淺談風光互補發電技術在高速公路視頻監控系統中的應用發展

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、資源節約地進行有效監管和應急救援始終是一大難題。風光互補發電技術在離網型中小功率電器供電系統中已經廣泛應用多年，文章通過對現有風光互補發電技術原理、系統優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，優化小型風光互補獨立供電系統對高速公路視頻監控發展具有重要意義。

關鍵詞：風光互補發電;高速公路;視頻監控系統

高速視頻監控供電系統建設受自然條件嚴重制約，在很多無法依靠電網取電的重要高速路段，傳統獨立風電/光供電系統無法保證陰雨天的全天候實時監控需求。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、風光互補發電技術

風光互補發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為電能，儲存在蓄電池之中，進而對監控系統進行供電。其主要構件有風力發電機、太陽能光伏電池組、風光互補控制器、蓄電池、逆變器等，風力發電機在自然風作用下產生轉動，產生機械能量，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為電能;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

風光互補發電技術是一種混合型發電技術，利用風力發電機以自然風為動力來源，風輪吸收風能，使得風輪和風力發電機發生轉動，從而實現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

因為對高速公路監控系統進行供電時，要考慮全天候24h進行監控，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功率，再確定蓄電池數量和組裝方式，綜合實地環境優化方案，根據供電系統功率和分配方式確定風力發電機以及光伏電池板發電功率和型號，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環境和用電要求設計出最佳方案，但風光互補發電技術仍需考慮多重因素：包括系統使用地點、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、監控安裝高度;運維難易程度等。

（四）供電優勢

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

傳統風能或太陽能單獨發電受自然條件嚴重制約，無法滿足監控系統全天候實時監控要求，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電系統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絡和鋪設光纖傳輸網絡，降低成本，節省電費，且比電網供電更方便安全，有效地解決了高速公路的監控問題。

（五）不足之處

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

（六）風光互補發電探索

出于成本考慮，長期以來小型風力發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支撐的狀態，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，一旦出現惡劣環境，小型風機的動態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”狀態時給發電機反向磁阻力矩，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。

二、風光互補發電在高速公路應用

（一）高速公路收費監控

在高速公路出口應用風光發電技術對視頻監控系統進行供電，可以實現風能和電能的有效利用，節約能源;在高速公路進出口應用風光互補發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，一旦發生特殊天氣停電等情況，可以及時啟動備用電源，實現高速收費和監控系統的正常運行，不會對高速行車產生影響，對于收費站的收費員、監控室、財務室、收費所營區、機房等的監控也不會缺失[2]。

（二）道路交通監控應用

在高速公路中對過往車輛進行監控，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，利用傳統的供電方式很難實現特殊地段和特殊天氣的全程監控，利用風光互補發電技術，可以改變這一現狀，利用風光互補發電技術，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，實現監控系統的供電，在連續陰雨天氣和夜間沒有太陽時，可以利用風力發電機將風的機械能，轉變為電能在陰雨天氣和夜間對視頻監控系統進行供電，這樣就可以實現24h實時監控。

三、高速公路視頻監控的意義

對于高速公路實行全程監控，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，利用監控系統，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，可以通過監控系統，對道路交通違法行為進行懲處，監控錄像還可以作為道路交通事故責任認定的依據，以確保事故認定的準確性;最后通過監控系統，對每個監控設備進行標記，運用大數據、云計算、物聯網技術，可以對道路行車進行導航，方便旅客的出行[3]。

四、結語

全程高速公路監控系統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電系統整體可靠性，同時綜合考慮更多發展瓶頸因素，探索新思路，將成果逐步轉化應用到智慧交通建設來，同時不斷技術創新探索更深領域，讓風光互補發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. 風光互補發電系統在高速公路中的應用研究[J]. 工業設計， 2017（6）：162-163.

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

[3]楊衛華， 蔣康樂， 孫文葉. 不同應用規模下風光互補發電儲能系統優化與設計[J]. 節能， 2017（10）：4+41-44.