風光互補路燈應用效益考察與分析

清華大學深圳研究生院電力系統國家重點實驗室深圳研究室 ■ 徐政 廣銳 吳貞龍

0 引言

在眾多可再生能源中，風能和太陽能具有清潔、分布廣、儲量大及開發成本低等優點，相關技術最成熟，行業最具規?；?。我國幅員遼闊，資源分布不均勻，經濟發展不平衡，風能與太陽能應用的開拓方向應有別于發達國家，分布式、離網型電源系統更符合國內市場需求，綜合效益良好。由于風能和太陽能具有波動性和間歇性，又具有天然的互補性，采用風光互補發電技術能有效地提高系統供電安全性與穩定性，減小離網系統儲能設備容量，降低建設與運行成本。

關于風光互補發電技術的研究已取得大量的研究成果，也得到了越來越多的應用[1]。其中，風光互補路燈是最為典型的應用形式[2]，通常與功耗較低的LED燈具相結合，組成離網型照明系統，以節省架設供電線路的投資和工程。

近年來，在城市道路照明系統中也不斷引入風光互補+市電的路燈方案，以減小低壓照明線路的電能損耗，達到新能源利用和節能減排的目的。但是，筆者通過觀察國內多個城市中風光互補路燈的運行狀況，發現普遍存在運行效果不佳的現象，主要原因是市區內風能資源較差，且高層建筑顯著影響風速和風向。有些沿盤山公路而設的風光互補路燈，風與光照條件都受地勢影響，遠未達到預期的運行效果。因此，需加強實際運行效益的評估。另一方面，隨著光伏組件價格的大幅降低，系統優化配置的技術和經濟指標發生了很大變化，需重新論證系統方案。

本文對一個已建風光互補路燈工程的實際運行狀況進行考察與評估，通過系統方案對比、投資效益分析及運行狀態評估，指出實際應用中存在的問題，并對幾種具有代表性的微型風力發電機進行測試和比較，探討改進的可能性，為今后的推廣應用提供客觀的依據和建議。

1 應用案例考察與評估

1.1 系統概況

圖1為在南方某濱海城市已建成的兩個風光互補路燈系統工程，采用不同類型的風力發電機。本文主要針對圖1a所示的系統進行研究。作為節能改造項目，在一條靠近海灣的主干道(全長近20 km，東西走向，雙向8～10車道)部分路段的中間隔離帶上換裝了229套單桿雙燈雙光源風光互補高效節能路燈。

圖1 項目現場實景

表1為系統主要配置，由于采用新型節能光源，每根電桿光源總功率為910 W，比改造前大幅降低，而光通量卻有所提升，不同色溫雙光源產生自然柔和的路面視覺效果。其中光源1功率較大，利用原有照明供電線路，完全由市電供電；光源2功率較小，采用市電與風光互補雙重供電方式，選用多晶硅光伏組件和水平軸三葉片風力發電機。

表1 系統主要配置

1.2 運行狀況考察

該系統建成后，由于最為直觀的風力發電機大部分處于靜止不動的狀態，不斷遭到市民及媒體的質疑。為此，受相關部門委托，進行了持續1年的現場考察，共積累73天數據，統計結果如表2所示。圖2為各月平均運轉率(運轉臺數/總臺數)，表明大部分風機處于靜止或低速旋轉狀態，全年平均僅有84臺(36.7%)風力發電機處于轉動狀態，一半以上風力機不轉的天數比例高達69.9%，不僅發電量低，也未能發揮新能源的宣傳和示范作用。

作為對比，同時考察了圖1b所示垂直軸風力發電機(58臺)的運行狀況，平均有70%的風力發電機處于轉動狀態，表明低風速時垂直軸風力發電機直觀運行效果較好。

1.3 系統效益分析

風能與太陽能資源是否充足，直接影響風光互補路燈的運行狀況和效益。一般推薦使用的資源條件為：年平均風速大于3.5 m/s，年太陽輻射量大于5 000 MJ/m2。根據氣象資料，該項目所在地的太陽能資源一般，年太陽輻射量為5 225 MJ/m2；而風能資源貧乏，全年平均風速僅為2.7 m/s。依此可以推測，風電部分將難以獲得預期的運行效果。

表2 現場調研統計結果

圖2 實測月均運轉率

因為采用雙重供電方式，市電已基本保證了在各種氣象條件下系統運行的可靠性，所以只需對系統配置的全年平均運行效益進行評估。

負載需求：兩盞140 W光源每天平均通電時間按10 h計算，則需電能2.8 kWh。

太陽能發電：經過長期實驗驗證，該地區每WP太陽電池的全年發電能力約為1.15 kWh，則每個燈桿上太陽能年發電量為368 kWh，平均每天約1 kWh，晴天條件下，最高可發電1.5 kWh。

風力發電：使用威布爾分布表述的風速概率密度函數為[3]：

式中：v為風速；f(v)為該風速對應的概率密度；k為形狀參數；c為平均風速。取k=2，c=2.7 m/s，則風速概率密度曲線如圖3所示。

圖3 風速概率密度函數

根據風力機空氣動力學特性[4]，其輸出功率為：

式中：Cp為風能利用系數；ρ為空氣密度，kg/m3；A為風力機葉片掃風面積，m2。在最佳運行狀態下，輸出功率與風速的三次方成正比。由于采用了額定功率Prated為400 W的風力發電機，并通過加長葉片使額定風速vrated降至8 m/s，假定切入風速為2.5 m/s，切出風速為12 m/s，則平均發電功率為：

全年發電量約為157 kWh，平均每天0.43 kWh。

白天太陽電池及風力發電機所發出的電能將全部儲存于蓄電池中，夜間風力發電機可直接向負載供電。因此，平均每天蓄電池的充電量約為1.25 kWh，風力發電機直接向光源供電0.18 kWh。

儲能：兩個蓄電池串聯后形成24 V/200 Ah的儲能單元，由于每天都要經歷一次充放電循環，為了保證蓄電池的使用壽命，最好將充放電量控制在蓄電池容量的25%(1.2 kWh)以內[5]，與風電和光電發電環節的平均白天發電量基本吻合。

綜合上述分析，在比較理想的運行條件下，風光互補系統全年平均能向光源2提供約50%的電能。但是，考慮到氣象條件變化及蓄電池充放電管理等影響，估計可向負載提供約40%的電能。由此可知，該項目通過選用新型光源，達到了節能的目的；太陽能供電能產生一定的效益，但示范作用更大。如果按照8元/WP的建設和運行成本、1.0元/kWh的回報率計算，需近7年的時間方能收回成本；風力發電的效益很差，以每臺風力發電機3000元的單價計算，成本回收期超過19年。如果涉及蓄電池的費用，成本回收期將更長。

2 系統配置優化設計

2.1 微型風力發電機運行特性

適用于風光互補路燈的微型風力發電機有多種類型，目前較常用、具有代表性的如圖4所示。

圖4 幾種微型風力發電機

水平軸風力機理論體系完備，產品技術成熟，發電效率高，但需根據風向調整風輪方向，風向多變時，影響發電量。常見的水平軸風力機有三葉片、五葉片和六葉片，多葉片適用于弱風地帶。

垂直軸風力機是近年來研究的熱點[6-9]，風輪轉軸與風向成直角，可接受來自任何方向的風，不需要調向裝置。DS型采用組合曲線翼，低風速時依靠內側S型葉片捕獲風能，啟動風速低；高風速時主要依靠外側D型葉片，發電效率高。H型采用直線翼，風輪的轉速上升快，發電曲線比較飽滿。

選擇6款較為暢銷的國產機型作為測試和比較對象，表3為廠家提供的規格參數。利用風洞試驗平臺，測試實際應用中最關心的幾項性能。圖5為風力發電機輸出功率隨風速變化的實測結果，其中，圖5a為最大發電功率，圖5b為向24 V蓄電池充電的實際發電功率。表4為額定功率、啟動風速和能向24 V蓄電池充電的最低風速的實測結果。

對照表3和表4可知，水平軸風機1和2的實測功率與標稱額定功率基本相符，產品質量可靠。其余4臺垂直軸風機在額定風速下的實測輸出功率遠低于標稱值，尤其是風機4，基本不具備發電能力；風機1、2和6最佳運行狀態所對應的輸出電壓較高，高風速時，受蓄電池電壓鉗位的影響，實際充電功率遠低于最大功率；實測啟動風速普遍高于標稱值，其中風機6轉動慣量最大，實際啟動風速遠高于標稱值；向蓄電池充電的最低有效風速均超過3 m/s，由此可見，垂直軸風力發電機并不一定能真正提高低風速條件下的風能利用效率。

表3 被試風力發電機標稱規格

圖5 實測輸出功率

表4 實驗結果

2.2 選型與配置

早期風光互補路燈的技術開發與推廣應用基于兩個重要背景，一是風能與太陽能的互補性，二是光伏組件的價格遠高于風力發電機。通過系統的合理配置，能實現較高性價比。但近十年來，風力發電機的價格沒有太大變化，1臺300 W風力發電機的市場價格約為3 000元，而光伏組件的市場價格則由約40元/WP降至約5元/WP。這種成本的變化，不僅影響系統配置方案，也決定今后的發展方向。根據上述樣機測試與考察分析，在實際推廣應用中需遵守以下幾條原則：

1) 加強項目的可行性研究，減少盲目性和片面性，太陽能和風能資源必須滿足要求，確保規劃和實施方案的實際效果。

2) 選擇風速較高的開闊地帶，盡可能采用離網型方案，通過節省架線成本，提高系統的經濟性。高樓林立的市區不適宜使用風光互補路燈。

3) 優先選用傳統水平軸風力發電機，強風地區選用三葉片機型，弱風地區選用五葉片機型。目前垂直軸風力發電機產品的性能和質量較差，還需加大研發投入，加強市場監管，確保產品質量。

4) 微型風力發電機的價格約為相同標稱功率光伏組件的兩倍，即使在平均風速為6 m/s的強風地區，兩者的年發電量相當，表明微型風力發電機的綜合發電成本遠高于光伏發電，太陽能路燈是更合理的選擇，也是未來的發展趨勢。

3 結論

風光互補路燈能根據風能和太陽能的特點，實現對這兩種可再生能源的綜合利用，在風能和太陽能資源充足、無現成供電線路地帶具有推廣應用價值。但是，實際應用中普遍存在運行效果不佳的問題，主要原因為：一是項目的可行性研究不夠，現場的資源先天不足；二是配套設備的產品質量參差不齊，尤其是垂直軸風力發電機產品的性能較差。需加大研發投入，提高產品質量，加強市場監管，建立和完善第三方認證制度。同時，由于光伏組件價格的急劇下降，使得太陽能路燈具有更好的經濟性和應用前景。

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