高铁线路风光电一体化发电技术系统研究

[摘 要]高铁在当今中国社会快速发展，并走出国门，成为中国在国际舞台一张名片，但高铁能源资源亟待开发利用。风能、太阳能光伏发电技术及产业的迅速发展，为高铁能源资源的开发利用提供了途径。本文从现有技术设备出发，对高铁线路风电、光电进行了一体化研究.关键词：高铁；风光电发电；一体化方案

中图分类号：F426.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0150-02

一、前景广阔，引领方向

1.1 高速铁路在当代中国社会的快速发展

铁路是人类发明的首项公共交通工具，在十九世纪初期在英国出现。在20世纪初前期，当时火车“最高速率”超过时速200公里者寥寥无几。直到1964年日本的东京-名古屋-京都-大阪的东海道新干线，营运速度每小时271公里，营运最高时速300公里。

从90年代开始，亚洲（韩国、中国台湾、中国）、北美洲（美国）、澳洲（澳大利亚）世界范围内掀起了建设高速铁路的热潮。主要体现在：一是修建高速铁路得到了各国政府的大力支持，一般都有了全国性的整体修建规划，并按照规划逐步实施；二是修建高速铁路的企业经济效益和社会效益，得到了更广层面的共识，特别是修建高速铁路能够节约能源、减少土地使用面积、减少环境污染、交通安全等方面的社会效益显著，以及能够促进沿线地区经济发展、加快产业结构的调整等等。

中国是最大的发展中国家，重点发展高铁建设已经成为既定的事实，可以直接拉动内需，促进就业，同城效应促进产业转移和服务业发展，缓解铁路压力，便利人民出行，以电力机车取代汽车和飞机，降低交通能耗，减少中国对石油的需求，缓解能源危机。中国投入运营的高速铁路营运里程达到8358千米，居世界第一位。到2012年低，高铁建成通车合计13000千米以上。中国已经成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家，拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网.

中国《十二五”综合交通运输体系发展规划》提出，到2015年中国快速铁路营业里程达4.5万公里，五年增长率达438.4%。由此可见未来五年铁路建设仍将是中国交通运输体系建设的重头戏。根据《规划》，“十二五”中国铁道建设要完成贯通北京至哈尔滨（大连）、北京至上海、上海至深圳、北京至深圳、青岛至太原、徐州至兰州、上海至成都、上海至昆明等“四纵四横”客运专线。在未来30年，将形成五纵六横七连线格局，同时，随着高铁建设的全面启动，高铁土建工程及高铁设备需求将大规模增长，高铁行业整个产业链将受益无穷，前景广阔。

1.2 风电、光电，国家大力发展的新能源

随着人类社会的逐渐发展，人类对于大自然环境的破坏也愈加剧烈，化石燃料的燃烧，严重污染空气，加大温室效应。而中国对煤炭的严重依赖，使中国在应对气候变化和保护环境方面面对巨大压力。国家能源局表示，中国应尽量通过鼓励使用清洁燃料而调整这种依赖性。国家能源局于2011年3月6日表示，中国计划到2015年使非化石燃料占一次能源总使用量比例提高到11.4%。《中国的能源政策（2012）》白皮书，明确提出，大力发展新能源和可再生能源，是推进能源多元清洁发展、培育战略性新兴产业的重要战略举措，也是保护生态环境、应对气候变化、实现可持续发展的迫切需要。中国坚定不移地大力发展新能源和可再生能源，到“十二五”末，非化石能源消费占一次能源消费比重将达到11.4%，非化石能源发电装机比重达到30%。国务院《能源发展战略行动计划（2014――2020年）》，更明确规定大力发展风电，加快发展太阳能发电。新能源迎来前所未有的发展机遇，前景广阔。

二、条件适宜，技术设备成熟

2.1 高铁线路适宜发展风光电

风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射引起的。太阳光照射到地球表面，使地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，是永久性能源，可再生能源，它不污染环境，被称为清洁能源。高铁都建在高架桥上，周围环境空旷，蕴育着取之不尽的风能，而且高铁行驶中对周围环境产生平均25m/s的风速，远远超过当今风力发电机启动风速，特别适合风力发电机的设置。

太阳能是大自然赋予人类的取之不尽、用之不竭的恒久能源。伴随高铁在全国各地的发展，由于我国大多地区处在亚热带、温带地区，年日照时间长，太阳光资源丰富，也特别适合太阳能发电。

2.2 我国风光电技术、设备成熟完备

我国利用风力发电起步较晚，风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为1kW、10kW、55kW、220kW等多种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛推广应用，目前有的风机已远销海外。

目前，我国小型风力发电机组技术已相当成熟，建设速度也较快，特别是5kW以下风力发电机组的制造技术成熟，已大量使用，并达到批量生产的要求。100、200、300、500W及1kW、2kW、5kW的小型风力发电机，年生产能力可达到5万台以上。我国大型风电机组的开发研制工作也正在加快。我国大型风电机组基本上依赖进口，通过多年来的开发研制，如今，大型风电机组的主要部件已基本实现国产化，其成本比进口机组低20%～30%，国产化是我国大型风电机组发展的必然趋势。我国的大型风电机组从建设之初的山东荣成第一个风力发电场开始，到后来的广东南澳4台250kW机组、辽宁营口安装660kW风电机组、黑龙江富锦单机960kW机组，再到即将在山西、山东、江苏等地安装的大型机组，我国已建成一大批大型风力发电场，使我国风力发电迈上了一个新台阶。

太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定，寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

三.风光电发电技术系统性研究

3.1.风力发电机的选取研究

当列车高速运行时，外部流场雷诺数Re>106，流场处于紊流状态。列车速度范围是200～350km/h，列车周围诱导气流的速度小于0.3倍当地音速，即平均风速为25m/s。由贝兹理论知，自由流场中理想风力机的理论输出功率的计算公式为

扫风面积S=πd2/4=π×5.52÷4=23.7m2

取空气密度ρ=1.225kg/m3，

风力机输出功率P=0.296×1.225×23.7×253=134409.722W=134kW

因而，需选用功率范围包括134KW的水平轴或垂直轴风力发电机，扇叶大小5.5米，正常风速允许范围为20m/s～40m/s。

3.2 太阳能光伏发电系统

如前文所述，我国太阳能产业发展迅速，太阳能光伏发电技术日趋成熟，太阳能光伏产品已经广泛应用到城乡公共及家庭照明、汽车工业等。本研究建议采用著名企业的产品。根据线路空间，选用电池组件。

3.3 风光电一体化设计方案

该方案充分依靠高铁运行产生的巨大风能，利用中型风力发电机组发电，同时布局分散式小型并网太阳能光伏发电系统的风光电一体化整体方案。

风电系统采用技术成熟并普遍应用的中型风力发电机组，建议采用100KW以上的风电机；光电采用分散式小型并网太阳能发电系统，采用3-4个电池组件。线路布线采用光电、风电两条线先分后合形式。光电汇入逆变器，再与风电线路相连，共同接入控制器即变压器，汇入线路电网。如下图。

四、结束语

近几年，伴随高铁建设的加快发展，政府、人民环保意识不断增强，传统化石能源已不能适应社会发展需要，太阳能、风能等为代表的新能源越来越受到政府、人民的重视青睐，风能、太阳能技术的成熟、设备的不断优化，为高铁线路资源的有效利用提供了契机，面对高铁线路资源的巨大浪费，高铁线路风光电一体化项目研究，必将填补空白，推动高铁事业的更快发展，推动我国经济社会的快速健康发展。