中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司 李平忠 郭福建

淺談風(fēng)光儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)在無人值守高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用

中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司 李平忠 郭福建

高速公路收費(fèi)系統(tǒng)一般處于城市的郊區(qū)，為了保證收費(fèi)的正常進(jìn)行一般需要建設(shè)UPS系統(tǒng)。采用風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能供電，可解決UPS利用率低以及未來低強(qiáng)度人工干預(yù)收費(fèi)的需求。風(fēng)光儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能和太陽能資源的互補(bǔ)性，很好的解決了單一的太陽能或者單一風(fēng)能不能夠提供持續(xù)的能量來源的問題，符合國(guó)家未來新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能；高速公路收費(fèi)系統(tǒng)；光伏陣列；風(fēng)力發(fā)電機(jī)

引言

高速公路收費(fèi)系統(tǒng)一般處于城市的郊區(qū)，為了保證收費(fèi)的正常進(jìn)行，需要建設(shè)UPS不間斷供電系統(tǒng)。目前隨著電網(wǎng)的穩(wěn)定性不斷增加，UPS的作用越來越弱。另外，隨著用工荒的出現(xiàn)以及人力資源成本的上升，未來無人值守收費(fèi)是必然的趨勢(shì)。這兩種新的趨勢(shì)的出現(xiàn)，迫切需要提供一種不受外界供電條件影響，環(huán)保且便捷安全的電力供應(yīng)方式。高速公路機(jī)電設(shè)備的供電系統(tǒng)正在逐漸的向新型供電方式方向發(fā)展。風(fēng)光儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能和太陽能資源的互補(bǔ)性，很好的解決了單一的太陽能或者單一風(fēng)能不能夠提供持續(xù)的能量來源的問題，符合國(guó)家未來新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

1.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)勢(shì)

進(jìn)入冬季以來，北方的霧霾又再次襲來，這是由于化石燃料的使用，化石燃料給造成環(huán)境污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。中國(guó)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到新型清潔能源對(duì)人類的重要性，更認(rèn)識(shí)到常規(guī)能源利用過程中對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的破壞，因此，中國(guó)提出了能源互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，把可再生、無污染的新能源的開發(fā)利用作為可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽能資源的互補(bǔ)性，具有較高性價(jià)比的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)利用光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電，對(duì)氣象資源的利用更加充分，可真正實(shí)現(xiàn)晝夜發(fā)電。另外，根據(jù)目前統(tǒng)計(jì)規(guī)律，除霧霾天氣外，一般在光照不太好的白天，風(fēng)能資源相對(duì)不錯(cuò)。我國(guó)東南沿海及其島嶼，為我國(guó)最大風(fēng)能資源區(qū)。在這一地區(qū)，有效風(fēng)能密度大于、等于200W/m2的等值線平行于海岸線，沿海島嶼的風(fēng)能密度在300W/m2以上，有效風(fēng)力出現(xiàn)時(shí)間百分率達(dá)80～90%。

分析我國(guó)太陽能資源，東南沿海一帶，山東、遼寧、廣東南部、福建南部、江蘇中北部和安徽北部等地全年輻射量在5400～6700MJ/m2。長(zhǎng)江中下游、福建、浙江和廣東的一部分地區(qū)全年輻射量在4200～5400MJ/m2。但是此區(qū)域春夏多陰雨，秋冬季太陽能資源還可以。

風(fēng)能和太陽能資源的分布正好形成了互補(bǔ)，同時(shí)東南沿海一帶，也是我國(guó)化石能源使用密度最高的部分。因此，在太陽能、風(fēng)能資源、比較豐富，且互補(bǔ)性好的情況下，對(duì)系統(tǒng)的部件配置、運(yùn)行模式及負(fù)荷調(diào)度方法等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后。系統(tǒng)負(fù)載只靠風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電即可獲得連續(xù)、穩(wěn)定的供電，這樣風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)會(huì)有更好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2.風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)的融合

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境、氣候和季節(jié)的影響較大，其輸出功率具有不可預(yù)測(cè)性和不穩(wěn)定性，為了確保負(fù)載用電的持續(xù)性和可靠性，需配置一定容量的儲(chǔ)能裝置。作為高速公路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一般配置蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。收費(fèi)系統(tǒng)由車道計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、收費(fèi)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成,通常采用UPS電源系統(tǒng)為收費(fèi)系統(tǒng)供電。UPS電源系統(tǒng)中一般配置后備2小時(shí)左右的蓄電池，供市電停電時(shí)所有的收費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用。根據(jù)目前已通車的德商高速公路沿線市電電力供應(yīng)情況來看，市電停電為極小概率事件。因此此部分蓄電池的功能未得到充分應(yīng)用。從某種程度來看造成了一定的浪費(fèi)。

針對(duì)此種情況，本單位項(xiàng)目在設(shè)備廠商的支持下，進(jìn)行了電力供應(yīng)的創(chuàng)新，將風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)進(jìn)行了融合，不但降低了風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本，還將利用率不高的資產(chǎn)進(jìn)行了盤活，提高了投資的利用率。本系統(tǒng)選用山東鼎維數(shù)字技術(shù)有限公司研發(fā)的風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能供電系統(tǒng)。該公司的DigitalWay SolarLong風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)，采用航天級(jí)設(shè)計(jì)理念和思路，創(chuàng)造性的將航天太陽能系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到高速公路。

3.風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)在無人值守收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用

SolarLong風(fēng)光互補(bǔ)充放電控制器可獨(dú)立運(yùn)行為現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載提供電能；兩個(gè)及兩個(gè)以上的充放電控制器在相互間距不超過5Km的情況下可通過充放電控制器的直流高壓母線并網(wǎng)組建微型電網(wǎng)，為現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)提供電能。從而解決傳統(tǒng)風(fēng)光互補(bǔ)微型電網(wǎng)的多次升降壓和交流直流變換降低了光伏/風(fēng)力資源的利用效率問題，以及傳統(tǒng)風(fēng)光互補(bǔ)微型電網(wǎng)由于發(fā)電設(shè)備集中建設(shè)，無法適應(yīng)各小功率風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電點(diǎn)無法有效并網(wǎng)的問題，提高風(fēng)光發(fā)電的利用效率，降低單位發(fā)電的建設(shè)成本。

其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用玄武巖風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)輸出三相交流電，經(jīng)過風(fēng)光互補(bǔ)控制器給蓄電池充電。稀土永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)合空芯杯和盤式電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的無鐵芯系列發(fā)電機(jī)，是專門為低風(fēng)速區(qū)應(yīng)用而研發(fā)的，沒有機(jī)械摩擦，無噪音，空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)確保風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，設(shè)計(jì)壽命 15 年；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向摩擦力可減小70%以上，極大地減少了摩擦阻力，起動(dòng)風(fēng)速為 1 米/秒，明顯優(yōu)于普通風(fēng)力發(fā)電機(jī)。葉片采用天然玄武巖加工制作，優(yōu)越的理化性能提升了葉片的抗腐蝕能 力、可加工性能、使用壽命，更因采用純天然材料而提升了環(huán)保水平。

儲(chǔ)能及能量管理系統(tǒng)采用智能化設(shè)計(jì)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)能、太陽能、蓄電池、負(fù)載之間的供電模式、能量流動(dòng)和負(fù)載供電進(jìn)行控制，能夠根據(jù)蓄電池狀態(tài)和負(fù)荷需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，及對(duì)蓄電池進(jìn)行完善的充放電控制與保護(hù)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，最大程度降低系統(tǒng)成本。

提供高效的充電和放電控制，采用風(fēng)能和太陽能的最大功率充電模塊，提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，降低成本；另外此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多機(jī)互聯(lián)，配置通信模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，故障診斷、參數(shù)設(shè)置、功能升級(jí)等功能。

4.結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究表明本方案設(shè)計(jì)提供的風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)具有投資節(jié)省、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造性的將航天太陽能系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到高速公路，將風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)進(jìn)行了融合，不但降低了風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本，還將利用率不高的資產(chǎn)進(jìn)行了盤活，提高了投資的利用率。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多機(jī)互聯(lián)，配置通信模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，故障診斷、參數(shù)設(shè)置、功能升級(jí)等功能。

[1]陳宇.淺談風(fēng)光互補(bǔ)路燈在道路照明中的應(yīng)用前景[J].廣東科技, 2007(3):15-16.

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[3]劉學(xué).風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在高速公路中的應(yīng)用研究[J]. 長(zhǎng)安大學(xué), 2012, 31(7):91-92.

李平忠（1977—），男，山東微山人，1998參加工作，現(xiàn)服務(wù)于中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司，從事軌道交通和高速公路建設(shè)工作。