風光互補路燈的工作時間及成本分析

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

　　關鍵詞:太陽能;風能;風光互補路燈;成本

　　目前，化石燃料仍然占據(jù)世界能源消費的主體地位，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，還會影響生態(tài)平衡�，F(xiàn)有的能源消費結構已經(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用領域已刻不容緩。在眾多新能源中，風能和太陽能是目前發(fā)展前景最好的可再生能源。

　　將太陽能資源與風力資源相互搭配構造發(fā)電裝置，再接入所需負載，便可從根源上改變目前的能源消費結構，而風光互補路燈作為一個結構簡單的應用，進行推廣對清潔能源的發(fā)展具有重大意義�，F(xiàn)階段關于風光互補發(fā)電路燈的研究主要集中于系統(tǒng)設計和控制器的優(yōu)化設計[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)型風光互補路燈的工作時間及成本分析的報道。本文主要是通過計算路燈的成本，并對路燈改造項目進行效益的對比分析，證明風光互補路燈在上海電力大學臨港校區(qū)的應用是可行的。

　　1風光互補照明系統(tǒng)的組成

　　風光互補照明系統(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)和存儲這兩個環(huán)節(jié)的元件。電能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要是由風力發(fā)電機和太陽能電池這兩個主要元件組成的。風力發(fā)電機內(nèi)部包含轉體、尾翼、葉片、風輪、機頭、塔架以及基座。轉體能夠根據(jù)當下的風向去改變尾翼的方向;尾翼保證機頭永遠正對來風的方向;葉片和風輪收集附近的風能;機頭是系統(tǒng)的核心，其主要工作是生成交流電;塔架采用堅固的混凝土結構;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。

　　風光互補照明系統(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，只要適當波長的光從頂層表面入射到電池內(nèi)部時，入射光分別被N區(qū)、空間電荷區(qū)和P區(qū)的價電子所吸收，價電子吸收光子后被激發(fā)到導帶，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鉛酸蓄電池作為儲能元件，因其自身結構特點，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。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，負極是金屬鉛。放電反應和充電反應是一對可逆反應。其化學反應方程式為Pb+2H2SO4+PbO2�赑bSO4+2H2O+PbSO4(1)

　　2風光互補路燈的參數(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的部分是機動車道，是校車和教工用車的必經(jīng)之路，所以對光源質量有一定的要求;左右兩側3m的部分是人行橫道，通常在夜間結束晚自習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量光源照射。因此，路燈分布方式，機動車道上為雙側交錯式分布，人行道上為單側分布，同一個燈桿上背靠背安 裝兩個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的計算公式如下:Weff=Ws-X單側分布{Ws-2X雙側交錯分布(2)式中:Ws———道路的實際寬度;X———燈具懸挑長度。懸挑長度的取值由所選路燈樣式?jīng)Q定。本文選用的是雙側交錯分布式半截光型LED路燈，尚電環(huán)路(南)的機動車道側路燈是雙側交錯分布的，而人行道側路燈是單側分布的，機動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，因此求得機動車道的有效寬度為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)之間的關系為:單側分布時，H≥1.2Weff，S≤3.5H;雙側交錯分布時，H≥0.8Weff，S≤3.5H[11]。機動車道側路燈的安裝高度H1應不小于0.8×8=6.4m，人行道側路燈的安裝高度H2應不小于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的路燈產(chǎn)生過多重合的現(xiàn)象而導致斑馬紋和眩光，因此兩側路燈的安裝高度要盡量接近，最后確定機動車道側的路燈安裝高度H1為7m，人行道側的路燈安裝高度H2為6m。機動車道側路燈的間距S1應不大于3.5×7=24.5m，人行道側路燈的間距S2應不大于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生通行，要盡量避免兩個路燈光源交叉形成的陰影死角，應當取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，此處分為機動車道的需求量φ1和人行道的需求量φ2，計算過程為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———機動車道和人行道道路的實際寬度，W1=12m，W2=3m;μ———路燈的利用系數(shù)，與路燈的高度、仰角有關，可由配光曲線計算，廠家提供數(shù)據(jù)為0.72;Z———單一路燈的光源數(shù)量，路燈雙側交錯式分布或單側分布時都取1;K———路燈的維護系數(shù)，臨港地區(qū)的自然環(huán)境較好，為了保守計算提高安全裕量，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)照明設計標準》，當環(huán)境清潔無污染時，燈具每年擦洗2次，K值取0.8，當環(huán)境條件一般時，燈具每年仍擦洗2次，K值取0.7，當環(huán)境污染嚴重時，燈具每年需清洗3次，K值取0.6)。

　　按保守計算，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算LED燈具的功率，機動車道側的記為P1，人行道側的記為P2。P1=φ1η=340075=45.3(W)(5)P2=φ2η=85075=11.3(W)(6)考慮到現(xiàn)實應用和實際生產(chǎn)，P1和P2分別取50W和15W。定制風光互補路燈的照明參數(shù)如下:機動車道路寬12m，每隔21m雙側交錯分布，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、風力發(fā)電機、鉛酸蓄電池這些配件的參數(shù)。在此之前，需要計算路燈的工作時間來研究路燈的日耗電量。臨港校區(qū)的天黑時間約為晚間6:30，學生宿舍10:00門禁，考慮到部分同學晚歸，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。

　　接著計算風力發(fā)電機和太陽能電池的參數(shù)，臨港地區(qū)的風力資源較為豐富，故風光發(fā)電比例定為6∶4，所以每日至少需要風機供能378Wh，太陽能電池供能254Wh，利用假設估值的方法，代入公式求最大值與最小值的平均值進行驗算，可得臨港校區(qū)每臺路燈需采用功率為200W的小型水平軸式風力發(fā)電機。采用同樣的方法，選用市面上常見的光電轉化效率為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，投入運營共3個學期約420d，共計221300元。這些數(shù)據(jù)是結合相關論文并與市價對比分析得到的。占運營成本比重最大的是電費，即電費=100W×8h/d×420d1000×28×0.72元/kWh=6774(元)(8)建設成本和電費兩者合計228074元。

　　3.2風光互補路燈的成本分析

　　改用風光互補路燈后只需要26架路燈，共計267800元。由于運營時間較短還未產(chǎn)生維護成本。另外，還需考慮上海市政府對校園光伏項目的補貼，3個學期可申請的金額計算如下補貼=254Wh×420d1000×26×0.55元/kWh=1526(元)(9)上述各項成本合計約為266274元。

　　電力論文投稿刊物：《電力科學與工程》教育部主管、華北電力大學主辦的科技期刊。1985年創(chuàng)刊。本刊為《中國期刊網(wǎng)》、《中國學術期刊(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《科學文摘》(SA)、俄羅斯《文摘雜志》(AJ)收錄期刊，《中國學術期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫》來源期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊。

　　4結語

　　從經(jīng)濟效益的角度來看，風光互補路燈的前期投資成本較高;路燈需要長期運營，風光互補路燈的后期維護增加的主要是蓄電池的更換成本，節(jié)省的電費加補貼會略有節(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)約標準煤2.5t，同時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�？梢娡茝V風光互補路燈可以緩解溫室效應，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本校相關科研的進步，促進臨港地區(qū)的開發(fā)，進一步推動國內(nèi)第一個智能微電網(wǎng)綜合能源一體化大學城的建設。因此，在臨港校區(qū)推廣風光互補路燈是可行的。

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　　作者：劉世建1，賈昌昊2

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