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1、风光互补能源系统在铁路系统中的应用余家华1. 序言电能是我们日常生产、生活中必需品，电能的应用极大的促进了社会 的发展和改善了我们的生活。但同时也耗费了大量的自然资源，并对人类 赖以生存的环境造成了极大的破坏。随着人们对环境保护意识的提高以及 矿藏型资源的日益匮乏，我们对新型可再生绿色能源的需求变得更加迫切。目前，在欧洲、日本、美国等发达国家正在加快发展风光互补/太阳能/风力绿色能源系统，这几种新型能源系统都是集环保和节能于一体的产 品。随着全球常规能源短缺情况的加剧，风能和太阳能这两种清洁可再生 自然能源的利用将会越来越普及，并代表着未来绿色能源的发展方向，是 当今社会大力提倡推广的可再生能
2、源产品。在全国人大十届四次会议的政府工作报告中，提出了建设资源节约型 社会，发展循环经济的任务和政策措施，为可再生能源产品在国家建设发 展中的应用提供了机遇。推广风光互补系统，既可节约能源，促进经济发 展，又可改善环境，普及可再生能源知识，促进可再生能源技术应用。2. 风光互补能源系统简介太阳能作为传统的绿色能源已经广泛应用在我们的日常生活和生产 中，而且，我国太阳能极板等产品的生产技术水平已经达到世界先进水平， 产品的免维护期已经超过10年。在灯塔、航标、基站上的应用非常广泛。 但是，太阳能供电系统在夜间、阴雨天气、冬天、太阳光线不够充足，电 池电能将耗尽时，就非常有必要由风能为储能装置进行
3、充电。据有关部门 的统计，太阳能每天实际充电工作时间约 5h,而风能不受太阳光线的影响， 可以在一天24h根据风速的大小不断的产生电能。采用风能和太阳能互补的系统，实现阴雨天也能够利用风能补充电能， 保证持续阴雨天能正常供电；利用风力发电机与太阳能互补系统，可减少 太阳能电池极板组件的配置数量，并减少太阳能电池板组件的迎风面积， 从而降低整体的投资。3. 拟采用风光互补系统的铁路沿线负荷类型及特点3.1 光纤直放站系统 光纤直放站系统是 450MHz 铁路通信系统的一种信号弱场区覆盖设 备，利用光纤作为中继传输介质，起到延伸电台的信号覆盖、消除通信盲 区的作用，以满足现今铁路无线列调的通信模式
4、。 光纤直放站系统近端机采用 DC-48V（ 110%）（正接地）供电；远 端机采用 AC220V（120%），50Hz 供电，设置备用电池引入接口及备用电 池（电池容量满足设备连续工作大于 6h,浮充供电）。电源单元均双套热备 份。 光纤直放站系统为I级负荷，分别由10kV 一级负荷贯通线和综合负荷贯通线各提供一路 AC220Vfe源，并自备双电源切换装置。 光纤直放站系统的功耗：待机状态v 15W通话状态v 80W 在铁路沿线根据场强情况，每 5- 10km设一个光纤直放站。3.2 GSM-R 铁路数字移动系统GSM-R铁路数字移动系统是在GSM技术的基础上提供的一种端到端 分组交换业务，
5、可最大限度重用已有的 GSM网络基础设施，可提供高效的 无线资源利用率， 可提供高达 171.2Kbps 的无线接入速率， 与已有的 GSM-R 电路交换系统有很多交互，基于标准的开放接口。GSM-R铁路数字移动基站采用 DC-48V供电。GSM-R铁路数字移动基站为I级负荷，分别由10kV 一级负荷贯通线 和综合负荷贯通线各提供一路 AC220V电源，并自备双电源切换装置。GSM-R铁路数字移动基站交流负荷 1kW直流负荷（DC-48V） 0.5kW, 电压波动范围4258V之间，自备直流电池要求后备时间3h, 般按6h 考虑。 在铁路沿线根据场强情况，每 35km设一个GSM-F铁路数字移
6、动 基站。4. 风光互补系统在铁路系统中的应用方案光纤直放站系统和GSM-R铁路数字移动系统的正常负荷w 1kW考虑到 风能和太阳能受到自然条件制约，不能稳定输出电能，所以采用1kW 3kW功率型应用方案，由蓄电池储能供电，以缓解太阳能和风能在特殊环境（如： 无风或者无阳光气候）无法供电的情况。并且该系统从10kV 一级负荷贯通线（或综合负荷贯通线）引接一路 AC220V电源，避免因长时间蓄电池无电 能补充导致设备无法正常运行。4.1系统组成风光互补发电系统由风力发电机组、太阳能节板、逆变器、蓄电池组和远程监控系统（选项）组成，各部分功能如下： 风力发电机将风能转化为电能； 太阳能节板将太阳能
7、转化为电能； 逆变器将直流电压转化换成交流电压； 蓄电池储存太阳能及风能转换成的电能，并向负载提供电能； 远程监控系统实时记录、监控系统工作情况，并将数据传回控制中 心（该项功能根据需求选配）。4.2系统结构及说明整套系统由于13kW的用电负荷较低，可采用直接由蓄电池充电，当 风力和太阳能供电不足时，切换至贯通线供电系统结构如图1涡旋风机图1风光互补供电系统结构图（注：图中电网可为贯通线或自闭线，也可是他们经切换后引入的电源）如图所示，涡旋风机和太阳能电池板同时对蓄电池充电，正常情况下 由蓄电池对用电设备供电。当蓄电池电压低于设定值时，切换至贯通线对 蓄电池充电。在条件许可时，还可增加一套并网
8、装置，在蓄电池电压大于 设定值时，将蓄电池的部分电量并入电网。4.3系统分析假定交流1kW功率负荷，需要系数0.8，用电电压220V,当地年平均 风速8m/s（ 5级风），光照强度为：4lx，蓄电池无充电时可维持 24h独立 供电。配置及分析如下： 设备每天所需电能：1 X 24X 0.8 = 19.2kwh，根据日用电量，考虑 设备配置。 根据24h用电量计算蓄电池容量为160Ah,电压为220V （也可采用 低电压逆变至220V,但效率较不理想）。 太阳能节板配置为1kW太阳能平均日间光照发电效率为 23%而 夜间无输出，日间以12h计算，1kW太阳能节板平均每天输出电能为：1X 12X
9、0.23 = 2.76kwh。 风能配置8台，在风速8m/s （5级风）时，每台输出功率为105W 风力发电机，8台风机平均每天输出电能：8X24X0.105 = 20.16kwh。 每天总的发电量为2.76+20.16 = 22.92kwh每天所需电能：1X24 X 0.8 = 19.2kwh，满足负荷用电需要，可考虑设置智能逆变并网装置将多 余电能反馈给电网。4.4系统配置详细配置清单如表1。表1系统配置表序号内容型号数量1太阳能能电池板125W 33V82太阳能安装支架83太阳能充电控制器84太阳能安装附件（电缆等）据现场情况序号内容型号数量5涡旋风力发电机VVT-1000 型86涡旋风
10、力安装塔架37风机充电控制器88风机安装附件（电缆等）据现场情况9蓄电池2V 160Ah110直流配电柜111防浪涌装置1012电网充电切换装置113智能并网装置114安时记录仪14.5储能装置由于光纤直放站及 GSM-R铁路数字移动基站均自备有一套储能装置， 在设计风光互补系统时，可将两套储能装置合并使用，以节省投资。5. 主要设备介绍及特点根据以上分析，风光互补发电装置主要由风力发电和太阳能发电装置 以及电能储存设备等组成，其中太阳能和电能储存设备较普遍，国产化程 度也较高。下面重点介绍目前比较先进的涡旋透平风机设备的特点及应用。5.1高风能利用率由于独特的叶片设计，风机能达到空间360度
11、受风,并且在2片叶片之 间形成涡旋气流。这种涡旋气流使风叶对中小风速的利用率非常高。据统计风力涡旋透平风电机比传统的风力发电机至少多产生50%的电能。以下是上海地区年风速分布情况如图 2。由于传统风机启动风速要求很高，并且大风情况要刹车停止工作。所 以由图可看出，涡旋风力发电机每年最少多发电119天。5.2高经济回报率在其它风力发电机不工作时，风力涡旋透平风电机仍在发电。不论是 仲夏的微风还是冬日的狂风。在其它发电机由于霜冻、结冰、下雪或过高 风速而无法工作时，风力涡旋透平风电机仍在发电。风力涡旋透平风电机 在许多方面的特点使之与众不同，其使用寿命和价格相比，使之投资最具价值。与传统三叶式风力
12、发电机比较如表 2 l-2m/sl5 天 2-3m/s37 天 3-4m/s49 天 4-5m/s56 5-6m/s49 天 6-7m/s49 天 7-8m/s41 天 3-9m/sl99-10m/sl9 天 10-llm/s 19 天I ll-12m/s7天图2上海地区年风速分布表2风力发电机比较表功能比较VVT垂直涡旋发电机水平轴发能发电机对强风的反应（60m/s）能持续产出它的峰值能量输 出在风速25m/s时必须要停机， 保证发动机不被烧坏对微风做出反应（5m/s）启动风速是 2m/s ;在2.2m/s时开始产出电能低于5m/s时不能产出电能对风向改变的 反应（风向可在 2s 内改变18
13、00）不受风向改变的影响而降低 电能的产出反应迟缓，损失潜在产能的1/2产电产生70-80%的额定电能产生不超过10-17%的额定电台匕冃匕设计寿命20年5到10年质保期10年一般为1到3年安装占地占地面积小需要的空间面积大固定要求可固疋在离墙 4m或楼顶4m 的地方不能安装在墙上，通常安装在25到35米的塔顶上噪声人类耳朵不能感知通常较吵，噪音较大震动震动小震动稍大腐蚀性空气环 境已被证明能连续10年使用于 海洋环境及海上钻井平台通常不能在腐蚀性的环境下 长时间工作。温度可以适应35 C+ 75 C通常具有非常有限的温度范 围要求下面的图表展示了涡旋风机和螺旋桨式风机在相同的扫风面积下产量的
14、不同。涡旋风机比螺旋桨式风机在相同的扫风面积至少要多产生50%勺电能，而且依据风速不同可以产生 4-5倍的能量lllllllllllllllillllllll0.70ILLOO1367 U -1-1131617 1Q 21232627 2W 31333637 3Q 4143476153Wl nd x/aigcity )图3涡旋风机和螺旋桨式风机产量图5.3极长使用寿命风力涡旋透平风电机的叶片采用增强性玻璃钢材料，发电机采用高强 度、耐腐蚀材料制成，确保在恶劣的环境下也能经年无碍地产出电能。而 其本身的设计结构又确保极低的维护要求。风力涡旋透平风电机，在较为恶劣的环境下依然可保证8年的使用寿命。5.4对安装地点的气象要求 当地年平均风速大于3.5m/s ;温度：一35 C+ 75C；湿度：不限；海拔：不限。5.5良好的环境融入性风力涡旋透平风电机工作时没有噪音，不会对人类造成伤害，因此可应 用于人口密集区、公共场所、公园、野生动物园及楼宇上十分安全，且美 观的外形，许多情况下，其应用为艺术与功能的结合。6. 结论综上所述，采用风力发电机与太阳能互补系统，既可减少太阳能电池 极板组件的配置数量，减少太阳能电池板组件的迎风面积；又能利用风力 发电机的支柱作太阳能电池板组件的支架，从而更降低整体的投资，提高风光互补系统的性价比。而将铁路光纤直放站
