風光能互補庭路燈試驗與應用

張海巖（大慶油田礦區服務事業部）

隨著人類社會的不停發展以及科學技術的不斷進步，人們生活水平的不斷提高，對物業管理及居民小區建設也有了更高要求，智能、環保、節能產品也越來越多的受到了人們的關注和青睞。隨著用電設備的大量增加，許多城市出現了供電緊張的局面，針對城市道路照明用電逐年上升，利用太陽能和風能新能源，可充分利用清潔能源，并能很好地解決偏遠地區道路照明問題。

大慶油田礦區服務事業部所屬168個小區和路燈4.09萬盞（小區路燈2.55萬盞，道路路燈1.54萬盞，不含公園廣場燈4.73萬盞）。目前，大慶市用電基本是火力發電，年發電火力6×108kW h，要消耗23.4×104t標準煤，耗水180×104t，同時，向空氣中排放45×104t二氧化碳、0.36×104t二氧化硫、0.27×104t二氧化氮、0.312×104t煙塵，嚴重浪費資源，污染環境。

風能和太陽能是最常見的自然能源，晴天陽光充足，而陰雨天則風大，夏季陽光照射強度高，而冬天刮風天氣多。大慶市位于松嫩平原西部，市區年日照為2632.9h即109d，全市年均風速3.8m/s，年風速≥6級風（10.8~13.8m/s）日數為30d。風時數1800～2200h（即75~91 d），以上數據表明，大慶地區風能與太陽能互補可以為路燈、庭院燈提供充足的能量。

發展風能、太陽能供電，不僅可以節約常規能源，而且有利于環保，是國家政策鼓勵發展的方向，是改善能源結構，減少環境污染的有效途徑之一；可以有效減少集團電量消耗，降低運行成本，為集團創造巨大的經濟效益。

1 技術原理分析

1.1 風光能互補發電系統技術原理

風光互補發電系統是由風力發電機組配合太陽能電池組件組成，通過專用的控制逆變器，將風力發電機輸出的低壓交流電整流成直流電，并與光伏電池組件輸出的直流電匯集在一起，充入蓄電池組，實現穩壓、蓄能和逆變全過程[1]，為用戶提供穩定的電源（如圖1所示）。風光互補發電具備了太陽能產品和風能產品的雙重優點，彌補了風能供電或太陽能供電的單一性，采用世界上最為充足的兩種自然能源作為互補式供電系統，使供電系統更具安全性、保障性、可靠性。

圖1 風光互補發電系統示意圖

1.2 風光互補發電系統特點

風光互補發電系統能充分利用大自然中的風能和太陽能資源，通過中小型風力發電機利用風能發電，通過太陽能電池板利用太陽能發電，利用蓄電池儲存電能，它的優勢在于晴天時太陽能電池板為蓄電池充電，陰雨天時風力機啟動為蓄電池充電，能為用電系統提供足夠的能源保障。

由于風力發電機和太陽能電池的充電特性不一樣，風機的充電特性較快，光伏電池的充電特性較慢，而風光互補充電對激活離子運動，防止蓄電池極板硫化有很大的好處，可以大大延長蓄電池組的壽命。因此風光互補路燈系統較之目前的太陽能發電系統而言，是新能源發電系統中最可靠的一種發電設計方案，亦是最能充分利用自然資源的一種方式。在同等的系統要求下，風光互補系統的造價低于太陽能系統，同時其穩定性和可靠性卻高于太陽能系統。

1.3 風光互補庭院燈特點

1）庭院燈設置先進的光控、時控開關裝置可根據要求定時開關。

2）光源選用大功率50 W （50顆粒，每個1 W）LED 燈新光源，具有亮度高、安裝簡便、工作穩定可靠、安裝維修方便、使用壽命長、長期回報率高等優點，安裝支架根據需要量身定制。

3）每天可以亮燈8~10h，能夠在陰雨天氣的情況下保證庭院燈系統正常工作2天以上。

2 技術實驗與應用

在大慶油田礦區服務事業部萬方工程技術設計院原有庭院燈6盞，采用太陽能電池單一供電方式，由于日照時間短以及陰雨天氣影響，太陽能電池發電量不足，庭院燈照明時間短，無法滿足照明要求，我們結合實際情況對庭院燈供電系統、照明燈具、控制器進行了改造。

2.1 單臺風力發電機帶動6盞太陽能庭院燈

選取院內風力資源較好的位置，安裝一臺500W 水平軸風力發電機，通過電纜將風力發電機輸出的電能分配給6盞庭院燈，再將分配的電能與原有太陽能電池產生的電能互補為庭院燈供電，此方式的優點是：

1）可采用普通風力發電機組，投資較少。

2）可利用原庭院燈燈桿和基礎。

3）便于風力發電機組安裝和維護。

缺點是：

1）需要開挖土方鋪設輸電線路。

2）風力發電機組分別向6組蓄電池充電，充電可靠性差。

2.2 照明燈具更換

原有庭院燈采用低壓鈉燈為發光源，夜晚發光暗淡，無法滿足照明要求，將原有鈉燈更換為LED燈。LED 燈所產生的光譜中沒有紫外線、紅外線，沒有熱量和輻射，是典型的綠色照明光源，LED 燈高亮度、安全可靠、耗電低，相對于傳統鈉燈可節能50%以上，使用壽命長，可達3×104h以上；燈罩采用高質量鋼化玻璃LED 專用燈罩，具有良好的透光性和防塵防水性，見圖2、圖3。

圖2 改造前庭院燈圖

圖3 改造后庭院燈圖

2.3 智能控制

控制系統分兩部分，一部分是太陽能控制器，一部分是風機控制器。各自擁有獨立的控制箱。采用微電腦控制，每盞庭院燈各自獨立控制，采用光+時間控制方式，當光照強度暗時控制器自動啟動庭院燈[2]；當光線強度亮時控制器自動關掉庭院燈，控制箱采用原有庭院燈底座控制箱；能源儲存利用原有150 A H/24 V 全封閉免維護鉛酸蓄電池組，儲存并釋放電能。

3 關鍵技術試驗及難點

1）率先試驗單臺風力發電機帶動多盞太陽能庭院燈方式，為以后項目開展提供決策參考。

2）試驗采用大功率50 W （50顆粒，每個1 W）LED 燈，為LED 照明提高科學依據。

3）采用雙時段控制方式對照明時間進行控制，保證了庭院燈在天黑后及天亮前設定的時間段內開啟。

4）項目試驗記錄。為了科學準確的判定風光互補庭院燈與普通太陽能庭院燈的區別，將6盞庭院燈分成兩組，每組3盞，一組為太陽能供電，另一組為風能和太陽能供電，經過為期一個月的觀察檢測，得出了觀測數據見表1，為今后風能和太陽能的綜合利用提供了科學參考。

表1 風光能互補庭院燈試驗記錄

4 綜合效益分析

4.1 直接經濟效益

節約電費：通常小區道路照明采用250W 高壓鈉燈，平均每盞燈每年耗電成本為514元。

應用風與光能互補為庭院燈供電時，平均每年耗電成本為零元。

年可以節約電費合計3084元

根據統計，應用250W 高壓鈉燈時，平均每盞每年維修成本為（5年內）：600元左右。

應用了50W LED 燈時，5年內不發生維修成本。

年可節約維修成本3600元。

年經濟效益合計：6684元。

4.2 社會效益

與傳統路燈相比，LED 風光互補路燈具備以下優勢：

節能減排，集約環保，無后期大量電費支出。對比傳統路燈，風光互補路燈利用自然中可再生的太陽能和風能，不消耗任何燃料，間接將排放空氣中的污染降低為零。對環境的保護不言而喻，同時也免除了后期大量電費支出的成本。

免除電纜鋪線工程，無需大量供電設施建設。市電照明工程作業程序復雜，纜溝開挖、敷設暗管等基礎工程，需要大量人工。

同時，變壓器、配電柜、配電板等大量電氣設備，也要耗費大量財力。風光互補路燈則無需大量電氣設備，節省人力、財力。

5 結束語

目前，風光互補燈主要適用于風力資源豐富的廣場、寬敞的道路、寬大的庭院空地、道路監控、電信基站、山區海島、林區防火、邊防哨所，鐵（公）路道班等無電、缺電地區的供電照明及倡導環保，為帥先使用綠色能源和新光源的單位。

隨著自然能源消耗的逐年增加，地球上常規能源的貯備越來越少，人類社會已經面臨著能源枯竭的威脅，常規能源使用中造成的環境污染也給人類的未來生活環境罩上了一層陰影，未來我們面臨能源危機和環境危機，故而，推廣綠色能源是社會發展的必然趨勢。

[1]徐云,劉付平,賈平.節能照明系統工程設計[M].北京:中國電力出版社,2010:106-108.

[2]陳凱,羅傳山.風光互補路燈無線傳感器的應用[J].能源研究與利用,2010(8):21-22.