風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

袁 亮,尹旭平

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

袁 亮,尹旭平

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

我國作為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國,隨著國際能源格局和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變,我國節(jié)能減排與新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展將呈現(xiàn)綠色環(huán)保的新趨勢(shì)。隨著高光效LED路燈的大規(guī)模推廣使用,采用風(fēng)能和太陽能這兩種理想的清潔能源作為路燈照明供電電源,成為道路照明節(jié)能減排的一種趨勢(shì)。如何在保證道路照明質(zhì)量的前提下高效、科學(xué)地進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)道路照明的節(jié)能減排工作,是未來道路照明工程技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)探索的方向之一。

風(fēng)光互補(bǔ)路燈;道路照明;設(shè)計(jì)驗(yàn)證

0　引言

隨著全球能源危機(jī)的加劇,各國都在尋求解決能源危機(jī)的辦法,其中一條重要的方法就是尋求新能源和可再生能源的利用。而太陽能和風(fēng)能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源。太陽能、風(fēng)能作為兩種取之不盡用之不竭的可再生能源,隨著太陽能、風(fēng)能利用技術(shù)的進(jìn)步,太陽能、風(fēng)能利用產(chǎn)品逐漸進(jìn)入人們的日常生活,如太陽能熱水器、太陽能路燈、太陽能交通信號(hào)燈、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等設(shè)備開始在各行各業(yè)逐漸開始規(guī)?；瘧?yīng)用。

路燈作為現(xiàn)代化城市夜間道路照明的主要設(shè)備,把城市的夜晚裝點(diǎn)得多姿多彩。但路燈是一個(gè)耗電大戶。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)資料,2014年我國全社會(huì)用電量55 233億kW·h,同比增長3.8%「1],若按照明用電量占全國總用電量的12%計(jì)算,則2014年我國全年照明用電量為6 627.96億kW·h,可見照明用電量之大。為節(jié)能減排,2009年10月我國向全世界承諾到2020年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%「2]。目前,中國城市化比例仍然低于55%的世界平均水平;遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的85%,這意味著將有大量人口入駐城市,中國城市的發(fā)展規(guī)模將越來越大,中國城市照明的發(fā)展前景將更加廣闊,節(jié)能減排是城市發(fā)展的核心,其任務(wù)也非常艱巨和繁重。城市照明行業(yè)應(yīng)當(dāng)在照明節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用上做出應(yīng)有的努力和貢獻(xiàn)。

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是真正意義上的低碳能源系統(tǒng),在道路照明工程中科學(xué)合理的采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)不但可以簡化路燈照明工程的施工安裝、而且還能擺脫路燈對(duì)電網(wǎng)電能消耗。我國西北、華北、東北地區(qū)冬、春季風(fēng)力強(qiáng),太陽輻射弱;夏、秋季風(fēng)力弱,但太陽輻射強(qiáng),從資源的利用上恰好可以形成互補(bǔ)。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在供電不便的邊遠(yuǎn)的農(nóng)牧區(qū)、山區(qū)、林區(qū)、公路和鐵路信號(hào)站、地質(zhì)勘探和野外考察工作站有著良好的應(yīng)用,但在實(shí)際工程應(yīng)用中,風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)受氣象條件、環(huán)境條件的限制也頗多。如項(xiàng)目所在地年平均風(fēng)速、平均太陽能輻射總量、各季節(jié)的平均氣溫等氣象因素;項(xiàng)目所在地是否有高樓、高大喬木,以及山脈遮擋等環(huán)境因素。在工程實(shí)際應(yīng)用中為保證風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)可靠工作,必須對(duì)項(xiàng)目所在地氣象條件,環(huán)境條件加以明確,并根據(jù)道路等級(jí)科學(xué)合理的確定照明燈具的功率大小,并根據(jù)燈具功率和路燈有效工作時(shí)間對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證和有針對(duì)性的進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和方法

在滿足道路照明規(guī)范指標(biāo)、有效降低系統(tǒng)造價(jià)的前提下,保證風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)最大限度的可靠工作是風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的最基本的設(shè)計(jì)原則。風(fēng)光互補(bǔ)路燈必須滿足在發(fā)電量最低月份日平均發(fā)電量大于負(fù)載日耗電量,且蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能保證負(fù)載至少3 d以上的自持天數(shù)或大于當(dāng)?shù)刈畲筮B續(xù)陰雨天數(shù)。

在風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),首先應(yīng)收集項(xiàng)目道路的道路等級(jí)、路幅劃分,以及項(xiàng)目所在地的氣象資料、經(jīng)緯度、地形地貌等相關(guān)資料,然后根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45)中的相關(guān)道路照明指標(biāo),確定滿足規(guī)范要求的LED路燈燈具功率大小、光通量等參數(shù),再根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的負(fù)載大小(即計(jì)算確定的路燈功率)和工作時(shí)間,結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件,以及其它相關(guān)參數(shù)進(jìn)行太陽能電池組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池的選型設(shè)計(jì)。

在工程實(shí)踐中,針對(duì)某個(gè)項(xiàng)目是否適合采用風(fēng)光互補(bǔ)路燈,首先要評(píng)估項(xiàng)目所在地的太陽能、風(fēng)能資源是否滿足風(fēng)光互補(bǔ)路燈的使用要求。氣象資料評(píng)估通過以后,方可以進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

太陽能資源評(píng)估主要是根據(jù)常年的氣象觀測資料,按各地接受太陽總輻射量的多少,將全國劃分為五類地區(qū)。一類地區(qū)(太陽能資源豐富帶)主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地,二類地區(qū)(太陽能資源較富帶)主要包括西藏東南部、新疆南部、青海東部、寧夏南部、甘肅中部、內(nèi)蒙古、山西北部、河北西北部等地「3]。如項(xiàng)目所在地位于太陽能資源豐富帶或太陽能資源較豐富帶的一類、二類地區(qū),可通過太陽能資源評(píng)估,并在通過太陽能資源評(píng)估的基礎(chǔ)上,根據(jù)距地10 m高度年平均風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估。如果項(xiàng)目所在地年平均風(fēng)速大于風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速的(一般為.5 m/s),則認(rèn)為該項(xiàng)目適宜進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì),可以進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中可對(duì)照?qǐng)D1全國1978-2007年平均的總輻射年總量空間分布(kWh/m2)及2014年全國陸面70 m高度年平均風(fēng)速分布圖進(jìn)行初步評(píng)估。

圖1　全國1978-2007年平均的總輻射年總量空間分布(kWh/m2)及2014年全國陸面70 m高度年平均風(fēng)速分布圖

2　方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)不需要電網(wǎng)供電,而只要采用蓄電池儲(chǔ)存風(fēng)機(jī)和光伏組件發(fā)出的電能。如何選擇合適的風(fēng)機(jī)額定功率、太陽能電池組件額定功率和儲(chǔ)能蓄電池容量在方案設(shè)計(jì)過程當(dāng)中是人們需要解決的一個(gè)重要問題。而實(shí)際上由于受燈桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、風(fēng)機(jī)風(fēng)輪直徑、重量、額定輸出電壓等諸多因素的限制,可供風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)選擇的風(fēng)機(jī)額定功率非常有限。常見的風(fēng)額定機(jī)功率有100 W、200 W、300 W、400 W、500 W、600 W、00 W、1 000 W幾種,而800W以上的風(fēng)機(jī)幾乎均采用48 V額定電壓,系統(tǒng)受路燈恒流源、蓄電池、光伏組件、控制器等元件額定電壓的限制,48V額定電壓的風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)其它設(shè)備的選型上存在較難匹配的問題,因此應(yīng)用并不多;而200 W及以下的小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比經(jīng)濟(jì)性欠佳,所以工程中應(yīng)用較廣的風(fēng)機(jī)集中在300W至600 W之間。相比之下光伏組件功率從十幾瓦到幾百瓦之間有上百種規(guī)格可供設(shè)計(jì)人員選擇,對(duì)不同功率的燈具負(fù)載適應(yīng)性好。所以實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中大多采用風(fēng)機(jī)優(yōu)先的設(shè)計(jì)方法,根據(jù)負(fù)載大小先優(yōu)先選定風(fēng)機(jī)額定功率。在此基礎(chǔ)上再計(jì)算選擇與風(fēng)機(jī)匹配的光伏組件功率和蓄電池容量等其它元件。

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)儲(chǔ)能蓄電池容量選擇參考《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50797-2012)儲(chǔ)能電池容量公式6.5.2進(jìn)行計(jì)算「4]:

式中:CC——儲(chǔ)能電池容量,kW·h;

D——最長無日照期間用電時(shí)數(shù),h;

F——儲(chǔ)能電池放電效率的修正系數(shù)(通常為1.05);

P0——平均負(fù)荷容量，kW;

U——儲(chǔ)能電池放電深度(通常為0.5～0.8);

Ka——包括逆變器等交流回路的損耗率(通常為0.7～0.8)。

在進(jìn)行儲(chǔ)能蓄電池容量計(jì)算時(shí),為控制設(shè)備投資一般將蓄電池放電深度和交流回路的損耗率均取最大值。

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)各月份日平均發(fā)電量=風(fēng)機(jī)日平均發(fā)電量+光伏組件日發(fā)電量。其中風(fēng)機(jī)日平均發(fā)電量根據(jù)各月份日平均風(fēng)速和選定的風(fēng)機(jī)功率曲線圖進(jìn)行插值計(jì)算求得。

現(xiàn)以位于東經(jīng)103。37＇12″,北緯36。30＇54″的某道路安裝的風(fēng)光互補(bǔ)路燈為例進(jìn)行分析驗(yàn)證。該風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)配置如下:LED路燈額定功率:110W×1套;風(fēng)機(jī)額定功率:300W×1臺(tái);光伏組件額定功率150W×2塊(安裝傾角44°);蓄電池DC12V200Ah×2塊。

水平面單位面積太陽輻射量日平均值采用美國國家航空航天局(NASA)氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)的資料,項(xiàng)目所在地全年月平均氣溫、水平面太陽能輻射量、10 m高度平均風(fēng)速詳見表1項(xiàng)目所在地各月份氣象資料統(tǒng)計(jì)表。

表1　項(xiàng)目所在地各月份地氣象資料統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)氣象資料及設(shè)備規(guī)格參數(shù),可以計(jì)算出各月份風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)日平均發(fā)電量。其中風(fēng)機(jī)發(fā)電量可通過所選300W的風(fēng)機(jī)功率曲線采用插值計(jì)算得出,風(fēng)機(jī)功率曲線圖見圖2所示。

圖2　風(fēng)機(jī)功率曲線圖

光伏組件日平均發(fā)電量參考《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50797-2012)光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量計(jì)算公式6.6.2進(jìn)行計(jì)算「4]:

式中:Ep——上網(wǎng)發(fā)電量,kW·h;

HA——水平面太陽能總輻照量,kW·h/m2(峰值小時(shí)數(shù));

PAZ——組件安裝容量,kWp;

ES——標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(常數(shù)=1 kW·h/m2);

K—綜合效率系數(shù)。

綜合效率系數(shù)K包括:光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)「4]。綜合效率系數(shù)K的取值在一般在75%～85%之間。而風(fēng)光互補(bǔ)路燈發(fā)電系統(tǒng)比光伏電站較為簡單,且不需要復(fù)雜的集電線路、升壓變壓器等設(shè)施因此綜合效率系數(shù)K取值可按85%計(jì)算。

光伏系統(tǒng)發(fā)電量由公式6.6.2計(jì)算得出。設(shè)計(jì)過程中使用了PVsyst,模擬了純光伏路燈的使用情況,并將用公式計(jì)算出的光伏系統(tǒng)發(fā)電量和PVsyst模擬得到光伏系統(tǒng)發(fā)電量分別與插值計(jì)算獲得的風(fēng)機(jī)發(fā)電量相加得到風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)1至12月份各月份日平均發(fā)電量。計(jì)算結(jié)果詳見表2風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)各月份日平均發(fā)電量計(jì)算值與實(shí)測值比較表。圖3為其曲線圖。

從圖3各月份日均發(fā)電量計(jì)算值與實(shí)測值曲線圖中可以看出2014年1月至12月實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值的分布趨勢(shì):由6.6.2公式計(jì)算得到的理論計(jì)算值在3月份至9月份與實(shí)測值和計(jì)算機(jī)模擬值之間有較大出入?，F(xiàn)初步分析,造成這一結(jié)果的主要原因之一是計(jì)算時(shí)未考慮溫度對(duì)光伏組件的影響。而根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定,對(duì)于一般的晶體硅太陽電池,在標(biāo)準(zhǔn)測試溫度(25℃)以上,溫度每升高1℃,太陽電池的轉(zhuǎn)換效率下降0.35%～0.5%「6];其次由于風(fēng)光互補(bǔ)路燈冬季工作時(shí)間長,日照時(shí)間短,這就要求必須保證系統(tǒng)的冬季發(fā)電量大,相應(yīng)的光伏組件的傾角設(shè)計(jì)為44°固定傾角,從而造成春、夏、秋三個(gè)季節(jié)的實(shí)測發(fā)電量小于計(jì)算值。而采用計(jì)算機(jī)程序PVsyst模擬獲得的結(jié)果與實(shí)測值有較好的契合度可以較好地反映這一規(guī)律。

結(jié)合中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心2015年1月發(fā)布的中國風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào),2014年全國地面10 m高度年平均風(fēng)速較近十年平均風(fēng)速(2004-2013年)偏小3.8%,為近十年來各年平均風(fēng)速的最小年份;全國地表平均水平面總輻射年輻照量約為 1 492.6 kWh/m2,較近十年(2004-2013年)平均值偏少約8.1 kWh/m2,為近十年來次小年。云量和霾日數(shù)增多是地表太陽總輻射量減少的主要原因「6]。

表2　風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)各月份日平均發(fā)電量計(jì)算值與實(shí)測值比較表

圖3　各月份日均發(fā)電量計(jì)算值與實(shí)測值曲線圖

實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值間存在較大出入的直接原因除了太陽輻射的隨機(jī)性之外,還有不同數(shù)據(jù)源的氣象觀測數(shù)據(jù)的出入。而減小這一不確定性的方法除了在計(jì)算時(shí)采用連續(xù)可靠的觀測數(shù)據(jù)外,還應(yīng)當(dāng)增加系統(tǒng)的未來使用時(shí)間「7]。也就是說,通過計(jì)算得到的理論計(jì)算值可用于以后的5 a甚至更長一段時(shí)間的平均值,該值是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過計(jì)算獲得的理論計(jì)算值。

3　結(jié)論

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一種在限定條件下的計(jì)算、預(yù)測,在綜合考慮系統(tǒng)可靠性、造價(jià)等因素的基礎(chǔ)上,這樣一種計(jì)算、預(yù)測在一定的程度上有著不可避免的不確定性,而通過采用準(zhǔn)確、可靠的歷史觀測數(shù)據(jù)和使用精確的計(jì)算模型,比如計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的采用,可以得到相對(duì)更加準(zhǔn)確、細(xì)致的結(jié)果,從而更好地保障工程設(shè)計(jì)的適用性、可靠性和科學(xué)性。

「1]國家能源局.國家能源局發(fā)布2014年全社會(huì)用電量「EB/OL]. http://www.nea.gov.cn/2015-01/16/c-133923477.htm.

「2] “十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要課題組.《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》研究「M]北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

「3] 中國數(shù)字科技館地球資源博覽館.能源資源.可再生能源.太陽能資源分布「EB/OL].http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/ diqiuziyuan/er2-2-1.htm l，2006.

「4] GB50797-2012. 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范「S].

「5] 中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心.太陽能電站運(yùn)行氣象保障「EB/OL].北京:中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心,2015. http: //cwera.cma.gov.cn/Website/index.php ChannelID=131.

「6] 中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心. 中國風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào)(2014年)「EB/OL].北京:中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心,2015. http://cwera.cma.gov.cn/Website/index.php ChannelID= 8&NewsID=2278.

「7](西)Antonio Luque，等著.王文靜，等譯.光伏技術(shù)與工程手冊(cè)「M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

U417.9

B

1009-7716(2015)12-0206-04

2015-08-31

袁亮(1979-)，男,甘肅隴西人,高級(jí)工程師,從事建筑電氣及道路照明工程設(shè)計(jì)工作。