太陽能風光互補系統(tǒng)在數(shù)字化航道船聯(lián)網(wǎng)工程中的應(yīng)用研究

針對長三角船聯(lián)網(wǎng)開發(fā)項目，本文探討了太陽能和風能在船聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中應(yīng)用的可行性，并結(jié)合嘉于硤線航道進行了風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，最后就風光互補系統(tǒng)在船聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用提出了建設(shè)性的意見。

數(shù)字航道船聯(lián)網(wǎng)及供電分析

長三角數(shù)字化航道船聯(lián)網(wǎng)項目是國家物聯(lián)網(wǎng)示范工程在交通運輸行業(yè)中的應(yīng)用示范。該項目以長三角航道網(wǎng)及京杭運河水系智能航運信息服務(wù)為切入點，基于自主創(chuàng)新研制智能船載終端、岸基設(shè)備、視頻圖象檢測識別裝置等，建立內(nèi)河航運物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，在航道、碼頭、橋梁、船舶等部署物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點，通過異構(gòu)多信息融合中間件、分布式數(shù)據(jù)處理與交換、云計算等技術(shù)實現(xiàn)長三角智能航運的目標，并在內(nèi)河航運感知識別和信息處理等方面實現(xiàn)國際領(lǐng)先。

船聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點（如：智能船載終端的岸基設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等）大多分布在荒郊野外，信息采集和交換設(shè)備的供電方案成為數(shù)字航道船聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的制約因素之一。根據(jù)長三角航道網(wǎng)及京杭運河水系現(xiàn)場情況實際勘察和調(diào)研情況得知，大部分船聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點電源線纜要到位的話，難度非常大，因此，根據(jù)實際情況分析，考慮采用太陽能和風力發(fā)電相結(jié)合的方式來提供每個感知節(jié)點的電源供給。

太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電相結(jié)合的模式一般稱為太陽能風光互補系統(tǒng)，是綜合利用可再生能源的典范。在數(shù)字化航道船聯(lián)網(wǎng)工程中，風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要為功耗相對較小的設(shè)備進行供電，如航道/碼頭/橋梁等外場監(jiān)控攝像機、船載終端的岸基設(shè)備(RFID閱讀傳輸裝置)等。長三角地區(qū)處于暖(中)亞熱帶向冷(北)亞熱帶的過渡地帶，氣候溫和，雨水充沛，日照充足，四季分明，平均風速3-4米，屬典型的亞熱帶季風氣候。因此，對于用電負荷較小的數(shù)字航道船聯(lián)網(wǎng)智能感知節(jié)點供電，采用太陽能風光互補發(fā)電系統(tǒng)是比較合適的。

船聯(lián)網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

下面以長三角數(shù)字化航道船聯(lián)網(wǎng)項目中嘉于硤線視頻監(jiān)控為例，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計。嘉于硤線位于浙江嘉興境內(nèi)，是長三角的中心區(qū)域，具有一定的代表性。

1、設(shè)計依據(jù)

嘉興地區(qū)年平均氣溫15．5℃至15．8℃，最熱月(7月)平均氣溫28．1℃至28．4℃；最冷月(1月)平均氣溫2．7℃至3．3℃。嘉興一年無霜期230天左右，年平均降水量l，100至1，200毫米，年日照時數(shù)2，000至2，100小時，太陽能有效日照1400小時。嘉興年平均風速3-4米，有效發(fā)電時間為3000小時，平均日有效發(fā)電時間為6-8小時左右， 年平均風功率分布100瓦/平方米，年總輻射量為5000兆焦耳/平方米。

由于1 卡=4.18焦耳=4.18瓦秒 ，則: 1卡/cm(=4.18瓦秒/卡/(3600秒/小時×0.1瓦/cm2=0.0116 小時cm(/卡，于是: 119617卡/cm(年×0.0116 小時cm(/卡=1387小時/年 ，因此平均每日峰值日照時數(shù)為：1387÷365＝3.8 小時/日，方陣組合損耗0.85。

2、系統(tǒng)構(gòu)成

風光互補發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池組、風力發(fā)電機、充放電控制器、蓄電池組、逆變器及輔助設(shè)備組成，如圖1所示。

太陽能電池組件是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓腆w裝置， 包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池以及非晶硅太陽電池，而轉(zhuǎn)換率是衡量太陽能電池的重要指標。太陽能電池的輸出功率是隨機的，在不同時間，不同地點，同一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。太陽能電池的峰值功率Pm由當?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負荷決定。

在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，風力發(fā)電是一種將風能轉(zhuǎn)換為機械能，再由機械能轉(zhuǎn)換為電能的機電裝置，風力發(fā)電機主要分為水平軸和垂直軸兩大類。目前風力發(fā)電機多采用水平軸、上風向、三葉片式，具備較高的風能利用率。新型垂直軸風力發(fā)電機(H型)采用了新型結(jié)構(gòu)和材料，具有啟動風速低、噪音低、抗風能力強等優(yōu)點，目前處于推廣應(yīng)用階段。風機控制器主要包括風電控制系統(tǒng)，光電控制系統(tǒng)和蓄電池充放電控制器三部分。它們主要是根據(jù)蓄電池的充電狀況來控制風力發(fā)電機組，太陽電池發(fā)電方陣的運行方式和開斷情況，從而保證負載的正常供電以及系統(tǒng)各個部分的安全運行。

逆變器將風力發(fā)電機組輸出變換后得到的直流電，以及太陽電池方陣輸出和蓄電池放電轉(zhuǎn)換成負載所需要的交流電。逆變器主電路由大功率晶體管構(gòu)成，采用正弦脈寬調(diào)制，抗干擾能力強，三相負載不平衡度可達0—100%，還有很強的過載及限流保護功能。

蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，在風力、日照充足的條件下，可以存儲供給負載后多余的電能；在風力、日照不佳的情況下輸出電能給負載，起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。

3、系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1安裝場地的資源條件

風能資源條件：年風速4m/s(10M高度)；

太陽能資源條件：年日照時數(shù)1100小時以上。

3.2供電需求方案

根據(jù)現(xiàn)場勘察，結(jié)合實際太陽能供電需要，設(shè)計了三套供電需求方案，主要的區(qū)別為總計供電量不同，分別為：

180（WP）：包括1套一體化快球攝像機（25WP-45WP）、3套陣列式一體化攝像機（30W*3）、光端機（13W）、報警系統(tǒng)（23W）；

50（WP）：包括1套一體化快球攝像機（25WP-45WP）、2套陣列式一體化攝像機（30W*2）、光端機（13W）、報警系統(tǒng)（23W）；

10（WP）：包括1套一體化快球攝像機（25WP-45WP）、1套陣列式一體化攝像機（30W*1）、光端機（13W）、報警系統(tǒng)（23W）。

3.3系統(tǒng)發(fā)電量測算

太陽能電池平均日發(fā)電量：W1=P1×H1×η1=1.428×3.23×0.9=4.15(KW H)；

P1=wp*(0.0007)；

400WP風力發(fā)電機日平均發(fā)電量：W2=0.5P2×H2×η1=0.5×Cp×ρ×A×V3×H2×η2 =1.34(KWH)；

系統(tǒng)效率：η=0.75；

系統(tǒng)平均日發(fā)電量為:W=(W1+W2*2)*η=5.12KWH；

系統(tǒng)每天耗電量：4.32KWH；

系統(tǒng)每天剩余0.8KWH儲存余量，滿足陰雨天間隔和陰雨天恢復(fù)周期(一周)。

3.4系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

在太陽能、風能資源條件一定的前提下，采用容量盡可能合適的太陽能電池板和風力發(fā)電機是風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)上述分析，本系統(tǒng)的主要組件參數(shù)設(shè)計見表1。

系統(tǒng)實施分析

在實施太陽能風光互補發(fā)電系統(tǒng)為船聯(lián)網(wǎng)智能感知節(jié)點供電時，我們根據(jù)數(shù)字航道網(wǎng)及長三角地區(qū)氣候環(huán)境特點，著重考慮了下述幾點：

根據(jù)以往的經(jīng)驗，太陽能風力發(fā)電設(shè)備由于工作環(huán)境為野外、無遮蔽、無溫度控制，大多數(shù)情況下?lián)p壞的首先是蓄電池。考慮到蓄電池廢棄對環(huán)境造成不良影響，所以我們專門選用了符合環(huán)保要求、長壽命閥控鉛酸免維護蓄電池。同時采用玻璃鋼防水箱保證蓄電池的穩(wěn)定運行，采用了地埋式的設(shè)計，從而提高了設(shè)備的隱蔽性與安全性。

水平軸風機的啟動風速高，需較高風速才能發(fā)電，能量轉(zhuǎn)化效率低；垂直軸風機在較低的風速時即可發(fā)電，同樣的用電需求，所用水平軸風機功率大于垂直軸風機，導(dǎo)致水平軸風機費用較高?？紤]到長三角地區(qū)平常風力不大，所以本方案選用垂直軸風機，雖然費用高于水平軸風機，但其體積、重量和所需運行空間均小于水平軸風機，且具有運行穩(wěn)定、噪音低、無對風要求等優(yōu)點。

為了保證太陽能系統(tǒng)設(shè)備本身和設(shè)備使用者的安全，使設(shè)備可以長期可靠的運行，我們對系統(tǒng)的抗風強度進行充分計算，保證系統(tǒng)內(nèi)太陽能組件，燈桿等主要部件的強度在使用過程中不會出現(xiàn)因為自然原因造成的損壞；在路人可以接觸的部件，采用內(nèi)六角螺栓保證防盜功能，并專門設(shè)計了防盜系統(tǒng)。

考慮了風機的限速保護和防雷電措施，使風力機不致超速運行或遭雷擊損壞。

根據(jù)項目的實際情況，在項目的監(jiān)控點位中，其中共計有六個監(jiān)控點位設(shè)計在服務(wù)區(qū)中，所以沒有設(shè)計使用太陽能及風力供電，而是考慮就近在服務(wù)區(qū)內(nèi)取電。

在引進風光互補發(fā)電系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)供電時，應(yīng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特點，合理地確定儲能時間，以減少蓄電池用量、降低系統(tǒng)投資；同時，應(yīng)加快研制小型、集成化的滿足物聯(lián)網(wǎng)標準技術(shù)規(guī)范接口協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)專用風光互補發(fā)電系統(tǒng)，促進我國物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展。

總之，在我國的物聯(lián)網(wǎng)工程中綜合開發(fā)利用太陽能、風能，采用風光互補系統(tǒng)發(fā)電有著廣闊的應(yīng)用前景。

（作者單位：嘉興市港航管理局）