高寒\高海拔地区外场设备供电方案研究
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摘 要：随着高速公路的全面建设，远离大电网，处于无电状态，人烟烯少的项目越来越多，外场监控设备的供电越来越困难，在实施过程中应结合外场设备用电负荷较低，无人值守及项目所处区域内光资源及风资源的特点选取合适的供电方案。本文将结合国道215线当金山至大柴旦段公路外场监控设备的供电方案进行论述。
中图分类号： U223 文献标识码： A
概述
本项目为国道215线当金山至大柴旦段公路，属国家高速公路网国道主干线连云港至霍尔果斯公路(GZ45)的联络线，与国家路网中的北京至拉萨高速公路(GZ25)相连接。
本项目远离大电网，处于无电状态，人烟烯少，外场监控设备用电负荷较低，无人值守，且本项目所处区域内光资源及风资源充裕，本次拟采用风光互补供电系统对平交口外场监控设备进行供电。
气象参数
项目所在地的气象参数见下表：
本项目1960年～2010年累年各月气象参数一览表
月份 累年各月
平均风速（m/s） 累年各月
日照时数（h） 累年各月
平均最高气温（℃） 累年各月
极端极低气温（℃）
1 1.2 233.6 -4.1 -34.2
2 1.7 221.8 -1.2 -31.7
3 2.6 270.3 4.6 -25.2
4 3 285 10.6 -19.8
5 3 308.9 15.6 -11.4
6 2.8 294.6 19.1 -5.7
7 2.6 297.1 21.7 -0.5
8 2.4 298.7 21.4 -4.2
9 2.2 275.1 16 -10.4
10 1.8 283.3 9.7 -18
11 1.4 243.9 1.9 -30.6
12 1.1 232.1 -2.6 -30.5
以上数据源于中国气象局及青海省海北区气象局。
通过上表气象数据分析，本项目所在地各月日照时数平均在8小时，平均有效风速为2.2m/s。
负载：
团结乡平交口监控设备功率及日耗电量的确定：
团结乡平交口监控设备功率及日耗电量一览表
序号 设备名称 单位 数量 设备用电
负荷（W） 合计
（W） 供电方式
1 车辆检测器（VD） 套 6 40 240 风光互补
供电系统
2 交通信号灯（TS） 套 6 45 270
3 摄像机（CA） 套 6 50 300
4 视频处理工控机（两路视频） 套 3 100 300
5 摄像机补光设备 套 6 20 120
6 信号灯控制机 套 1 40 40
总计 1270
研究重点及难点
风光互补供电系统针对高原、高寒环境的调查与解决方案
项目所在地区是柴达木盆地，是青海省西北端一个内陆盆地，平均海拔3000米左右。路线最低点位于花海子附近海拔2886米，最高处为青山垭口海拔3690米；区域内太阳辐射量大，日照时间长，热量充沛，昼夜温度变化剧烈，极端最低气温可达-36.4℃。
本次研究根据高原特殊的气候环境的特点，主要分析了本项目所处高原环境对风力发电性能的影响，提出风光互补发电系统减小这些影响的对策和措施。
风能资源分布的影响
①发电规模受限
由于本项目所在地区属于风能可利用区，可利用区风能功率密度50～150 W/m2，发电规模在很大程度上受到限制，所以在设备用电时，应尽量采用节能运行的用电模式，以保证外场监控设备必要的运营。
②发电方式需要补充
高原风能资源可利用的时段性极强，且主要集中在冬春季节，仅采用单一的风力发电形式，电能质量、可靠性和稳定性难以保证，需要考虑与其它能源形式配合使用，互补发电。
空气密度的影响
（1） 空气密度随高度的变化
根据气体状态方程式求得空气密度与海拔高度的关系为：
式中 ρH——海拔高度为H时的空气密度；
ρ0——标准状态下空气密度，海平面在摄氏零度气温条件下空气的密度是1292 g/m3；
H——海拔高度（m）；
T0——绝对温度，为273 K；
a——空气温度梯度，约为0.0065 K/m。
大气压力和空气密度随海拔高度的变化见下表。
（2）空气密度对风力发电的影响
由贝兹理论，理想叶轮从风源吸收的最大功率为
由常温标准大气压力下，空气密度值为1.225 kg/m3，在海拔4000 m以上的高原地区，相对空气密度只有0.65，对相同参数的风轮机在两种空气密度下所获得的最大功率进行对比有：
式中 ρ1——海拔4000 m处空气密度；
ρ0——常温标准大气压力下空气密度。
即相同参数的风轮机叶轮在相同风速下，在高原地区只能获得内地地区最大功率的2/3。由此可见，在高原地区，空气密度对风轮机提取能量的影响已经十分显著，风力发电机在高原地区应用时必须考虑空气密度随高度变化的影响。
大气温度的影响
①温度变化对功率输出的影响
根据风能转换原理，风力发电机组的功率输出主要取决于风速，但除此以外，气压、气温和气流扰动等因素也显著地影响其功率输出。由于功率曲线是在空气标准状态下测出的，这时空气密度r＝1.225 kg/m3 。当气压与气温变化时，ρ会跟着变化，一般当温度变化±10 ℃，相应的空气密度变化±4%。
②风电机组的覆冰
处于临界状态的雨、雪、雾、露遇到低温的设备和金属结构表面时结冰，覆冰对电力系统安全运行危害较大。风轮机浆叶的覆冰会带来风轮运行的不平衡，风速、风向仪和风速平衡装置的覆冰将影响机组的运行和控制。
③对发电机的影响
温差大易引起发电机绕组表面冷凝，可在发电机内部安装电加热器。
雷暴的影响
高原高原海拔高、气压低、空气干燥，夏天多夜雨，雷暴日数多，高原的雷暴日数比同纬度我国平原地区、太平洋、伊朗高原等都多出2倍以上，甚至有的多达10倍，成为北半球同纬度地带雷暴日数最多的地区，属于雷暴多发地。
其它因素的影响
日照强度、空气湿度、流沙尘埃、地形等对风力发电机也有一定的影响，需要给予必要的重视。
设备状态的远程检测和控制的实现方案；
由于本项目外场设备均为为无人值守，故设备状态应实现远程检测和控制，
设备的节能供电方式及优化；
由于本项目交通量较小，部分外场监控设备无需24h/天运行，减少部分设备的运行时间以达到节约能源及供电系统造价的目的。
设备防盗处理。
风光互补发电系统主要包括风力发电机、光伏发电组件及蓄电池等，由于风力发电机及光伏发电组件均安装在高杆设备上，被盗的可能性较低。
蓄电池可以通过地埋和修建储藏室来进行防盗，待本工程实施时将就地埋方式和修建储藏室的防盗方式进行同等深度的比较，选择合理、有效的防盗方式。
风光互补供电系统设计及计算
团结乡十字路口用电负荷约为1.4kw，考虑一定裕量，本次研究按2kW设备进行供电系统计算。采用5kW风力发电机配上光伏组件的方式对系统供电，采用风光互补供电方案。
设计原则
由于光伏发电一次性投入高、占地面积大、发电量受树叶、沙尘遮盖组件等影响严重、并且低温运行效果非常差。
考虑安装地点的地理环境低温时间长且风沙多，风光发电量比设计约为4:1。
日用电量
E1=2kW*24h=48kWh。
考虑发电系统的风能效率80%，实际发电量至少需要60kWh.
蓄电池选择
本系统设计为220V系统。蓄电池采用单节2V，所以蓄电池一组串联节数=220V/2V=110节，取一组110节。
按使用电量无风无光3天 放电深度50％计算蓄电池容量，
蓄电池总的容量=(48kWh*3天/0.5)*1000/220V=1309Ah。
所以蓄电池并联组数=1309Ah/1500Ah=0.87组, 蓄电池取1组1500Ah。
实际蓄电池总数=并联组数*串联节数=1*110=110节。
风力机
采用5kW风力发电机，假设年平均有效风速：5m/s，风机输出功率0.55kW，每台日发电量为0.55*24=13.2kWh，考虑系统效率0.8,威布尔系数1.5,日发电量=15.84kWh；
考虑不但要满足负载用电，还需给蓄电池充电，配置3台5kW风力机。风力机日总发电量=15.84kWh*3台=47.52kWh。
光伏组件
采用2.88kWp的组件，选24V的光伏组件，光伏片数=220V/24V=9,取9片，功率160Wp, 一组功率1.44kWp,用二组共18片 (占地30平米)。
平均有效日照时间为5h。
则光伏每天发电量为1.44*2kWp*5h= 14.4kWh。
在满足风光资源条件下，日总发电量=47.52kWh+14.4kWh=61.9kWh， 发电量基本满足满足设备的要求。
风光互补控制系统
采用风光互补控制系统3套。
逆变器
采用3kW离网单相逆变器。
结论：通过比较，在均满足设备供电需求的情况下，太阳能供电（光伏发电）系统的造价远大于风光互补系统，且风光互补系统的可靠性及稳定性更好，所以本次研究推荐采用风光互补供电系统为本项目平交口外场设备进行供电。
参考文献：
[1] 《供配电系统设计规范》（GB 50052-2009）
[2] 《外场设备太阳能供电的探讨》（朱明午.《硅谷》 2008年09期）
[3] 《电气工程设计规范》（GB50217-94）
作者简介：
第一作者：王煦，工程师，从事交通工程设计工作
第二作者：梁创计，工程师，从事交通工程设计工作