目前, 化石燃料仍然占据世界能源消费的主体地位, 但使用化石燃料不仅会产生大量的二氧化碳, 造成温室效应, 还会影响生态平衡。现有的能源消费结构已经威胁到了世界的可持续发展, 所以开拓可再生能源的应用领域已刻不容缓。

在众多新能源中, 风能和太阳能是目前发展前景最好的可再生能源。将太阳能资源与风力资源相互搭配构造发电装置, 再接入所需负载, 便可从根源上改变目前的能源消费结构, 而风光互补路灯作为一个结构简单的应用, 进行推广对清洁能源的发展具有重大意义。

现阶段关于风光互补发电路灯的研究主要集中于系统设计和控制器的优化设计^[1-5], 也有一些可行性或效益考察与分析^[6-7], 但目前国内外还未见离网型风光互补路灯的工作时间及成本分析的报道。本文主要是通过计算路灯的成本, 并对路灯改造项目进行效益的对比分析, 证明风光互补路灯在上海电力大学临港校区的应用是可行的。

风光互补照明系统由电能的生产环节、追踪控制环节和消耗存储环节3部分组成。本文主要介绍生产和存储这两个环节的元件。

电能的生产环节主要是由风力发电机和太阳能电池这两个主要元件组成的。

风力发电机内部包含转体、尾翼、叶片、风轮、机头、塔架以及基座。转体能够根据当下的风向去改变尾翼的方向; 尾翼保证机头永远正对来风的方向; 叶片和风轮收集附近的风能; 机头是系统的核心, 其主要工作是生成交流电; 塔架采用坚固的混凝土结构; 基座内部安装升压变压器和蓄电池保证电能的稳定输出。

风光互补照明系统中常用的是单晶硅太阳能电池, 其内部包含上下电极、减反射薄膜层、N型硅、P型硅。若将上下电极与外电路接通, 只要适当波长的光从顶层表面入射到电池内部时, 入射光分别被N区、空间电荷区和P区的价电子所吸收, 价电子吸收光子后被激发到导带, 产生电子-空穴对, 就会有电流通过电路。因此单晶硅太阳能电池在电路中起到了电源的作用。

本文采用的是免维护铅酸蓄电池作为储能元件, 因其自身结构特点, 该种电池电解液消耗非常少, 此外, 还具有耐高温、寿命长、自放电小等优点。两极硫酸盐化理论很好地解释了铅酸蓄电池工作原理^[8], 铅酸蓄电池的正极是二氧化铅, 负极是金属铅。放电反应和充电反应是一对可逆反应。其化学反应方程式为

$ {\rm{Pb + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + Pb}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \Leftrightarrow {\rm{PbS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + PbS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} $

(1)

以上海电力大学临港校区(以下简称“临港校区”)尚电环路(南)上的路灯作为研究对象。其是校内使用频率最高的道路: 中间12 m的部分是机动车道, 是校车和教工用车的必经之路, 所以对光源质量有一定的要求; 左右两侧3 m的部分是人行横道, 通常在夜间结束晚自习后和图书馆闭馆后形成人流高峰, 同样也需要亮度均匀的高质量光源照射。因此, 路灯分布方式, 机动车道上为双侧交错式分布, 人行道上为单侧分布, 同一个灯杆上背靠背安装两个LED发光源, 以节约成本。具体如图 1所示。

在研究其余照明参数前, 先要明确道路的有效宽度这一概念^[9]。各种分布方式的道路有效宽度W_eff的计算公式如下:

$ {W_{{\rm{eff}}}} = \left\{ \begin{array}{l} {W_{\rm{s}}} - X\;\;\;\; 单侧分布\\ {W_{\rm{s}}} - 2X\;\;\;双侧交错分布 \end{array} \right.{\rm{ }}\; $

(2)

式中: W_s——道路的实际宽度;

X——灯具悬挑长度。

悬挑长度的取值由所选路灯样式决定。本文选用的是双侧交错分布式半截光型LED路灯, 尚电环路(南)的机动车道侧路灯是双侧交错分布的, 而人行道侧路灯是单侧分布的, 机动车道一边的悬挑长度固定为2 m^[10], 人行道一边的悬挑长度固定为0.8 m, 因此求得机动车道的有效宽度为8 m, 人行道的有效宽度为2.2 m。

半截光型路灯的安装高度H(m)与道路的有效宽度W_eff(m)、路灯的间距S(m)之间的关系为: 单侧分布时, H≥1.2W_eff, S≤3.5H; 双侧交错分布时, H≥0.8W_eff, S≤3.5H^[11]。

机动车道侧路灯的安装高度H₁应不小于0.8×8=6.4 m, 人行道侧路灯的安装高度H₂应不小于1.2×2.2=2.64 m。由于两盏LED路灯背靠背安装在同一根灯杆上, 考虑到要尽量避免覆盖范围更广的那一侧的路灯产生过多重合的现象而导致斑马纹和眩光, 因此两侧路灯的安装高度要尽量接近, 最后确定机动车道侧的路灯安装高度H₁为7 m, 人行道侧的路灯安装高度H₂为6 m。

机动车道侧路灯的间距S₁应不大于3.5×7=24.5 m, 人行道侧路灯的间距S₂应不大于3.5×6=21.0 m。两盏路灯安装在同一根灯杆上, 所以S₁=S₂, 考虑到尚电环路是主干道路, 在晚间还会有大量汽车行驶和学生通行, 要尽量避免两个路灯光源交叉形成的阴影死角, 应当取S₁和S₂中较小的作为路灯的间距, 故S=21 m。

由最低需求照度φ估算LED灯具的功率, 此处分为机动车道的需求量φ₁和人行道的需求量φ₂, 计算过程为

$ \begin{array}{l} {\varphi _1} = \frac{{{E_{{\rm{av}}}}{W_1}S}}{{\mu ZK}} = \\ \;\;\;\;\;\;\;\frac{{6.8 \times 12 \times 21}}{{0.72 \times 1 \times 0.7}} = 3\;400{\rm{ (lm)}} \end{array} $

(3)

$ \begin{array}{l} {\varphi _2} = \frac{{{E_{{\rm{av}}}}{W_2}S}}{{\mu ZK}} = \\ \;\;\;\;\;\;\;\frac{{6.8 \times 3 \times 21}}{{0.72 \times 1 \times 0.7}} = 850{\rm{ (lm)}} \end{array} $

(4)

式中: E_av——LED光源能提供给道路的平均照度, 单位是lx或lm/m², 即指每lm的光通量照射在单位面积上的亮度, 通常校园道路照明的亮度要求不低于6.8 lx;

W₁, W₂——机动车道和人行道道路的实际宽度, W₁=12 m, W₂=3 m;

μ——路灯的利用系数, 与路灯的高度、仰角有关, 可由配光曲线计算, 厂家提供数据为0.72;

Z——单一路灯的光源数量, 路灯双侧交错式分布或单侧分布时都取1;

K——路灯的维护系数, 临港地区的自然环境较好, 为了保守计算提高安全裕量, 取0.7(路灯的工作环境不同, 取值也不同, 通常来说, 参照《国家工业企业照明设计标准》, 当环境清洁无污染时, 灯具每年擦洗2次, K值取0.8, 当环境条件一般时, 灯具每年仍擦洗2次, K值取0.7, 当环境污染严重时, 灯具每年需清洗3次, K值取0.6)。

按保守计算, LED光源的发光效率η取值为75 lm/W^[12], 代入下列公式即可计算LED灯具的功率, 机动车道侧的记为P₁, 人行道侧的记为P₂。

$ {P_1} = \frac{{{\varphi _1}}}{\eta } = \frac{{3\;400}}{{75}} = 45.3\;{\rm{(W)}} $

(5)

$ {P_2} = \frac{{{\varphi _2}}}{\eta } = \frac{{850}}{{75}} = 11.3\;{\rm{(W)}} $

(6)

考虑到现实应用和实际生产, P₁和P₂分别取50 W和15 W。定制风光互补路灯的照明参数如下: 机动车道路宽12 m, 每隔21 m双侧交错分布, 在离地7 m处安装50 W的LED光源; 人行道路宽3 m, 每隔21 m单侧分布, 在离地6 m处安装15 W的LED光源。

除了上述照明参数, 为了分析成本则还需知道太阳能电池板、风力发电机、铅酸蓄电池这些配件的参数。在此之前, 需要计算路灯的工作时间来研究路灯的日耗电量。临港校区的天黑时间约为晚间6:30, 学生宿舍10:00门禁, 考虑到部分同学晚归, 故需要保证路灯在晚间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, 折算后每台路灯每天全功率工作8 h, 代入公式求得一台路灯的日耗电量为624 Wh, 日耗电容量为26 Ah。

求得上述两个物理量后, 便可计算铅酸蓄电池的参数。要求该蓄电池可以保证路灯连续3日无外供电情况下可靠地工作^[13], 代入公式

$ \begin{array}{l} {C_{\rm{B}}} = \frac{{\gamma \tau n{Q_1}}}{C} = \frac{{1.3 \times 1.1 \times 3 \times 26}}{{70\% }} = \\ \;\;\;\;\;\;\;\;159.4\;{\rm{Ah}} \end{array} $

(7)

式中: γ——安全系数, 作为校园用路灯, 常取值1.3;

τ——温度修正系数, 临港校区的冬天会有一段时间温度维持在0 ℃之下, 所以取1.1;

n——蓄电池的备用天数, 结合临港地区的气候条件, 要保证在连续3天无风阴雨条件下, 路灯仍可正常工作, 所以取3;

Q₁——日耗电量;

C——蓄电池的最大放电深度, 一般蓄电池工作要避免深度放电, 做到“浅放勤充”, 因此取70%。

考虑安全裕量, 可得临港校区需采用的是每组12 V/100 Ah×2只串联的免维护铅酸蓄电池。

接着计算风力发电机和太阳能电池的参数, 临港地区的风力资源较为丰富, 故风光发电比例定为6∶4, 所以每日至少需要风机供能378 Wh, 太阳能电池供能254 Wh, 利用假设估值的方法, 代入公式求最大值与最小值的平均值进行验算, 可得临港校区每台路灯需采用功率为200 W的小型水平轴式风力发电机。采用同样的方法, 选用市面上常见的光电转化效率为70%的太阳能电池板^[14], 可得临港校区每架路灯需采用的是每组100 W的单晶硅太阳能电池板。

目前, 临港校区尚电环路(南)上共有28架普通LED路灯, 投入运营共3个学期约420 d, 建设成本明细如表 1所示, 共计221 300元。这些数据是结合相关论文并与市价对比分析得到的。占运营成本比重最大的是电费, 即

$ \begin{array}{l} 电费 = \frac{{100{\rm{ W \times 8 h/d \times 420 d}}}}{{1\;000}} \times 28 \times \\ \;\;\;\;0.72{\rm{元}}/{\rm{kWh}} = 6\;774({\rm{元}}) \end{array} $

(8)

建设成本和电费两者合计228 074元。

改用风光互补路灯后只需要26架路灯, 建设成本明细如表 2所示, 共计267 800元。由于运营时间较短还未产生维护成本。另外, 还需考虑上海市政府对校园光伏项目的补贴, 3个学期可申请的金额计算如下

$ \begin{array}{l} 补贴 = \frac{{254{\rm{ Wh \times 420 d}}}}{{1\;000}}{\rm{ \times 26 \times }}\\ \;\;\;\;{\rm{0}}{\rm{.55}}元{\rm{/kWh}} = 1\;526(元) \end{array} $

(9)

上述各项成本合计约为266 274元。

从经济效益的角度来看, 风光互补路灯的前期投资成本较高; 路灯需要长期运营, 风光互补路灯的后期维护增加的主要是蓄电池的更换成本, 节省的电费加补贴会略有节余。因此, 新型路灯稍具长期收益的优势。

从环保效益的角度看, 年节约电量6 272 kWh, 折算成年节约标准煤2.5 t, 同时年减少污染排放碳粉尘1 706 kg, 二氧化碳6 253 kg, 二氧化硫188 kg, 氮氧化物94 kg。可见推广风光互补路灯可以缓解温室效应, 减轻污染, 符合国家的可持续发展战略。从社会效益的角度看, 在高校校内发展新型路灯可以带动本校相关科研的进步, 促进临港地区的开发, 进一步推动国内第一个智能微电网综合能源一体化大学城的建设。因此, 在临港校区推广风光互补路灯是可行的。