風光互補路燈的工作時間及成本分析

　　摘要:根據風光互補系統發電的原理、蓄電池充放電的原理、系統的控制策略，結合了上海電力大學臨港校區的客觀條件，采用雙側交錯式布置風光互補發電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和配件參數，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，化石燃料仍然占據世界能源消費的主體地位，但使用化石燃料不僅會產生大量的二氧化碳，造成溫室效應，還會影響生態平衡。現有的能源消費結構已經威脅到了世界的可持續發展，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展具有重大意義。現階段關于風光互補發電路燈的研究主要集中于系統設計和控制器的優化設計[1-5]，也有一些可行性或效益考察與分析[6-7]，但目前國內外還未見離網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的應用是可行的。

　　1風光互補照明系統的組成

　　風光互補照明系統由電能的生產環節、追蹤控制環節和消耗存儲環節3部分組成。本文主要介紹生產和存儲這兩個環節的元件。電能的生產環節主要是由風力發電機和太陽能電池這兩個主要元件組成的。風力發電機內部包含轉體、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;基座內部安裝升壓變壓器和蓄電池保證電能的穩定輸出。

　　風光互補照明系統中常用的是單晶硅太陽能電池，其內部包含上下電極、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部時，入射光分別被N區、空間電荷區和P區的價電子所吸收，價電子吸收光子后被激發到導帶，產生電子空穴對，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配置

　　2.1照明參數的配置

　　以上海電力大學臨港校區(以下簡稱“臨港校區”)尚電環路(南)上的路燈作為研究對象。其是校內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發光源，以節約成本。

　　在研究其余照明參數前，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決定。本文選用的是雙側交錯分布式半截光型LED路燈，尚電環路(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生過多重合的現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，與路燈的高度、仰角有關，可由配光曲線計算，廠家提供數據為0.72;Z———單一路燈的光源數量，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，臨港地區的自然環境較好，為了保守計算提高安全裕量，取0.7(路燈的工作環境不同，取值也不同，通常來說，參照《國家工業企業照明設計標準》，當環境清潔無污染時，燈具每年擦洗2次，K值取0.8，當環境條件一般時，燈具每年仍擦洗2次，K值取0.7，當環境污染嚴重時，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)考慮到現實應用和實際生產，P1和P2分別取50W和15W。定制風光互補路燈的照明參數如下: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配件的參數配置

　　除了上述照明參數，為了分析成本則還需知道太陽能電池板、風力發電機、鉛酸蓄電池這些配件的參數。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。

　　接著計算風力發電機和太陽能電池的參數，臨港地區的風力資源較為豐富，故風光發電比例定為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，可得臨港校區每臺路燈需采用功率為200W的小型水平軸式風力發電機。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，臨港校區尚電環路(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。這些數據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年創刊。本刊為《中國期刊網》、《中國學術期刊(光盤版)》全文收錄期刊，《中國科技核心期刊數據庫》、《中文科技期刊數據庫》、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據庫》來源期刊、中國科技論文統計源期刊。

　　4結語

　　從經濟效益的角度來看，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，節省的電費加補貼會略有節余。因此，新型路燈稍具長期收益的優勢。從環保效益的角度看，年節約電量6272kWh，折算成年節約標準煤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。可見推廣風光互補路燈可以緩解溫室效應，減輕污染，符合國家的可持續發展戰略。從社會效益的角度看，在高校校內發展新型路燈可以帶動本校相關科研的進步，促進臨港地區的開發，進一步推動國內第一個智能微電網綜合能源一體化大學城的建設。因此，在臨港校區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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