī)，后期維護(hù)主要定期更換蓄電池和進(jìn)行風(fēng)力機(jī)保養(yǎng)。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)為低壓供電，運(yùn)行安全、維護(hù)簡單，電力設(shè)施維護(hù)工作量及相應(yīng)的費(fèi)用開銷大幅度下降。蓄電池更換方便，風(fēng)力機(jī)保養(yǎng)較簡單，維護(hù)難度略大于太陽能供電，遠(yuǎn)小于市電供電。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益和社會影響

以往監(jiān)控外場設(shè)備采用埋地電纜方式接引市電供電，一般在離電源點(diǎn)三公里以上的地方，供電線路的建設(shè)成本占比就較高，隨著里程的增加，線路上消耗的電能也多，還需要設(shè)升壓系統(tǒng)，投資成本逐漸增大。而風(fēng)光互補(bǔ)供電是獨(dú)立供電源，不需要埋設(shè)輸電線路，無線路消耗電能，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。而且，當(dāng)前高速公路沿線監(jiān)控外場設(shè)備供電采用的低壓電纜被盜現(xiàn)象十分嚴(yán)重，運(yùn)營管理部門每年投入電纜維護(hù)費(fèi)用較高，影響公路正常運(yùn)營管理。采用風(fēng)光互補(bǔ)供電方式可以解決道路沿線低壓電纜被盜的問題，還可以降低投資成本、節(jié)省后期運(yùn)營費(fèi)用。

基于目前新疆地區(qū)外場設(shè)備的供電現(xiàn)實(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)不受電源點(diǎn)的影響，充分利用新疆獨(dú)特的資源優(yōu)勢，現(xiàn)場施工和安裝都較方便，綜合效益好。相比傳統(tǒng)的設(shè)備供電方式，風(fēng)光互補(bǔ)還具有節(jié)能減排、集約友好、無后期電費(fèi)支出、免除電纜鋪線等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目擬提出經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、穩(wěn)定的外場設(shè)備供電方式——風(fēng)光互補(bǔ)供電，它的推廣應(yīng)用將開啟新疆外場設(shè)備供電方式的新篇章，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

3 國內(nèi)外風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電研究現(xiàn)狀

1981年，丹麥的N.E.Busch和KΦllenbac首次提出了將風(fēng)能和太陽能相結(jié)合應(yīng)用的初始問題，但是系統(tǒng)非常簡單，只是由風(fēng)力機(jī)和光伏電池組件拼裝而成。美國的C.L.Aspliden在有關(guān)風(fēng)能、太陽能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問題上進(jìn)行了一定的探索，1982年我國的余華揚(yáng)等也提出了太陽能-風(fēng)能發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究從此開始進(jìn)入快速發(fā)展和實(shí)際利用階段。

4 目前外場設(shè)備供電中存在的問題

新疆公路機(jī)電外場設(shè)備供電方式的決策模型。

新疆風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)供電效率的影響因素及其量化指標(biāo)。

新疆不同地區(qū)外場設(shè)備風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的最佳組合。

通過對外場設(shè)備風(fēng)光互補(bǔ)或太陽能供電系統(tǒng)蓄電池的維護(hù)研究，延長蓄電池的使用壽命和預(yù)報警功能。

5 結(jié)語

基于目前新疆地區(qū)外場設(shè)備的供電現(xiàn)實(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)不受電源點(diǎn)的影響，充分利用新疆獨(dú)特的資源優(yōu)勢，現(xiàn)場施工和安裝都較方便，綜合效益好。相比傳統(tǒng)的設(shè)備供電方式，風(fēng)光互補(bǔ)還具有節(jié)能減排、集約友好、無后期電費(fèi)支出、免除電纜鋪線等優(yōu)點(diǎn)。提出經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、穩(wěn)定的外場設(shè)備供電方式——風(fēng)光互補(bǔ)供電，它的推廣應(yīng)用將開啟新疆外場設(shè)備供電方式的新篇章，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹靜，張慶范.淺析風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)[J].變頻器世界，2008，（8）：43-45.

[2] 朱瑞兆，祝昌漢，薛衍.中國太陽能、風(fēng)能資源及其利用[M].北京：氣象出版社，1988：168-169.