張曉娟，鄭維民

(甘肅民族師范學院，甘肅 甘南 747000)

0 引言

太陽能是地球上“取之不盡、用之不竭”的清潔、綠色、可再生能源。近年來，太陽能路燈在各大城市的應(yīng)用方興未艾。但是，在偏遠地區(qū)，由于各種原因，太陽能路燈還未普及。甘肅省甘南州大部分地區(qū)地處偏遠山區(qū)，交通不便，距離骨干電網(wǎng)遠，水力資源和煤炭資源缺乏，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需用電都是靠遠距離輸送的，投資成本遠遠超出了本地區(qū)經(jīng)濟負擔能力。但是該地區(qū)地處青藏高原和黃土高原交界處，屬于高海拔山區(qū)，太陽能資源豐富。根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)得知，本地區(qū)年太陽能總輻射量在4 700～5 400 MJ/m3之間，每年太陽日照時數(shù)大于六小時的天數(shù)在一百五十天以上，屬太陽能資源較豐富和較穩(wěn)定地區(qū)［1］。在此種條件下，在甘南藏區(qū)公路和街道及公共活動場所安裝太陽能路燈照明系統(tǒng)是可行的。

1 太陽能路燈的基本組成及工作原理

1.1 太陽能路燈系統(tǒng)的組成元件

太陽能路燈組成元件包括以下幾部分:太陽能電池板，太陽能調(diào)控器，太陽光源，蓄電池組，燈桿及燈具［1-2］。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

在太陽能調(diào)控器的控制下，白天光照條件下，太陽能電池板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中，晚上當照度達到設(shè)定值時，太陽能電池組件開路電壓達到設(shè)定電壓，充放電控制器檢測到這一電壓值后立即工作，蓄電池就可提供電源給燈具。太陽能直流調(diào)控器在任何條件下都能保證蓄電池不會因為長時間充電或長時間放電使電源及其它元件損壞。太陽能照明系統(tǒng)同時還有光控，時控和溫度補償及防雷保護功能［3-4］，這些元件的配置大大地提高了太陽能路燈系統(tǒng)運行的可靠性。

2 甘南州安裝太陽能路燈現(xiàn)狀

根據(jù)實地調(diào)查情況得知，如表1所述，本地區(qū)對太陽能路燈的應(yīng)用普及率很低，自2008年始，只有州府所在地合作市和一部分靠近合作市的地區(qū)安裝了太陽能路燈作為試點，很多地方政府和群眾對此系統(tǒng)都不是很了解。

表1 太陽能路燈系統(tǒng)使用現(xiàn)狀調(diào)查表

3 太陽能路燈系統(tǒng)與普通電力路燈在運行當中的投資費用與環(huán)境效益的分析與評價

3.1 太陽能路燈系統(tǒng)與普通電力路燈在運行當中的投資費用比較

現(xiàn)以臨潭縣后川村安裝的太陽能路燈參數(shù)(表2)為例，對太陽能路燈系統(tǒng)與普通電力路燈在運行當中的投資費用做一比較。

表2 太陽能路燈元件參數(shù)表

根據(jù)表3可知:按市場最優(yōu)價格值計算。一盞普通路燈的市場價格為670元/盞～870元/盞，一盞普通路燈一年照明電費為1 500元/盞，每五年更換一次燈光源，更換燈具費用，維護費用和管理人員所需費用為2 064元/盞。一盞太陽能路燈系統(tǒng)的市場價格為6 940元/盞，每五年更換一次蓄電池，更換蓄電池費用為1 600元/盞，管理人員費用為1 500元。設(shè)兩類路燈每天照明時間為10小時，正常運行周期按十五年計算，投入資金的年利率i為6%(本地銀行得知)。

表3 太陽能路燈與普通電力路燈周期內(nèi)技術(shù)投資費用參數(shù)表

計算兩類路燈系統(tǒng)在運行周期內(nèi)的費用［4］:

注M1為普通路燈在運行周期內(nèi)的費用;M2為太陽能路燈在運行周期內(nèi)的費用;A為普通路燈一年支出的電費;F為兩類系統(tǒng)五年支出的費用;I為資金的社會年利率;n為兩類系統(tǒng)的運行周期。

根據(jù)計算得:M1=28 692元，M2=9 765元。

由比較可知，太陽能路燈系統(tǒng)在規(guī)定的運行周期內(nèi)投資明顯低于電力路燈系統(tǒng)，這也符合當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平。

3.2 太陽能路燈與普通電力路燈的環(huán)境效益評價

3.2.1 普通電力的污染情況

我國全國范圍內(nèi)的電力資源主要靠煤炭火力發(fā)電和水利發(fā)電，甘南地區(qū)的電力資源主要是靠主干電路遠距離輸送。就煤炭火力發(fā)電而言，引發(fā)的環(huán)境問題非常嚴重，如大氣污染、煤礦資源枯竭等等，使生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞。就甘南州臨潭縣而言，地處洮河干流附近，近年來隨社會經(jīng)濟不斷增長，為解決電力資源缺乏問題，在臨潭附近修建八處水電站，洮河干流很多地方因修水電站而改河道，造成原有河床干涸，水土流失嚴重，原河道兩旁居住的農(nóng)民的生活受到很大的影響，環(huán)境問題日趨嚴重。

3.2.2 太陽能路燈系統(tǒng)和普通電力路燈的運行穩(wěn)定性對比

普通電力路燈在基礎(chǔ)設(shè)施方面投資成本很大，而長時間遠距離輸送和地下埋線，會造成電纜線不同程度的腐融，運行期間需要不間斷維修。如果運行期間任何一條路線有問題，需要大面積開挖電纜線進行維修，工程量大，投資費用高，在應(yīng)用期間降低了可靠性，尤其在安全方面造成了很大的隱患。電力路燈電費昂貴，長時間不間斷維護和更換線路等其他配置，維護成本逐年增加，投資成本會不斷升高。通過以上對比得知，太陽能路燈照明系統(tǒng)安裝時資金一次性投入。安裝時，只要做好固定燈桿基臺，直接將燈桿固定在上面即可，不需要鋪設(shè)復(fù)雜線路，不需要外電源輔助。使用時也不需要專門的操控人員，在運行周期內(nèi)無任何管理費用和維護費用，也不會存在安全隱患問題。在運用期間，只要有光源就可正常照明，其運行可靠性大大高于普通電力路燈系統(tǒng)。

綜上所述，與普通電力路燈相比，太陽能路燈系統(tǒng)在設(shè)備、安裝費用和運行周期內(nèi)的費用投資小。每隔五年維修一次，維護費用低。運行期間需要的管理人員少，管理費用低。太陽能路燈系統(tǒng)依靠可再生能源，不需要外在電力輔助就可正常運行，其運行時性能穩(wěn)定，安全性能高，照明可靠性也高于普通電力路燈系統(tǒng)，不存在環(huán)境污染問題，在環(huán)境效益和經(jīng)濟效益方面都占有很大的優(yōu)勢。由此可以看出，在甘南地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)中，公路照明及其他公共照明設(shè)施中，引用太陽能照明系統(tǒng)是可靠和可行的，也符合國家在環(huán)境保護方面提出的各項要求。

4 甘南州地區(qū)太陽能路燈系統(tǒng)安裝的優(yōu)化設(shè)計

4.1 確定某段特定道路上所需路燈數(shù)量

通過道路平均照度計算［5］，可以確定出某段特定的道路上所需路燈的數(shù)量。

道路照度計算公式:

其中H為道路平均照度;γ為光源的總光通量;η為路燈在道路兩邊為成對排列安裝時取2，單側(cè)安裝和交錯安裝時取1;θ為光的利用指數(shù);λ為系統(tǒng)維護指數(shù);β為所選路面的寬度;ρ為兩燈桿間的距離。

其中γ、θ﹑λ數(shù)據(jù)可以通過所選路燈銘牌獲得，η、β、ρ與所選路段有關(guān)。

4.2 甘南州地區(qū)太陽能路燈電池板安裝最優(yōu)仰角的確

對于太陽能路燈電池板安裝仰角的設(shè)計。根據(jù)不同地區(qū)地理位置存在差異情況，在安裝太陽能電池板時，需要考慮電池板的仰角度數(shù)。安裝太陽能電池板時，應(yīng)該以長期供電，照明時間穩(wěn)定、可靠為前提，而不是在短時間發(fā)電量最大為首選，應(yīng)該選擇一年四季中太陽在當?shù)剌椛淠芰孔钚〉臅r候，發(fā)電量最多為最優(yōu)仰角。這樣可以確保路燈夜間照明時數(shù)的穩(wěn)定性。

由于已有相關(guān)光伏系統(tǒng)太陽能電池板的最優(yōu)仰角研究設(shè)計文獻看，常常依據(jù)半理論半經(jīng)驗公式，為了使設(shè)計簡單簡潔正確，國內(nèi)中部地區(qū)的太陽能電池板仰角值可直接查看文獻［6］。我國中部地區(qū)的全年最優(yōu)仰角及其中部地區(qū)各月太陽平均日輻射量中，西安地區(qū)(緯度為34.30°)最接近甘南州地區(qū)(緯度為35°)，這樣，甘南州地區(qū)可以以西安為參考。西安地區(qū)太陽能光伏系統(tǒng)太陽能電池板的最優(yōu)仰角值為26°，甘南州地區(qū)也應(yīng)該選擇26°為最優(yōu)仰角。在此仰角值上再加上本地區(qū)赤緯角23.5°即可。即26°+23.5°=49.5°≈50°為甘南州地區(qū)及周邊地區(qū)設(shè)計太陽能路燈電池板的最優(yōu)仰角值。此值也可應(yīng)用到本地區(qū)其他太陽能照明系統(tǒng)中電池板的仰角。

5 結(jié)束語

通過對太陽能路燈和普通電力路燈的性價比、環(huán)境效益和照明可靠性的比較，在甘南州地區(qū)公路安裝太陽能路燈系統(tǒng)是可行的，響應(yīng)了國家關(guān)于環(huán)境保護方面的要求。本地政府應(yīng)該加大政策引導(dǎo)和資金投資力度，響應(yīng)國家對環(huán)境問題提出的各項政策，加大環(huán)境保護、生態(tài)建設(shè)的投資，充分利用本地區(qū)太陽能資源，在本地區(qū)大力推廣和宣傳太陽能光伏系統(tǒng)的利用，使太陽能照明系統(tǒng)在本地區(qū)利用普遍化，使本地區(qū)人民能夠利用綠色能源，提高生活環(huán)境的舒適度。

［1］陳尚伍，陳敏，錢照明.高亮度LED太陽能路燈照明系統(tǒng)［J］.電力電子技術(shù)，2006，40(6):43-45.

［2］許嘉良.太陽能與太陽能路燈應(yīng)用［J］.燈與照明，2008，32(2):28-30.

［3］朱飆，李春華，方鋒.甘肅省太陽能資源評估［J］.干旱氣象，2010，53(2):56-78.

［4］田飛，胡長明，劉學兵，等.農(nóng)村建設(shè)中太陽能路燈綜合效益評價研究［J］.青島農(nóng)業(yè)大學報:自然科學版，2011，28(1):65-68.

［5］邱國全，夏艷君，楊鴻毅.晴天太陽輻射模型的優(yōu)化計算［J］.太陽能學報，2001，22(4):456-460.

［6］楊金煥，毛家俊，陳中華.不同方位傾斜面太陽輻射量及最佳傾角的計算［J］.上海交通大學學報，2002，36(7):1032-1036.