淺談風光互補發(fā)電技術在高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用發(fā)展

許黃燕

摘 要：隨著我國基礎設施建設不斷完善，越來越多高速公路擴建、改造、升級和投入使用，然而如何方便快捷、資源節(jié)約地進行有效監(jiān)管和應急救援始終是一大難題。風光互補發(fā)電技術在離網(wǎng)型中小功率電器供電系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛應用多年，文章通過對現(xiàn)有風光互補發(fā)電技術原理、系統(tǒng)優(yōu)勢分析并找出不足之處，綜合各影響因素提出新的探索方向。具有跨時代意義的5G通信的啟動，更推動技術革新，優(yōu)化小型風光互補獨立供電系統(tǒng)對高速公路視頻監(jiān)控發(fā)展具有重要意義。

關鍵詞：風光互補發(fā)電;高速公路;視頻監(jiān)控系統(tǒng)

高速視頻監(jiān)控供電系統(tǒng)建設受自然條件嚴重制約，在很多無法依靠電網(wǎng)取電的重要高速路段，傳統(tǒng)獨立風電/光供電系統(tǒng)無法保證陰雨天的全天候實時監(jiān)控需求。而新型風光互補供電技術解決了這個瓶頸，因此被廣泛應用到高速視頻監(jiān)控設備的供電之中，但是盡管運行多年，仍存在諸多不足。

一、風光互補發(fā)電技術

風光互補發(fā)電技術是一種新型混合能源供電技術，該技術能夠將風的機械能和太陽光的輻射能量轉變?yōu)殡娔?，儲存在蓄電池之中，進而對監(jiān)控系統(tǒng)進行供電。其主要構件有風力發(fā)電機、太陽能光伏電池組、風光互補控制器、蓄電池、逆變器等，風力發(fā)電機在自然風作用下產(chǎn)生轉動，產(chǎn)生機械能量，并通過一系列轉化成為電能;太陽能光伏電池組能將太陽輻射能量轉變?yōu)殡娔?風光互補控制器能控制電力來源，在不同條件下選擇不同的電能來源，是電氣技術在新能源領域的新應用。

（一）技術原理

風光互補發(fā)電技術是一種混合型發(fā)電技術，利用風力發(fā)電機以自然風為動力來源，風輪吸收風能，使得風輪和風力發(fā)電機發(fā)生轉動，從而實現(xiàn)風的動能到電能的轉換;太陽能光伏電池板在太陽輻射下，吸收太陽能并將其轉換為電能[1]。風的動能轉換為電能需借助風光互補控制器，再將電能儲存在蓄電池中，而太陽輻射得來的電能可以直接進行轉換，儲存在蓄電池之中。

（二）供電設計

因為對高速公路監(jiān)控系統(tǒng)進行供電時，要考慮全天候24h進行監(jiān)控，不受氣候條件影響，因此必須進行特殊設計。設計時常采用倒推法，先選取合適功率的監(jiān)控設備計算出所需荷載，進而確定蓄電池組容量和供電系統(tǒng)功率，再確定蓄電池數(shù)量和組裝方式，綜合實地環(huán)境優(yōu)化方案，根據(jù)供電系統(tǒng)功率和分配方式確定風力發(fā)電機以及光伏電池板發(fā)電功率和型號，最后進行組裝。

（三）考慮因素

盡管在進行方案設計時可以根據(jù)環(huán)境和用電要求設計出最佳方案，但風光互補發(fā)電技術仍需考慮多重因素：包括系統(tǒng)使用地點、日照輻射、該地平均風速;在無風無光陰雨天氣能否保證24小時供電，風光互補立桿高度、監(jiān)控安裝高度;運維難易程度等。

（四）供電優(yōu)勢

風光互補發(fā)電技術在高速公路監(jiān)控供電系統(tǒng)中，一方面可以實現(xiàn)全天候24h供電，解決供電瓶頸問題，不受天氣條件影響，在晴天和連續(xù)陰雨天氣都可以進行監(jiān)控，確保高速運行和監(jiān)管過程的安全。另一方面，因為太陽能和風能都是可再生新型能源，能夠實現(xiàn)節(jié)約資源的目的，緩解資源緊張現(xiàn)狀，降低應用成本，具有極好的社會效益和經(jīng)濟效益。

傳統(tǒng)風能或太陽能單獨發(fā)電受自然條件嚴重制約，無法滿足監(jiān)控系統(tǒng)全天候實時監(jiān)控要求，但在時間和空間上卻有很大互補性。二者組合的風光互補發(fā)電系統(tǒng)在安防項目應用上一直備受青睞，在電力供應和有線傳輸方面，無需大范圍地建設輸電網(wǎng)絡和鋪設光纖傳輸網(wǎng)絡，降低成本，節(jié)省電費，且比電網(wǎng)供電更方便安全，有效地解決了高速公路的監(jiān)控問題。

（五）不足之處

傳統(tǒng)風光互補發(fā)電技術存在效率低、壽命短、造價高、更換電池組時導致設備斷電、季節(jié)性障礙無法克服、大面積推廣難等弊端，同時小型風力發(fā)電機的可靠性不高、供電不穩(wěn)定，轉換效率低。

（六）風光互補發(fā)電探索

出于成本考慮，長期以來小型風力發(fā)電機的限速保護上均只是通過空氣動力學原理，采用簡單機械控制方式對風機在大風狀態(tài)下進行限速保護。機械限速結構特點是小型風機的機頭或某個部件處于動態(tài)支撐的狀態(tài)，這種結構在風洞的試驗條件下，可以反映出良好的限速特性，但是在自然條件下，由于風速和風向的變化臺復雜，一旦出現(xiàn)惡劣環(huán)境，小型風機的動態(tài)支撐部件隨時可能損壞，從而導致機組損壞。

目前小型風機主要運動部件包括風輪、尾翼、限速保護機構。要徹底解決小型風機的可靠性問題必須解決限速保護問題。國內已經(jīng)有一些廠家開始從這方面進行研究，目前最新的理念是采用全新的磁電限速保護。技術要點在于當風力機處于“過功率”狀態(tài)時給發(fā)電機反向磁阻力矩，大幅增加消耗功率，降低風輪轉速，從而降低定槳距風輪的風能利用率，減小風輪吸收的風能，從而進一步減低風輪轉速。實際上達到的是減速而非限速，保護動作安全可靠。

而除上述新技術的逐步改進外，對于風能和太陽能的利用率較低，亦存在很大的探索空間，如何使得風能和太陽能得到更加深入的應用，將風光互補發(fā)電技術應用到更多領域，更廣泛地利用可再生的清潔電能，是工程師們需要不斷進行探索的新挑戰(zhàn)。

二、風光互補發(fā)電在高速公路應用

（一）高速公路收費監(jiān)控

在高速公路出口應用風光發(fā)電技術對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行供電，可以實現(xiàn)風能和電能的有效利用，節(jié)約能源;在高速公路進出口應用風光互補發(fā)電技術多是吸收風能和太陽能將電能儲存起來，所以其常作為事故應急之用，一旦發(fā)生特殊天氣停電等情況，可以及時啟動備用電源，實現(xiàn)高速收費和監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行，不會對高速行車產(chǎn)生影響，對于收費站的收費員、監(jiān)控室、財務室、收費所營區(qū)、機房等的監(jiān)控也不會缺失[2]。

（二）道路交通監(jiān)控應用

在高速公路中對過往車輛進行監(jiān)控，可以確保道路交通安全和暢通，然而高速公路路況復雜，天氣情況多變，利用傳統(tǒng)的供電方式很難實現(xiàn)特殊地段和特殊天氣的全程監(jiān)控，利用風光互補發(fā)電技術，可以改變這一現(xiàn)狀，利用風光互補發(fā)電技術，可以在晴天時，利用太陽能光伏電池板，吸收太陽輻射并轉化為電能，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的供電，在連續(xù)陰雨天氣和夜間沒有太陽時，可以利用風力發(fā)電機將風的機械能，轉變?yōu)殡娔茉陉幱晏鞖夂鸵归g對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行供電，這樣就可以實現(xiàn)24h實時監(jiān)控。

三、高速公路視頻監(jiān)控的意義

對于高速公路實行全程監(jiān)控，對于確保高速公路運行過程中的安全，具有極其重要的作用和意義。首先，能夠對高速行車狀況進行有效的指導，對高速公路進行有效監(jiān)控，可以對交通狀況進行有效的指導，及時了解高速公路沿途天氣狀況并做好播報，讓駕駛人員提前做好準備，確保行車過程的通暢;其次，可以對高速公路事故進行快捷有效的救援，減少人員傷亡和損失，利用監(jiān)控系統(tǒng)，可以及時準確地對高速事故進行救援，保護車輛和行人的安全;再次，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)，對道路交通違法行為進行懲處，監(jiān)控錄像還可以作為道路交通事故責任認定的依據(jù)，以確保事故認定的準確性;最后通過監(jiān)控系統(tǒng)，對每個監(jiān)控設備進行標記，運用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術，可以對道路行車進行導航，方便旅客的出行[3]。

四、結語

全程高速公路監(jiān)控系統(tǒng)對于確保道路行車安全，及時做好應急救援，做好道路交通指導和導航，具有重要的意義。通過不斷提出新理念，改進新技術，從而提高風光互補發(fā)電系統(tǒng)整體可靠性，同時綜合考慮更多發(fā)展瓶頸因素，探索新思路，將成果逐步轉化應用到智慧交通建設來，同時不斷技術創(chuàng)新探索更深領域，讓風光互補發(fā)電技術被更廣泛應用到更多領域，提供更多的可再生清潔電能。

參考文獻：

[1]王昱婷， 楊熹. 風光互補發(fā)電系統(tǒng)在高速公路中的應用研究[J]. 工業(yè)設計， 2017（6）：162-163.

[2]劉學. 風光互補發(fā)電系統(tǒng)在高速公路中的應用研究[D]. 長安大學， 2012.

[3]楊衛(wèi)華， 蔣康樂， 孫文葉. 不同應用規(guī)模下風光互補發(fā)電儲能系統(tǒng)優(yōu)化與設計[J]. 節(jié)能， 2017（10）：4+41-44.