薛惠敏，朱海巖

（中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021）

風(fēng)光互補(bǔ)路燈是一個(gè)新興的能源利用領(lǐng)域，發(fā)電廠道路照明傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用高壓鈉燈光源，但隨著新興能源風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的推廣和使用，已經(jīng)有越來越多的業(yè)主使用該照明技術(shù)以降低電廠廠用電消耗。以單燈為例，假如將電廠250 W 的高壓鈉燈改用100 W 風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈，并且每盞路燈每天工作12h，1年可節(jié)電800kW·h以上。假設(shè)將某電廠100 盞傳統(tǒng)路燈全部改用風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈，10年就可節(jié)電80×104kW·h，使電廠達(dá)到了節(jié)能的目的，因此，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈作為電廠戶外照明裝置，已經(jīng)有越來越多的電廠采用，從而降低了廠用電率，提升了節(jié)能空間。

1 風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的工作原理與結(jié)構(gòu)組成

風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的電源來自于太陽能和風(fēng)能，不需與外部電網(wǎng)連接，是一套獨(dú)立的照明電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理：一種是利用自然風(fēng)作為動(dòng)力，把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?jīng)過控制器的整流、穩(wěn)壓作用，把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向蓄電池充電并儲(chǔ)存電能；另一種是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為直流電，供負(fù)載使用或者儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)備用，二者同時(shí)工作，相輔相成，提高了供電的可靠性和穩(wěn)定性［1］。

風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈一方面利用風(fēng)光互補(bǔ)提高一次能源轉(zhuǎn)化率，增加電能的存儲(chǔ)；另一方面采用高效節(jié)能的LED 燈作為照明光源，延長照明時(shí)間、改善照明效果。它采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，并根據(jù)不同的地理和氣候環(huán)境選擇配置不同的型號(hào)，在有限的條件內(nèi)最大限度地利用風(fēng)能。太陽能的利用一般采用太陽能光伏板，單晶硅電池板作為光電轉(zhuǎn)化組件被廣泛地應(yīng)用，其能量轉(zhuǎn)換率較高，大幅度地提高了太陽能的發(fā)電效能。兩者互相補(bǔ)充，可以彌補(bǔ)單一能源不足時(shí)導(dǎo)致的照明電力不夠，從而引起LED 燈無法正常使用的問題。

風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈控制器，是風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)內(nèi)主件，它起著發(fā)號(hào)施令與協(xié)同工作的作用，集光控亮燈、時(shí)控關(guān)燈、自動(dòng)功率跟蹤、自動(dòng)卸荷、過充和過放保護(hù)功能于一身的功能，控制器性能的優(yōu)劣直接影響蓄電池的壽命。

風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈應(yīng)采用高性能大容量免維護(hù)膠體電池，為該燈的整體系統(tǒng)提供充足的電能，保證在連續(xù)陰雨天時(shí)LED 光源的亮燈時(shí)間，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

LED 光源可直流低壓供電，功率小，耗能低，是傳統(tǒng)高壓鈉燈功率的一半左右，故大大降低太陽能板和蓄電池的配置。

2 風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈用于電廠的可行性分析

風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈主要用于電廠的道路和廠前區(qū)的庭院照明。發(fā)電廠廠址通常選擇在遠(yuǎn)離城區(qū)的開闊、平坦地域，與大自然風(fēng)貌融為一體，其中2×600 MW級(jí)燃煤電廠占地面積約為36×104m2；2×300MW 級(jí)燃煤電廠占地面積約為26×104m2，道路廣場(chǎng)系數(shù)約為13%～15%，同時(shí)廠區(qū)內(nèi)的建筑物之間距離較大，道路以雙向車道（7m 寬）為主，單向車道（4m 寬）為輔，道路寬闊，因此廠區(qū)自然風(fēng)力較強(qiáng)，日光充足，為使用風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈提供了良好的前提條件。

2.1 風(fēng)能和太陽能分布分析

我國的風(fēng)能資源比較豐富，據(jù)國家氣象局估算［2］，東南沿海區(qū)域、內(nèi)蒙古和甘肅走廊、東北、西北、華北和青藏高原等部分地區(qū)，每年風(fēng)速在3m/s以上的時(shí)間近4 000h左右，一些地區(qū)平均風(fēng)速可達(dá)7m/s以上，在這些地區(qū)風(fēng)力就具有很大的開發(fā)利用價(jià)值。

我國同時(shí)又是太陽能資源相當(dāng)豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年日輻射量在4kW·h/（m2·d）以上，特別是西藏西部地區(qū)，日輻射量在6.4kW·h/（m2·d），居世界第2 位。我國依據(jù)各地接受太陽輻射量的多少，將全國各地分為5類地區(qū)，其中寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部為太陽能最為豐富地區(qū)，因此，我國的風(fēng)能和太陽能幾乎遍布全國，尚有待開發(fā)，而發(fā)電廠接近大自然，不論是從能源的利用，還是從節(jié)省煤炭資源以及環(huán)境保護(hù)等諸多方面考慮，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的前景都是可行的、廣闊的，并且最終必將與國際接軌。

2.2 LED光源性能分析

LED 光源的性能［3］主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

a.壽命：能使用5×104h 以上，壽命長于所有光源，光衰小，能有效減少電廠維護(hù)量。

b.光效：雖然傳統(tǒng)鈉燈光源有較高的光效，通常為64～140lm/W，但鈉燈光源在道路燈具中，只有40%的光通量直接照射到路面上，其余光是通過燈具的反射罩二次投射出燈具，而一般燈具的反射器效率僅為50%～60%，路燈燈具效率僅為70%，故高壓鈉燈路燈的整體光效可達(dá)42～91lm/W。反觀LED 路燈，二次配光設(shè)計(jì)使90%以上的光直接投射到路面，燈具整體光效能達(dá)到108lm/W，因此LED 路燈可與高壓鈉燈媲美，整燈光效優(yōu)于傳統(tǒng)路燈。

c.照度：LED 光源在中低照度區(qū)域具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。電廠主干道的照度值要求不高于10lx，而7m 寬的道路，路燈間距25m，LED100 W 的平均照度值可以達(dá)到15lx以上，高于要求的標(biāo)準(zhǔn)值。

d.顯色性能：LED 光源的白光顯色指數(shù)可以達(dá)到70，色溫適中：5 000～6 000K，相比高壓鈉燈，光色更為自然。白光LED 具有較高的中間視覺等效光效，即在中間視覺條件下的亮度提高約40%，而此時(shí)“黃光”高壓鈉燈的等效光效要降低約30%。LED 的高顯色性無疑有助于司機(jī)及行人識(shí)別目標(biāo)，在同樣的路面亮度下提供更好的通行條件。

e.啟動(dòng)性能：不受環(huán)境溫度限制，可工作在連續(xù)開關(guān)閃斷的狀態(tài)下，瞬時(shí)熱啟動(dòng)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)氣體放電燈。

f.防護(hù)性能：LED 采用環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu)，密封性能好，且防塵防水設(shè)計(jì)不受發(fā)熱限制，防塵防水性能良好。整套LED 路燈的防護(hù)等級(jí)可達(dá)到IP65，適合戶外照明。

g.安全：LED 無危害健康的元素，無汞污染，即使燈具脫落甚至破碎，對(duì)人身和環(huán)境造成的影響也較小，故其安全性能優(yōu)良。

h.抗震性：LED 是半導(dǎo)體材料，無燈絲及其他附加材料，因此它的抗震性好。

i.可調(diào)性：LED 可實(shí)現(xiàn)0～100%連續(xù)調(diào)光，可根據(jù)環(huán)境光照及交通狀況靈活調(diào)整光輸出，在保證照明質(zhì)量的同時(shí)降低不必要的功耗。

可見，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈光源的各項(xiàng)性能均為優(yōu)異，不僅能完全滿足發(fā)電廠道路和廠前區(qū)庭院的照明，而且其照度性能高于傳統(tǒng)路燈。

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈與傳統(tǒng)路燈案例對(duì)比分析

某2×600MW 電廠，廠區(qū)道路總長約3.5km，道路寬度為7m，現(xiàn)將風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈與傳統(tǒng)高壓鈉燈兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，見表1。

通過上述對(duì)比分析，可見風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈除了初投資大外，與傳統(tǒng)路燈相比，具有節(jié)能、壽命長、無延遲、環(huán)保、使用安全、免除人工操作等諸多優(yōu)點(diǎn)；控制方面，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈由智能控制器控制，可分為時(shí)控、光控兩種自動(dòng)控制方式，兼具安全性和經(jīng)濟(jì)性；從工程施工角度看，自身獨(dú)立一體的供電系統(tǒng)，不受大面積電路施工干擾，工序簡單，工期短，維護(hù)更加方便。其使用的穩(wěn)定性相對(duì)于傳統(tǒng)路燈，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈以自然界中可再生的太陽能和風(fēng)能為能源，不消耗任何非再生性能源。長此以往，對(duì)環(huán)境保護(hù)要求上極為有利，還降低了日后路燈所消耗的大量電費(fèi)支出的成本，因此，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈在電廠道路照明中是優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案，具有很好的發(fā)展前景。

3 風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈用于電廠的經(jīng)濟(jì)性分析

本文仍以案例分析中的某2×600 MW 電廠為例，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并同傳統(tǒng)的高壓鈉燈光源進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算中所涉及的其他原始數(shù)據(jù)做如下假設(shè)：常規(guī)路燈價(jià)格為4 000元/盞，120盞；風(fēng)光互補(bǔ)路燈價(jià)格為15 000元/盞，140盞；路燈運(yùn)行時(shí)間為10h/天，上網(wǎng)電價(jià)為0.38元/（kW·h）。其中：高壓鈉燈路燈的挖溝、敷設(shè)管線費(fèi)用單價(jià)20元/m，共3 500m；配套電器費(fèi)用（成套電器、箱體、引線等）中，時(shí)鐘、光控配電箱1 600元/個(gè)×5個(gè)再加上配套費(fèi)用100元/盞×120盞；鎮(zhèn)流器損耗20%、線路損耗12%；光源壽命及更換費(fèi)用中，LED 壽命可達(dá)5×104～10×104h，不需更換；高壓鈉燈壽命1.2×104h 左右，250 元/盞×120盞×4次（10年需要更換4次高壓鈉燈光源）；高壓鈉燈路燈的維護(hù)費(fèi)用120元/年×10年×120盞；風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈需5～10年更換一次免維護(hù)蓄電池費(fèi)用：500元/只×2只×140盞；廢舊蓄電池回收費(fèi)：60元/只×280只。風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈與高壓鈉燈的經(jīng)濟(jì)分析見表2。

表1 道路照明兩種方案技術(shù)、維護(hù)指標(biāo)比較

表2 風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈與高壓鈉燈路燈的經(jīng)濟(jì)分析 萬元

由經(jīng)濟(jì)分析可見，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈盡管節(jié)約電能，但初投資費(fèi)用高，約為傳統(tǒng)燈具的3倍，這也是目前有些建設(shè)單位不愿采用的主要原因?？梢钥闯?，隨著燈具的持續(xù)使用，只有使用時(shí)間越長，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的經(jīng)濟(jì)性能才能凸顯出來，從現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性來講，直到持續(xù)時(shí)間達(dá)到25年左右時(shí)，二者的經(jīng)濟(jì)性才能基本接近持平，超過25 年時(shí)，LED 燈經(jīng)濟(jì)的節(jié)省性才能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燈具，到30年時(shí)，LED 燈節(jié)省下來的費(fèi)用可比傳統(tǒng)高壓鈉燈多8.4%。

因此，要想大力推廣使用風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈，首要的解決方案是優(yōu)化風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)、降低設(shè)備材料成本。

4 環(huán)境效益分析

傳統(tǒng)路燈每套路燈10年耗電10 950kW·h，按照火力發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗299g/（kW·h）計(jì)算，共計(jì)消耗標(biāo)準(zhǔn)煤3.27t。一座2×600 MW 的電站，僅道路照明這一項(xiàng)10年耗煤392.4t，增加污染物碳粉塵2 606.1t排放，二氧化碳約10 000t，二氧化硫288kg，氮氧化物143.45kg。碳粉塵污染環(huán)境，引起呼吸道系統(tǒng)疾病，影響人體健康；二氧化碳排放會(huì)使地球表面升溫，產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”；二氧化硫、氮氧化物會(huì)形成“酸雨”，會(huì)使水庫、江河、湖泊的酸度增加影響植物生長、魚類繁殖，加速了建筑物、文化資源的侵蝕程度。而風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈能源消耗和污染排放量均為零，在環(huán)境效益方面占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此在發(fā)電廠風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈需要大力推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)論

由于獨(dú)特的技術(shù)結(jié)構(gòu)和發(fā)光原理，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈具有穩(wěn)定性能好、免維護(hù)、高光效、長壽命的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)電廠工作環(huán)境的適應(yīng)性好，照明性能也能充分滿足電廠內(nèi)廠區(qū)道路和廠前區(qū)照明的需求。

通過對(duì)電廠采用風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的經(jīng)濟(jì)性分析，并同以高壓鈉燈為代表的傳統(tǒng)光源技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在長期運(yùn)行的模式下，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于高壓鈉燈。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟及設(shè)備材料成本的降低，它的社會(huì)環(huán)境效益將越發(fā)顯著，作為現(xiàn)階段最清潔、綠色環(huán)保的新能源發(fā)電系統(tǒng)實(shí)用化產(chǎn)品的代表，風(fēng)光互補(bǔ)LED 路燈在電廠工程照明中必將獲得更為廣泛的應(yīng)用。

［1］ 付艷.風(fēng)光互補(bǔ)型LED 路燈的應(yīng)用［J］.科技致富向?qū)В?012，（17）：221－223.

［2］ 中國氣象局.中國風(fēng)能資源評(píng)價(jià)報(bào)告［M］.北京：氣象出版社，2006.

［3］ 陳海華.發(fā)電廠設(shè)計(jì)采用LED 照明的探討［J］.浙江電力，2013，32（9）：29－32.