新疆公路機電外場設備風光互補供電系統(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、風能資源豐富，風光互補發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、風力發(fā)電機組、風光互補控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。該系統(tǒng)的優(yōu)點是供電可靠性高，運行維護成本低。由于太陽能與風能的互補性強，無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風光互補發(fā)電系統(tǒng)都可以做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設計方案來滿足道路外場設備的用電需求。

關(guān)鍵詞：風能太陽能；風光互補發(fā)電；公路機電外場設備

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

隨著新疆公路里程和道路服務水平的不斷提高，近年來公路發(fā)展呈現(xiàn)兩個特點：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、信息誘導等監(jiān)控外場設備需求明顯提高；二是公路不斷向城鎮(zhèn)稀少、地形復雜的山區(qū)延伸。目前公路沿線的外場設備主要有監(jiān)控攝像機、車輛檢測器、氣象檢測器。隨著公路沿線外場設備數(shù)量和密度的需求不斷加大，設備供電方式的選擇直接影響道路運營成本，外場設施供電難度大的問題也日益凸顯。

1 交通運輸部、新疆交通運輸廳對公路外場監(jiān)控設備布設的要求

2012年交通運輸部發(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)運行監(jiān)測與服務暫行技術(shù)要求的公告》（交通運輸部公告2012年第3號）。三項“技術(shù)要求”的同時發(fā)布，對指導和規(guī)范公路網(wǎng)運行監(jiān)測與服務系統(tǒng)的建設、運行與管理，保障全國高速公路和重要國省干線公路以及重要公路設施的穩(wěn)定運行，加強國家干線公路網(wǎng)運行監(jiān)測與科學管理，提升國家干線公路網(wǎng)安全性能和服務質(zhì)量，提高公路突發(fā)事件應急處置能力和公共服務能力，實現(xiàn)國家干線公路網(wǎng)“可視、可測、可控”的發(fā)展目標以及為人民群眾提供安全、暢通、便捷、綠色的公路出行服務等方面具有重大而深遠的意義?！豆肪W(wǎng)運行監(jiān)測與服務暫行技術(shù)要求》明確提出通過建立部、省兩級路網(wǎng)監(jiān)測點網(wǎng)絡，實現(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)等的實時監(jiān)控，并為已建、新建、改（擴）建的（高速）公路的監(jiān)測體系提供技術(shù)保障。其中，新建高速公路應同步建設監(jiān)測設施與系統(tǒng)，已建成高速公路應逐步完善監(jiān)測設施與系統(tǒng)，國省干線公路應結(jié)合路網(wǎng)改造與養(yǎng)護工程逐步升級監(jiān)測設施與系統(tǒng)。

2 新疆公路外場設備采用風光互補電源系統(tǒng)的優(yōu)勢

眾所周知風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。太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性：白天太陽光最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能加強。在夏季，太陽光強度大而風小，冬季，太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補使得這樣的系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，可實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)電。所以，風光互補新能源供電系統(tǒng)也是資源條件最好的獨立電源系統(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；風能資源也較豐富，屬于全國風能資源三大豐富地區(qū)之一。根據(jù)新疆公路沿線外場設備分布情況，站點布設區(qū)域平均風速可達3m/s，而目前小型風力發(fā)電機啟動風速2.5m/s，可以確保風力機正常啟動工作。

2.2 供電穩(wěn)定性

目前新疆全區(qū)外場設備一般在易接市電（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)。風光互補發(fā)電系統(tǒng)同時利用太陽能和風能發(fā)電，對氣象資源的利用更加充分，可實現(xiàn)晝夜發(fā)電。在合適的氣象資源條件下，風光互補發(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。獨立供電，在遇到自然災害時不會影響到全部用戶的用電。

2.3 維護難易度及推廣性

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

2.4 經(jīng)濟效益和社會影響

以往監(jiān)控外場設備采用埋地電纜方式接引市電供電，一般在離電源點三公里以上的地方，供電線路的建設成本占比就較高，隨著里程的增加，線路上消耗的電能也多，還需要設升壓系統(tǒng)，投資成本逐漸增大。而風光互補供電是獨立供電源，不需要埋設輸電線路，無線路消耗電能，有明顯的經(jīng)濟效益。而且，當前高速公路沿線監(jiān)控外場設備供電采用的低壓電纜被盜現(xiàn)象十分嚴重，運營管理部門每年投入電纜維護費用較高，影響公路正常運營管理。采用風光互補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)省后期運營費用。

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

3 國內(nèi)外風光互補發(fā)電研究現(xiàn)狀

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

4 目前外場設備供電中存在的問題

新疆公路機電外場設備供電方式的決策模型。

新疆風光互補供電系統(tǒng)供電效率的影響因素及其量化指標。

新疆不同地區(qū)外場設備風光互補供電系統(tǒng)的最佳組合。

通過對外場設備風光互補或太陽能供電系統(tǒng)蓄電池的維護研究，延長蓄電池的使用壽命和預報警功能。

5 結(jié)語

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

參考文獻

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