風(fēng)光互補(bǔ)路燈的工作時(shí)間及成本分析

　　摘要:根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電的原理、蓄電池充放電的原理、系統(tǒng)的控制策略，結(jié)合了上海電力大學(xué)臨港校區(qū)的客觀條件，采用雙側(cè)交錯(cuò)式布置風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電LED路燈。結(jié)合校園生活的使用需求，計(jì)算得出了路燈的照明參數(shù)和配件參數(shù)，并對路燈改造項(xiàng)目進(jìn)行效益的對比分析，說明風(fēng)光互補(bǔ)路燈在臨港校區(qū)是可行的。

　　關(guān)鍵詞:太陽能;風(fēng)能;風(fēng)光互補(bǔ)路燈;成本

　　目前，化石燃料仍然占據(jù)世界能源消費(fèi)的主體地位，但使用化石燃料不僅會產(chǎn)生大量的二氧化碳，造成溫室效應(yīng)，還會影響生態(tài)平衡。現(xiàn)有的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)已經(jīng)威脅到了世界的可持續(xù)發(fā)展，所以開拓可再生能源的應(yīng)用領(lǐng)域已刻不容緩。在眾多新能源中，風(fēng)能和太陽能是目前發(fā)展前景最好的可再生能源。

　　將太陽能資源與風(fēng)力資源相互搭配構(gòu)造發(fā)電裝置，再接入所需負(fù)載，便可從根源上改變目前的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，而風(fēng)光互補(bǔ)路燈作為一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的應(yīng)用，進(jìn)行推廣對清潔能源的發(fā)展具有重大意義�，F(xiàn)階段關(guān)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電路燈的研究主要集中于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-5]，也有一些可行性或效益考察與分析[6-7]，但目前國內(nèi)外還未見離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)路燈的工作時(shí)間及成本分析的報(bào)道。本文主要是通過計(jì)算路燈的成本，并對路燈改造項(xiàng)目進(jìn)行效益的對比分析，證明風(fēng)光互補(bǔ)路燈在上海電力大學(xué)臨港校區(qū)的應(yīng)用是可行的。

　　1風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的組成

　　風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)由電能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、追蹤控制環(huán)節(jié)和消耗存儲環(huán)節(jié)3部分組成。本文主要介紹生產(chǎn)和存儲這兩個(gè)環(huán)節(jié)的元件。電能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池這兩個(gè)主要元件組成的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部包含轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片、風(fēng)輪、機(jī)頭、塔架以及基座。轉(zhuǎn)體能夠根據(jù)當(dāng)下的風(fēng)向去改變尾翼的方向;尾翼保證機(jī)頭永遠(yuǎn)正對來風(fēng)的方向;葉片和風(fēng)輪收集附近的風(fēng)能;機(jī)頭是系統(tǒng)的核心，其主要工作是生成交流電;塔架采用堅(jiān)固的混凝土結(jié)構(gòu);基座內(nèi)部安裝升壓變壓器和蓄電池保證電能的穩(wěn)定輸出。

　　風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)中常用的是單晶硅太陽能電池，其內(nèi)部包含上下電極、減反射薄膜層、N型硅、P型硅。若將上下電極與外電路接通，只要適當(dāng)波長的光從頂層表面入射到電池內(nèi)部時(shí)，入射光分別被N區(qū)、空間電荷區(qū)和P區(qū)的價(jià)電子所吸收，價(jià)電子吸收光子后被激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對，就會有電流通過電路。

　　因此單晶硅太陽能電池在電路中起到了電源的作用。本文采用的是免維護(hù)鉛酸蓄電池作為儲能元件，因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該種電池電解液消耗非常少，此外，還具有耐高溫、壽命長、自放電小等優(yōu)點(diǎn)。兩極硫酸鹽化理論很好地解釋了鉛酸蓄電池工作原理[8]，鉛酸蓄電池的正極是二氧化鉛，負(fù)極是金屬鉛。放電反應(yīng)和充電反應(yīng)是一對可逆反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)方程式為Pb+2H2SO4+PbO2�赑bSO4+2H2O+PbSO4(1)

　　2風(fēng)光互補(bǔ)路燈的參數(shù)配置

　　2.1照明參數(shù)的配置

　　以上海電力大學(xué)臨港校區(qū)(以下簡稱“臨港校區(qū)”)尚電環(huán)路(南)上的路燈作為研究對象。其是校內(nèi)使用頻率最高的道路:中間12m的部分是機(jī)動(dòng)車道，是校車和教工用車的必經(jīng)之路，所以對光源質(zhì)量有一定的要求;左右兩側(cè)3m的部分是人行橫道，通常在夜間結(jié)束晚自習(xí)后和圖書館閉館后形成人流高峰，同樣也需要亮度均勻的高質(zhì)量光源照射。因此，路燈分布方式，機(jī)動(dòng)車道上為雙側(cè)交錯(cuò)式分布，人行道上為單側(cè)分布，同一個(gè)燈桿上背靠背安 裝兩個(gè)LED發(fā)光源，以節(jié)約成本。

　　在研究其余照明參數(shù)前，先要明確道路的有效寬度這一概念[9]。各種分布方式的道路有效寬度Weff的計(jì)算公式如下:Weff=Ws-X單側(cè)分布{Ws-2X雙側(cè)交錯(cuò)分布(2)式中:Ws———道路的實(shí)際寬度;X———燈具懸挑長度。懸挑長度的取值由所選路燈樣式?jīng)Q定。本文選用的是雙側(cè)交錯(cuò)分布式半截光型LED路燈，尚電環(huán)路(南)的機(jī)動(dòng)車道側(cè)路燈是雙側(cè)交錯(cuò)分布的，而人行道側(cè)路燈是單側(cè)分布的，機(jī)動(dòng)車道一邊的懸挑長度固定為2m[10]，人行道一邊的懸挑長度固定為0.8m，因此求得機(jī)動(dòng)車道的有效寬度為8m，人行道的有效寬度為2.2m。

　　半截光型路燈的安裝高度H(m)與道路的有效寬度Weff(m)、路燈的間距S(m)之間的關(guān)系為:單側(cè)分布時(shí)，H≥1.2Weff，S≤3.5H;雙側(cè)交錯(cuò)分布時(shí)，H≥0.8Weff，S≤3.5H[11]。機(jī)動(dòng)車道側(cè)路燈的安裝高度H1應(yīng)不小于0.8×8=6.4m，人行道側(cè)路燈的安裝高度H2應(yīng)不小于1.2×2.2=2.64m。

　　由于兩盞LED路燈背靠背安裝在同一根燈桿上，考慮到要盡量避免覆蓋范圍更廣的那一側(cè)的路燈產(chǎn)生過多重合的現(xiàn)象而導(dǎo)致斑馬紋和眩光，因此兩側(cè)路燈的安裝高度要盡量接近，最后確定機(jī)動(dòng)車道側(cè)的路燈安裝高度H1為7m，人行道側(cè)的路燈安裝高度H2為6m。機(jī)動(dòng)車道側(cè)路燈的間距S1應(yīng)不大于3.5×7=24.5m，人行道側(cè)路燈的間距S2應(yīng)不大于3.5×6=21.0m。

　　兩盞路燈安裝在同一根燈桿上，所以S1=S2，考慮到尚電環(huán)路是主干道路，在晚間還會有大量汽車行駛和學(xué)生通行，要盡量避免兩個(gè)路燈光源交叉形成的陰影死角，應(yīng)當(dāng)取S1和S2中較小的作為路燈的間距，故S=21m。由最低需求照度φ估算LED燈具的功率，此處分為機(jī)動(dòng)車道的需求量φ1和人行道的需求量φ2，計(jì)算過程為φ1=EavW1SμZK=6.8×12×210.72×1×0.7=3400(lm)(3)φ2=EavW2SμZK=6.8×3×210.72×1×0.7=850(lm)(4)式中:Eav———LED光源能提供給道路的平均照度，單位是lx或lm/m2，即指每lm的光通量照射在單位面積上的亮度，通常校園道路照明的亮度要求不低于6.8lx;W1，W2———機(jī)動(dòng)車道和人行道道路的實(shí)際寬度，W1=12m，W2=3m;μ———路燈的利用系數(shù)，與路燈的高度、仰角有關(guān)，可由配光曲線計(jì)算，廠家提供數(shù)據(jù)為0.72;Z———單一路燈的光源數(shù)量，路燈雙側(cè)交錯(cuò)式分布或單側(cè)分布時(shí)都取1;K———路燈的維護(hù)系數(shù)，臨港地區(qū)的自然環(huán)境較好，為了保守計(jì)算提高安全裕量，取0.7(路燈的工作環(huán)境不同，取值也不同，通常來說，參照《國家工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)環(huán)境清潔無污染時(shí)，燈具每年擦洗2次，K值取0.8，當(dāng)環(huán)境條件一般時(shí)，燈具每年仍擦洗2次，K值取0.7，當(dāng)環(huán)境污染嚴(yán)重時(shí)，燈具每年需清洗3次，K值取0.6)。

　　按保守計(jì)算，LED光源的發(fā)光效率η取值為75lm/W[12]，代入下列公式即可計(jì)算LED燈具的功率，機(jī)動(dòng)車道側(cè)的記為P1，人行道側(cè)的記為P2。P1=φ1η=340075=45.3(W)(5)P2=φ2η=85075=11.3(W)(6)考慮到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和實(shí)際生產(chǎn)，P1和P2分別取50W和15W。定制風(fēng)光互補(bǔ)路燈的照明參數(shù)如下:機(jī)動(dòng)車道路寬12m，每隔21m雙側(cè)交錯(cuò)分布，在離地7m處安裝50W的LED光源;人行道路寬3m，每隔21m單側(cè)分布，在離地6m處安裝15W的LED光源。

　　2.2配件的參數(shù)配置

　　除了上述照明參數(shù)，為了分析成本則還需知道太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鉛酸蓄電池這些配件的參數(shù)。在此之前，需要計(jì)算路燈的工作時(shí)間來研究路燈的日耗電量。臨港校區(qū)的天黑時(shí)間約為晚間6:30，學(xué)生宿舍10:00門禁，考慮到部分同學(xué)晚歸，故需要保證路燈在晚間6:30～10:30全功率工作4h，之后以半功率工作8h至凌晨6:30，折算后每臺路燈每天全功率工作8h，代入公式求得一臺路燈的日耗電量為624Wh，日耗電容量為26Ah。

　　接著計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池的參數(shù)，臨港地區(qū)的風(fēng)力資源較為豐富，故風(fēng)光發(fā)電比例定為6∶4，所以每日至少需要風(fēng)機(jī)供能378Wh，太陽能電池供能254Wh，利用假設(shè)估值的方法，代入公式求最大值與最小值的平均值進(jìn)行驗(yàn)算，可得臨港校區(qū)每臺路燈需采用功率為200W的小型水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。采用同樣的方法，選用市面上常見的光電轉(zhuǎn)化效率為70%的太陽能電池板[14]，可得臨港校區(qū)每架路燈需采用的是每組100W的單晶硅太陽能電池板。

　　3效益對比

　　3.1路燈的成本分析

　　目前，臨港校區(qū)尚電環(huán)路(南)上共有28架普通LED路燈，投入運(yùn)營共3個(gè)學(xué)期約420d，共計(jì)221300元。這些數(shù)據(jù)是結(jié)合相關(guān)論文并與市價(jià)對比分析得到的。占運(yùn)營成本比重最大的是電費(fèi)，即電費(fèi)=100W×8h/d×420d1000×28×0.72元/kWh=6774(元)(8)建設(shè)成本和電費(fèi)兩者合計(jì)228074元。

　　3.2風(fēng)光互補(bǔ)路燈的成本分析

　　改用風(fēng)光互補(bǔ)路燈后只需要26架路燈，共計(jì)267800元。由于運(yùn)營時(shí)間較短還未產(chǎn)生維護(hù)成本。另外，還需考慮上海市政府對校園光伏項(xiàng)目的補(bǔ)貼，3個(gè)學(xué)期可申請的金額計(jì)算如下補(bǔ)貼=254Wh×420d1000×26×0.55元/kWh=1526(元)(9)上述各項(xiàng)成本合計(jì)約為266274元。

　　電力論文投稿刊物：《電力科學(xué)與工程》教育部主管、華北電力大學(xué)主辦的科技期刊。1985年創(chuàng)刊。本刊為《中國期刊網(wǎng)》、《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》全文收錄期刊，《中國科技核心期刊數(shù)據(jù)庫》、《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫》、英國《科學(xué)文摘》(SA)、俄羅斯《文摘雜志》(AJ)收錄期刊，《中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數(shù)據(jù)庫》來源期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊。

　　4結(jié)語

　　從經(jīng)濟(jì)效益的角度來看，風(fēng)光互補(bǔ)路燈的前期投資成本較高;路燈需要長期運(yùn)營，風(fēng)光互補(bǔ)路燈的后期維護(hù)增加的主要是蓄電池的更換成本，節(jié)省的電費(fèi)加補(bǔ)貼會略有節(jié)余。因此，新型路燈稍具長期收益的優(yōu)勢。從環(huán)保效益的角度看，年節(jié)約電量6272kWh，折算成年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.5t，同時(shí)年減少污染排放碳粉塵1706kg，二氧化碳6253kg，二氧化硫188kg，氮氧化物94kg。可見推廣風(fēng)光互補(bǔ)路燈可以緩解溫室效應(yīng)，減輕污染，符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。從社會效益的角度看，在高校校內(nèi)發(fā)展新型路燈可以帶動(dòng)本校相關(guān)科研的進(jìn)步，促進(jìn)臨港地區(qū)的開發(fā)，進(jìn)一步推動(dòng)國內(nèi)第一個(gè)智能微電網(wǎng)綜合能源一體化大學(xué)城的建設(shè)。因此，在臨港校區(qū)推廣風(fēng)光互補(bǔ)路燈是可行的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]付靜，姜廣軍，李丹，等.風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，30(23):47-48.

　　[2]張倩，田恒新.基于MPPT的風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2019(23):106-109.

　　[3]付賢松，舒志勇，牛萍娟.低功率風(fēng)光互補(bǔ)LED控制器設(shè)計(jì)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(3):52-56.

　　[4]李自成，王志豪.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)MPPT研究[J].自動(dòng)化與儀表，2020，35(1):10-13.

　　[5]VISHALD，KRISHANKP，PARDEEPS，etal.Optimizationofphotovoltaicpowersystem:acomparativestudy[J].ProtectionandControlofModernPowerSystems，2017，2(2):29-39.

　　[6]徐政，廣銳，吳貞龍.風(fēng)光互補(bǔ)路燈應(yīng)用效益考察與分析[J].太陽能，2014(5):21-25.

　　[7]任巖，孫袁，戴敏章.城市風(fēng)光互補(bǔ)充電/照明微網(wǎng)系統(tǒng)可行性分析[J].電力科學(xué)與工程，2017，33(2):55-59.

　　[8]黃萃.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在青山湖科技城路燈照明中的應(yīng)用[D].北京:華北電力大學(xué)，2015.

　　[9]孫素軍.風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器的設(shè)計(jì)[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，40(6):42-46.

　　[10]胡永華.風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器的研制[D].廣州:華南理工大學(xué)，2010.

　　作者：劉世建1，賈昌昊2

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