風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用余家華

1、風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用余家華1. 序言電能是我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活中必需品，電能的應(yīng)用極大的促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展和改善了我們的生活。但同時(shí)也耗費(fèi)了大量的自然資源，并對(duì)人類賴以生存的環(huán)境造成了極大的破壞。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高以及礦藏型資源的日益匱乏，我們對(duì)新型可再生綠色能源的需求變得更加迫切。目前，在歐洲、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家正在加快發(fā)展風(fēng)光互補(bǔ)/太陽(yáng)能/風(fēng)力綠色能源系統(tǒng)，這幾種新型能源系統(tǒng)都是集環(huán)保和節(jié)能于一體的產(chǎn)品。隨著全球常規(guī)能源短缺情況的加劇，風(fēng)能和太陽(yáng)能這兩種清潔可再生自然能源的利用將會(huì)越來越普及，并代表著未來綠色能源的發(fā)展方向，是當(dāng)今社會(huì)大力提倡推廣的可再生能源產(chǎn)品。在全

2、國(guó)人大十屆四次會(huì)議的政府工作報(bào)告中，提出了建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的任務(wù)和政策措施，為可再生能源產(chǎn)品在國(guó)家建設(shè)發(fā)展中的應(yīng)用提供了機(jī)遇。推廣風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，既可節(jié)約能源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又可改善環(huán)境，普及可再生能源知識(shí)，促進(jìn)可再生能源技術(shù)應(yīng)用。2. 風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)簡(jiǎn)介太陽(yáng)能作為傳統(tǒng)的綠色能源已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我們的日常生活和生產(chǎn)中，而且，我國(guó)太陽(yáng)能極板等產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，產(chǎn)品的免維護(hù)期已經(jīng)超過10年。在燈塔、航標(biāo)、基站上的應(yīng)用非常廣泛。但是，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在夜間、陰雨天氣、冬天、太陽(yáng)光線不夠充足，電池電能將耗盡時(shí)，就非常有必要由風(fēng)能為儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，太

3、陽(yáng)能每天實(shí)際充電工作時(shí)間約5h，而風(fēng)能不受太陽(yáng)光線的影響，可以在一天24h根據(jù)風(fēng)速的大小不斷的產(chǎn)生電能。采用風(fēng)能和太陽(yáng)能互補(bǔ)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陰雨天也能夠利用風(fēng)能補(bǔ)充電能，保證持續(xù)陰雨天能正常供電；利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能互補(bǔ)系統(tǒng)，可減少太陽(yáng)能電池極板組件的配置數(shù)量，并減少太陽(yáng)能電池板組件的迎風(fēng)面積，從而降低整體的投資。3. 擬采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的鐵路沿線負(fù)荷類型及特點(diǎn)3.1 光纖直放站系統(tǒng) 光纖直放站系統(tǒng)是450MHz鐵路通信系統(tǒng)的一種信號(hào)弱場(chǎng)區(qū)覆蓋設(shè)備，利用光纖作為中繼傳輸介質(zhì)，起到延伸電臺(tái)的信號(hào)覆蓋、消除通信盲區(qū)的作用，以滿足現(xiàn)今鐵路無線列調(diào)的通信模式。 光纖直放站系統(tǒng)近端機(jī)采用DC-48V（1&

4、#177;10%）（正接地）供電；遠(yuǎn)端機(jī)采用AC220V（1±20%），50Hz供電，設(shè)置備用電池引入接口及備用電池（電池容量滿足設(shè)備連續(xù)工作大于6h，浮充供電）。電源單元均雙套熱備份。 光纖直放站系統(tǒng)為級(jí)負(fù)荷，分別由10kV一級(jí)負(fù)荷貫通線和綜合負(fù)荷貫通線各提供一路AC220V電源，并自備雙電源切換裝置。 光纖直放站系統(tǒng)的功耗：待機(jī)狀態(tài)15W，通話狀態(tài)80W。 在鐵路沿線根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)情況，每510km設(shè)一個(gè)光纖直放站。3.2 GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng) GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)是在GSM技術(shù)的基礎(chǔ)上提供的一種端到端分組交換業(yè)務(wù)，可最大限度重用已有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可提供高效的無線資

5、源利用率，可提供高達(dá)171.2Kbps的無線接入速率，與已有的GSM-R電路交換系統(tǒng)有很多交互，基于標(biāo)準(zhǔn)的開放接口。 GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)基站采用DC-48V供電。 GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)基站為級(jí)負(fù)荷，分別由10kV一級(jí)負(fù)荷貫通線和綜合負(fù)荷貫通線各提供一路AC220V電源，并自備雙電源切換裝置。 GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)基站交流負(fù)荷1kW，直流負(fù)荷（DC-48V）0.5kW，電壓波動(dòng)范圍4258V之間，自備直流電池要求后備時(shí)間3h，一般按6h考慮。 在鐵路沿線根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)情況，每35km設(shè)一個(gè)GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)基站。4. 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用方案光纖直放站系統(tǒng)和GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)

6、系統(tǒng)的正常負(fù)荷1kW，考慮到風(fēng)能和太陽(yáng)能受到自然條件制約，不能穩(wěn)定輸出電能，所以采用1kW3kW功率型應(yīng)用方案，由蓄電池儲(chǔ)能供電，以緩解太陽(yáng)能和風(fēng)能在特殊環(huán)境（如：無風(fēng)或者無陽(yáng)光氣候）無法供電的情況。并且該系統(tǒng)從10kV一級(jí)負(fù)荷貫通線（或綜合負(fù)荷貫通線）引接一路AC220V電源，避免因長(zhǎng)時(shí)間蓄電池?zé)o電能補(bǔ)充導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行。4.1 系統(tǒng)組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能節(jié)板、逆變器、蓄電池組和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（選項(xiàng)）組成，各部分功能如下： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能； 太陽(yáng)能節(jié)板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能； 逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)化換成交流電壓； 蓄電池儲(chǔ)存太陽(yáng)能及風(fēng)能轉(zhuǎn)換成的電能，并向負(fù)載提供電

7、能； 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)控系統(tǒng)工作情況，并將數(shù)據(jù)傳回控制中心（該項(xiàng)功能根據(jù)需求選配）。4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及說明整套系統(tǒng)由于13kW的用電負(fù)荷較低，可采用直接由蓄電池充電，當(dāng)風(fēng)力和太陽(yáng)能供電不足時(shí)，切換至貫通線供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。圖1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（注：圖中電網(wǎng)可為貫通線或自閉線，也可是他們經(jīng)切換后引入的電源）如圖所示，渦旋風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板同時(shí)對(duì)蓄電池充電，正常情況下由蓄電池對(duì)用電設(shè)備供電。當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，切換至貫通線對(duì)蓄電池充電。在條件許可時(shí)，還可增加一套并網(wǎng)裝置，在蓄電池電壓大于設(shè)定值時(shí)，將蓄電池的部分電量并入電網(wǎng)。4.3 系統(tǒng)分析假定交流1kW功率負(fù)荷，需要系數(shù)

8、0.8，用電電壓220V，當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速8m/s（5級(jí)風(fēng)），光照強(qiáng)度為：4lx，蓄電池?zé)o充電時(shí)可維持24h獨(dú)立供電。配置及分析如下： 設(shè)備每天所需電能：1×24×0.819.2kwh，根據(jù)日用電量，考慮設(shè)備配置。 根據(jù)24h用電量計(jì)算蓄電池容量為160Ah，電壓為220V（也可采用低電壓逆變至220V，但效率較不理想）。 太陽(yáng)能節(jié)板配置為1kW，太陽(yáng)能平均日間光照發(fā)電效率為23%，而夜間無輸出，日間以12h計(jì)算，1kW太陽(yáng)能節(jié)板平均每天輸出電能為：1×12×0.232.76kwh。 風(fēng)能配置8臺(tái)，在風(fēng)速8m/s（5級(jí)風(fēng)）時(shí)，每臺(tái)輸出功率為105W風(fēng)力發(fā)電

9、機(jī)，8臺(tái)風(fēng)機(jī)平均每天輸出電能：8×24×0.10520.16kwh。 每天總的發(fā)電量為2.76+20.1622.92kwh每天所需電能：1×24×0.819.2kwh，滿足負(fù)荷用電需要，可考慮設(shè)置智能逆變并網(wǎng)裝置將多余電能反饋給電網(wǎng)。4.4 系統(tǒng)配置詳細(xì)配置清單如表1。表1 系統(tǒng)配置表序號(hào)內(nèi)容型號(hào)數(shù)量1太陽(yáng)能能電池板125W 33V82太陽(yáng)能安裝支架83太陽(yáng)能充電控制器84太陽(yáng)能安裝附件（電纜等）據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況5渦旋風(fēng)力發(fā)電機(jī)VVT-1000型86渦旋風(fēng)力安裝塔架37風(fēng)機(jī)充電控制器88風(fēng)機(jī)安裝附件（電纜等）據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況9蓄電池2V 160Ah110直流配電柜1

10、11防浪涌裝置1012電網(wǎng)充電切換裝置113智能并網(wǎng)裝置114安時(shí)記錄儀14.5 儲(chǔ)能裝置由于光纖直放站及GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)基站均自備有一套儲(chǔ)能裝置，在設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)時(shí)，可將兩套儲(chǔ)能裝置合并使用，以節(jié)省投資。5.主要設(shè)備介紹及特點(diǎn)根據(jù)以上分析，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置主要由風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝置以及電能儲(chǔ)存設(shè)備等組成，其中太陽(yáng)能和電能儲(chǔ)存設(shè)備較普遍，國(guó)產(chǎn)化程度也較高。下面重點(diǎn)介紹目前比較先進(jìn)的渦旋透平風(fēng)機(jī)設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用。5.1 高風(fēng)能利用率由于獨(dú)特的葉片設(shè)計(jì),風(fēng)機(jī)能達(dá)到空間360度受風(fēng),并且在2片葉片之間形成渦旋氣流。這種渦旋氣流使風(fēng)葉對(duì)中小風(fēng)速的利用率非常高。據(jù)統(tǒng)計(jì)風(fēng)力渦旋透平風(fēng)電機(jī)比傳統(tǒng)

11、的風(fēng)力發(fā)電機(jī)至少多產(chǎn)生50%的電能。以下是上海地區(qū)年風(fēng)速分布情況如圖2。由于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速要求很高，并且大風(fēng)情況要?jiǎng)x車停止工作。所以由圖可看出，渦旋風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年最少多發(fā)電119天。5.2 高經(jīng)濟(jì)回報(bào)率在其它風(fēng)力發(fā)電機(jī)不工作時(shí)，風(fēng)力渦旋透平風(fēng)電機(jī)仍在發(fā)電。不論是仲夏的微風(fēng)還是冬日的狂風(fēng)。在其它發(fā)電機(jī)由于霜凍、結(jié)冰、下雪或過高風(fēng)速而無法工作時(shí)，風(fēng)力渦旋透平風(fēng)電機(jī)仍在發(fā)電。風(fēng)力渦旋透平風(fēng)電機(jī)在許多方面的特點(diǎn)使之與眾不同，其使用壽命和價(jià)格相比，使之投資最具價(jià)值。與傳統(tǒng)三葉式風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較如表2。圖2 上海地區(qū)年風(fēng)速分布表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較表功能比較VVT垂直渦旋發(fā)電機(jī) 水平軸發(fā)能發(fā)電機(jī)對(duì)強(qiáng)風(fēng)的反應(yīng)

12、（60m/s）能持續(xù)產(chǎn)出它的峰值能量輸出在風(fēng)速25m/s時(shí)必須要停機(jī)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)不被燒壞對(duì)微風(fēng)做出反應(yīng)（<5m/s）啟動(dòng)風(fēng)速是2m/s；在2.2m/s時(shí)開始產(chǎn)出電能低于5m/s時(shí)不能產(chǎn)出電能對(duì)風(fēng)向改變的反應(yīng)（風(fēng)向可在2s內(nèi)改變1800）不受風(fēng)向改變的影響而降低電能的產(chǎn)出反應(yīng)遲緩，損失潛在產(chǎn)能的1/2產(chǎn)電產(chǎn)生 70-80% 的額定電能產(chǎn)生不超過10-17%的額定電能設(shè)計(jì)壽命20 年5到10 年質(zhì)保期10年一般為 1到3 年安裝占地占地面積小需要的空間面積大固定要求可固定在離墻4m或樓頂4m的地方不能安裝在墻上，通常安裝在25到35米的塔頂上噪聲人類耳朵不能感知通常較吵，噪音較大震動(dòng)震動(dòng)小

13、震動(dòng)稍大腐蝕性空氣環(huán)境已被證明能連續(xù)10年使用于海洋環(huán)境及海上鉆井平臺(tái)通常不能在腐蝕性的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作。溫度可以適應(yīng)35 75通常具有非常有限的溫度范圍要求下面的圖表展示了渦旋風(fēng)機(jī)和螺旋槳式風(fēng)機(jī)在相同的掃風(fēng)面積下產(chǎn)量的不同。渦旋風(fēng)機(jī)比螺旋槳式風(fēng)機(jī)在相同的掃風(fēng)面積至少要多產(chǎn)生50%的電能，而且依據(jù)風(fēng)速不同可以產(chǎn)生4-5倍的能量。圖3 渦旋風(fēng)機(jī)和螺旋槳式風(fēng)機(jī)產(chǎn)量圖5.3 極長(zhǎng)使用壽命風(fēng)力渦旋透平風(fēng)電機(jī)的葉片采用增強(qiáng)性玻璃鋼材料，發(fā)電機(jī)采用高強(qiáng)度、耐腐蝕材料制成，確保在惡劣的環(huán)境下也能經(jīng)年無礙地產(chǎn)出電能。而其本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)又確保極低的維護(hù)要求。風(fēng)力渦旋透平風(fēng)電機(jī)，在較為惡劣的環(huán)境下依然可保證8年的使用壽命。5.4 對(duì)安裝地點(diǎn)的氣象要求 當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速大于3.5m/s； 溫度：35 75； 濕度：不限； 海拔：不限。5.5 良好的環(huán)境融入性風(fēng)力渦旋透平風(fēng)電機(jī)工作時(shí)沒有噪音，不會(huì)對(duì)人類造成傷害，因此可應(yīng)用于人口密集區(qū)、公共場(chǎng)所、公園、野生動(dòng)物園及樓宇上十分安全，且美觀的外形，許多情況下，