劉世建, 賈昌昊

(1.上海電力大學, 上海 200090; 2.中鐵一局集團電務工程有限公司, 陜西 西安 710025)

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(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用領(lǐng)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(gòu)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(jié)構(gòu),而風光互補路燈作為一個結(jié)構(gòu)簡單的應用,進行推廣對清潔能源的發(fā)展具有重大意義。

現(xiàn)階段關(guān)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(zhuǎn)體、尾翼、葉片、風輪、機頭、塔架以及基座。轉(zhuǎn)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(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(jié)構(gòu)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?PbSO4+

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12 m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(zhì)量有一定的要求;左右兩側(cè)3 m的部分是人行橫道,通常在夜間結(jié)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(zhì)量光源照射。因此,路燈分布方式,機動車道上為雙側(cè)交錯式分布,人行道上為單側(cè)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。具體如圖1所示。

圖1 雙側(cè)交錯式風光互補照明系統(tǒng)LED路燈的示意

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:

(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(cè)交錯分布式半截光型LED路燈,尚電環(huán)路(南)的機動車道側(cè)路燈是雙側(cè)交錯分布的,而人行道側(cè)路燈是單側(cè)分布的,機動車道一邊的懸挑長度固定為2 m[10],人行道一邊的懸挑長度固定為0.8 m,因此求得機動車道的有效寬度為8 m,人行道的有效寬度為2.2 m。

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,H≥1.2Weff,S≤3.5H;雙側(cè)交錯分布時,H≥0.8Weff,S≤3.5H[11]。

機動車道側(cè)路燈的安裝高度H1應不小于0.8×8=6.4 m,人行道側(cè)路燈的安裝高度H2應不小于1.2×2.2=2.64 m。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,最后確定機動車道側(cè)的路燈安裝高度H1為7 m,人行道側(cè)的路燈安裝高度H2為6 m。

機動車道側(cè)路燈的間距S1應不大于3.5×7=24.5 m,人行道側(cè)路燈的間距S2應不大于3.5×6=21.0 m。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=21 m。

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

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6.8 lx;

W1,W2——機動車道和人行道道路的實際寬度,W1=12 m,W2=3 m;

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)交錯式分布或單側(cè)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75 lm/W[12],代入下列公式即可計算LED燈具的功率,機動車道側(cè)的記為P1,人行道側(cè)的記為P2。

(5)

(6)

考慮到現(xiàn)實應用和實際生產(chǎn),P1和P2分別取50 W和15 W。定制風光互補路燈的照明參數(shù)如下:機動車道路寬12 m,每隔21 m雙側(cè)交錯分布,在離地7 m處安裝50 W的LED光源;人行道路寬3 m,每隔21 m單側(cè)分布,在離地6 m處安裝15 W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4 h,之后以半功率工作8 h至凌晨6:30,折算后每臺路燈每天全功率工作8 h,代入公式求得一臺路燈的日耗電量為624 Wh,日耗電容量為26 Ah。

求得上述兩個物理量后,便可計算鉛酸蓄電池的參數(shù)。要求該蓄電池可以保證路燈連續(xù)3日無外供電情況下可靠地工作[13],代入公式

(7)

式中:γ——安全系數(shù),作為校園用路燈,常取值1.3;

τ——溫度修正系數(shù),臨港校區(qū)的冬天會有一段時間溫度維持在0 ℃之下,所以取1.1;

n——蓄電池的備用天數(shù),結(jié)合臨港地區(qū)的氣候條件,要保證在連續(xù)3天無風陰雨條件下,路燈仍可正常工作,所以取3;

Q1——日耗電量;

C——蓄電池的最大放電深度,一般蓄電池工作要避免深度放電,做到“淺放勤充”,因此取70%。

考慮安全裕量,可得臨港校區(qū)需采用的是每組12 V/100 Ah×2只串聯(lián)的免維護鉛酸蓄電池。

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378 Wh,太陽能電池供能254 Wh,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200 W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(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100 W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420 d,建設成本明細如表1所示,共計221 300元。這些數(shù)據(jù)是結(jié)合相關(guān)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

0.72元/kWh=6 774(元)

(8)

建設成本和電費兩者合計228 074元。

表1 普通路燈的建設成本明細

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,建設成本明細如表2所示,共計267 800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

0.55元/kWh=1 526(元)

(9)

上述各項成本合計約為266 274元。

表2 風光互補路燈的建設成本明細

4 結(jié) 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6 272 kWh,折算成年節(jié)約標準煤2.5 t,同時年減少污染排放碳粉塵1 706 kg,二氧化碳6 253 kg,二氧化硫188 kg,氮氧化物94 kg?？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(guān)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。