新疆公路机电外场设备风光互补供电系统的研究

周伟

摘要：新疆地处欧亚大陆腹地，属于温带大陆性干旱气候，太阳能、风能资源丰富，风光互补发电系统由太阳能电池板、风力发电机组、风光互补控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。该系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低。由于太阳能与风能的互补性强，无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可以做出最优化的系统设计方案来满足道路外场设备的用电需求。

关键词：风能太阳能；风光互补发电；公路机电外场设备

中图分类号：U412 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0096-02

随着新疆公路里程和道路服务水平的不断提高，近年来公路发展呈现两个特点：一是在城镇化较高的区域交通量增长迅速、路网加密，对全程监控、信息诱导等监控外场设备需求明显提高；二是公路不断向城镇稀少、地形复杂的山区延伸。目前公路沿线的外场设备主要有监控摄像机、车辆检测器、气象检测器。随着公路沿线外场设备数量和密度的需求不断加大，设备供电方式的选择直接影响道路运营成本，外场设施供电难度大的问题也日益凸显。

1 交通运输部、新疆交通运输厅对公路外场监控设备布设的要求

2012年交通运输部发布了《关于高速公路监控技术要求、高速公路通信技术要求和公路网运行监测与服务暂行技术要求的公告》（交通运输部公告2012年第3号）。三项“技术要求”的同时发布，对指导和规范公路网运行监测与服务系统的建设、运行与管理，保障全国高速公路和重要国省干线公路以及重要公路设施的稳定运行，加强国家干线公路网运行监测与科学管理，提升国家干线公路网安全性能和服务质量，提高公路突发事件应急处置能力和公共服务能力，实现国家干线公路网“可视、可测、可控”的发展目标以及为人民群众提供安全、畅通、便捷、绿色的公路出行服务等方面具有重大而深远的意义。《公路网运行监测与服务暂行技术要求》明确提出通过建立部、省两级路网监测点网络，实现对重要通道上的重要路段、长大桥隧和区域交通状态等的实时监控，并为已建、新建、改（扩）建的（高速）公路的监测体系提供技术保障。其中，新建高速公路应同步建设监测设施与系统，已建成高速公路应逐步完善监测设施与系统，国省干线公路应结合路网改造与养护工程逐步升级监测设施与系统。

2 新疆公路外场设备采用风光互补电源系统的优势

众所周知风能和太阳能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性：白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补使得这样的系统在资源上具有最佳的匹配性，可实现连续、稳定发电。所以，风光互补新能源供电系统也是资源条件最好的独立电源系统。

2.1 新疆自然环境优势

新疆地处欧亚大陆腹地，属于温带大陆性干旱气候，太阳能资源丰富，仅次于青藏高原，居全国第二；风能资源也较丰富，属于全国风能资源三大丰富地区之一。根据新疆公路沿线外场设备分布情况，站点布设区域平均风速可达3m/s，而目前小型风力发电机启动风速2.5m/s，可以确保风力机正常启动工作。

2.2 供电稳定性

目前新疆全区外场设备一般在易接市电（离居民区近）的地方，采用接市电方式供电，但受电缆线路老化、损坏及缴费等情况的影响，随时存在停电可能性，造成数据缺失，直接影响公路沿线监控、交通量、气象等数据。在戈壁、沙漠公路、山区等无法接市电的地方，交调设备目前采用太阳能光伏板单一供电，但多在阴、雨、雪天气和蓄电池充电不足情况下，太阳能板供电不足，无法为设备提供正常电源，造成数据缺失，也直接影响公路沿线交通量等数据。风光互补发电系统同时利用太阳能和风能发电，对气象资源的利用更加充分，可实现昼夜发电。在合适的气象资源条件下，风光互补发电系统可提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。独立供电，在遇到自然灾害时不会影响到全部用户的用电。

2.3 维护难易度及推广性

市电供电地埋电缆更换困难，需开挖沟、拆除旧电缆、重新铺设新电缆，维护难度较大，推广程度受电网布线制约。太阳能供电后期维护主要定期更换蓄电池，更换方便，维护难度小，推广程度受环境、气象规律影响。风光互补供电相对于太阳能供电增加了风力机，后期维护主要定期更换蓄电池和进行风力机保养。风光互补供电系统为低压供电，运行安全、维护简单，电力设施维护工作量及相应的费用开销大幅度下降。蓄电池更换方便，风力机保养较简单，维护难度略大于太阳能供电，远小于市电供电。

2.4 经济效益和社会影响

以往监控外场设备采用埋地电缆方式接引市电供电，一般在离电源点三公里以上的地方，供电线路的建设成本占比就较高，随着里程的增加，线路上消耗的电能也多，还需要设升压系统，投资成本逐渐增大。而风光互补供电是独立供电源，不需要埋设输电线路，无线路消耗电能，有明显的经济效益。而且，当前高速公路沿线监控外场设备供电采用的低压电缆被盗现象十分严重，运营管理部门每年投入电缆维护费用较高，影响公路正常运营管理。采用风光互补供电方式可以解决道路沿线低压电缆被盗的问题，还可以降低投资成本、节省后期运营费用。

基于目前新疆地区外场设备的供电现实，风光互补系统不受电源点的影响，充分利用新疆独特的资源优势，现场施工和安装都较方便，综合效益好。相比传统的设备供电方式，风光互补还具有节能减排、集约友好、无后期电费支出、免除电缆铺线等优点。本项目拟提出经济、环保、安全、稳定的外场设备供电方式——风光互补供电，它的推广应用将开启新疆外场设备供电方式的新篇章，具有重大现实意义。

3 国内外风光互补发电研究现状

1981年，丹麦的N.E.Busch和KΦllenbac首次提出了将风能和太阳能相结合应用的初始问题，但是系统非常简单，只是由风力机和光伏电池组件拼装而成。美国的C.L.Aspliden在有关风能、太阳能混合转换系统的气象问题上进行了一定的探索，1982年我国的余华扬等也提出了太阳能-风能发电机的能量转换装置，风光互补发电系统的研究从此开始进入快速发展和实际利用阶段。

4 目前外场设备供电中存在的问题

新疆公路机电外场设备供电方式的决策模型。

新疆风光互补供电系统供电效率的影响因素及其量化指标。

新疆不同地区外场设备风光互补供电系统的最佳组合。

通过对外场设备风光互补或太阳能供电系统蓄电池的维护研究，延长蓄电池的使用寿命和预报警功能。

5 结语

基于目前新疆地区外场设备的供电现实，风光互补系统不受电源点的影响，充分利用新疆独特的资源优势，现场施工和安装都较方便，综合效益好。相比传统的设备供电方式，风光互补还具有节能减排、集约友好、无后期电费支出、免除电缆铺线等优点。提出经济、环保、安全、稳定的外场设备供电方式——风光互补供电，它的推广应用将开启新疆外场设备供电方式的新篇章，具有重大现实意义。

参考文献

[1] 尹静，张庆范.浅析风光互补发电系统[J].变频器世界，2008，（8）：43-45.

[2] 朱瑞兆，祝昌汉，薛衍.中国太阳能、风能资源及其利用[M].北京：气象出版社，1988：168-169.