浅谈风光互补系统在高速公路的应用

吴春光

摘要： 结合风光互补系统的技术特点，分析其在高速公路的应用可行性并介绍应用案例，并总结了风光互补系统应用的关键问题。

关键词：风光互补 高速公路 应用

中图分类号 U491,TK519,TK89文献标识码 A

一、引言

目前我国已经进入十二五规划发展的关键阶段，随着经济建设的蓬勃发展，对能源的需求日益增加，电力供应更是频频告急，使得石油、煤、天然气等不可再生资源消耗迅猛增加，并且对环境造成了很大的污染，能源危机日趋严重，而伴随着经济同步发展的高速公路成为了消耗城市电力资源的大户之一。

高速公路由于点多、面广、线长，外场设备遍布全路段，采用传统方式供电，供电线路建设成本高，线路上消耗的电能也多。随着科学技术的发展，风光互补系统应运而生，并且在高速公路逐步应用起来。

二、风光互补系统的概念、构成及优点

1、概念

风光互补系统，是一套发电应用系统，利用风能和太阳能资源的互补性结合而成，是一种具有较高性价比的新型能源发电系统。该系统利用太阳能光伏方阵板、风力发电机将发出的电能存储到蓄电池组中，直接提供直流电或逆变器将蓄电池组中存储的直流电转变为交流，输送给负载使用。

2、构成

风光互补系统由以下几部分构成（如图1所示）。

①发电设备：

太阳能光伏（PV）方阵板：由一种能将光能变成电能的半导体器件组成，可单个或多个PV并联供电。

风力发电机：将风能变成电能的机电装置，与太阳能光伏方阵板协同工作。

②储能设备：

由多节蓄电池组成，将太阳电池方阵发出直流电贮能起来, 供负载使用。

③整流充放控制设备：

由充放电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成，完成系统各部分的连接、组合；充放电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充放电控制和保护功能。

④供电设备：

由一台或者几台逆变器组成，由于太阳能电池和风力发电机的直接输出一般都是直流电压，针对使用交流电供电的设备，必须通过逆变器应将直流电转换成交流电。

图 1 风光互补系统构成图

3、优点

风能和太阳能是最普遍的自然资源、可再生资源，不对环境造成污染，但单独的风能、太阳能发电系统很难保证稳定的能量输出，而风光互补技术则利用风能和太阳能在时间分布上的互补性弥补了这个不足，提高了系统供电稳定性：

昼夜互补——白天太阳能发电，夜晚风能发电

季节互补——夏季日照强烈，冬季风能强盛

天气互补——阴天风力大，晴天阳光强

三、风光互补系统在高速公路应用的可行性

1、外场设备必须通过收费站配电房敷设电缆至外场供电，离电源点超过一公里的位置，建设成本很高，线损电能也多，增大运营成本压力。而风光互补发电无需输电线路，不消耗电能，有明显的经济效益。

2、城市化水平较高的地区路网车流量大，对全程24小时不间断的监控要求很高，但往往这些地区用电紧张而拉闸限电，为了保证收费车道运作正常，发电机和UPS等备用电源对外场监控设备的支持往往不够；而山区基础建设较为薄弱、取电较难，且收费站间距离过长，监控外场设备供电难度大。风光互补技术可很好的满足需求。

3、近来来高速公路沿线的电缆被盗情况日益严重，既影响道路24小时监控也增加维护成本，风光互补发电无需敷设电缆，设备安装位置一般较高，被盗几率大大降低。

4、高速公路沿途一般比较空旷，风比较普遍，由于无遮挡受光照面积也大，很适合发展风光互补技术。

综上所述，风光互补技术由于其鲜明的特点，很适合在高速公路应用，随着技术的进一步成熟和完善，风光互补肯定会在高速公路得到进一步的推广。

四、应用案例

国家重点公路太（原）澳（门）公路广东省顺德碧江至中山沙溪段（简称广珠西线二期）项目位于经济发达的珠三角地区，路线全长45.486公里，于2010年6月底竣工通车。由于全程监控的需要，外场主线共设置24套一体化遥控摄像机，其余15套采用了风光互补供电，占摄像机总数的三分之二；此外14套车辆检测器中也有两套采用风光互补供电，之所以大面积使用风光互补设备，是基于如下考虑：

1、外场监控设备众多，收费站点距离长，如采用传统敷设电缆供电方式建设成本很高，线路上消耗的电能也多，电费成本高。

2、处于北回归线以南，日照条件良好，太阳能全天、全年分布均匀，且热能质量良好。

3、所处地区地势平坦开阔易形成风资源；河流众多，主线桥梁比重占路线总长72%左右，桥梁立在河面上，两侧无阻挡物体，形成的风流很大，风资源更加丰富。

4、位于珠三角顺德、中山经济发达地区，城市用电非常紧张，电力资源缺口较大而经常停电。

5、选用的摄像机和车辆检测器设备用电负荷不大，小型风光互补系统可以满足用电需求。

广珠西线二期的风光互补设备详见图2。

图 2 广珠西线二期风光互补设备

其中风机是新型垂直轴风力发电机(H型)，采用了新型结构，在风向改变时无需对风，具有启动风速低、噪音低、抗风能力强等优点，详细技术参数表1所示：

表1 新型垂直轴风力发电机技术参数

启动风速 2.0 m/s

切入风速 2.8 m/s

额定风速 8.0 m/s

安全风速 45m/s

控制器额定直流输出 24V

逆变器额定交流输出 220V/50Hz

过风保护方式 电磁制动

发电机形式 稀土永磁同步电机

驱动方式 直接驱动

使用轴承 机械滚动轴承

风能利用率 0.4

太阳能板由两块光伏板并联组成，表面采用高透光性绒面的钢化玻璃及耐老化的TPT负荷材料等压制而成，太阳能电池则采用晶体硅材料，转换效率高。

除了高效率的风机和太阳能板，还配备了较强功能的控制器，各项技术参数如表2所示：

表2 控制器技术参数

额定风机功率 0.5KW

额定太阳能功率 0.36KW

额定蓄电池电压 DC 24V

蓄电池浮充电压 DC 28V

蓄电池过放保护电压 DC 22V

蓄电池过放恢复电压 DC 24V

控制方式 PWM（脉宽调制）

显示方式 LCD

保护功能 太阳能电池防反冲保护、太阳能电池接反保护、蓄电池过充保护、过放电保护、蓄电池接反保护、蓄电池开路保护、风机自动刹车和手动刹车保护

蓄电池组采用4台密封免维护阀控铅酸电池，单台额定电压DC12V，4台串、并联后额定电压DC24V，额定容量200Ah，满足阴雨天和夜间的正常供电。另外，安装较为简单，更换蓄电池组非常便利，以备广东梅雨季节等长时间阴雨天气所需。

这17套风光互补系统，自正式启用以来，经过磨合期后，目前运行趋于稳定，能够满足外场监控设备的正常运作。

五、风光互补系统应用关键问题

风光互补系统技术原理和结构不复杂，但要充分发挥其功能，必须从多方面综合考虑设置：

1、应用地点的选择。要求当地风能、太阳能资源较为丰富并且较为均匀。如有些山区风能资源丰富，但地势复杂常年有雾导致日照不足，直接使用风能发电并进行优化即可；有些城市常年都是灰霾天气，且高楼密集不容易形成风，也不适合安装风光互补系统。

2、系统设备设计。

①整体的设计。应核算用电设备负荷大小，防止产能不足或大大过剩，大功率肯定增大风机大小和太阳能板面积，既提高造价也增加防风安全问题；结合当地的气候条件，做好满足防风、雨、雪等荷载的设计。