風(fēng)光互補技術(shù)在路燈改造中的應(yīng)用研究

云南水利水電職業(yè)學(xué)院 曹瀚天 黨 鴻 湯春云 李飛霏

風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)主要就是通過對風(fēng)能及太陽能的有效轉(zhuǎn)化而形成電能，在對風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)使用過程中，需根據(jù)實際情況合理運用太陽能以及風(fēng)能。在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)運行的過程中，風(fēng)機風(fēng)輪在受到空氣擠壓的情況下可推動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，隨后收集風(fēng)能、將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。所轉(zhuǎn)化的電能為交流電，在經(jīng)過路燈穩(wěn)壓裝置后會轉(zhuǎn)化為直流電，最終將電能儲存到儲能裝置當(dāng)中。在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的電池板在白晝可自動收集太陽能并轉(zhuǎn)化為電能，隨后生成直流電直接帶動負載裝置，并將直流電儲存到儲能裝置當(dāng)中。

圖1 風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)基本原理

1 風(fēng)光互補照明系統(tǒng)簡介及相關(guān)特點

風(fēng)光互補路燈照明系統(tǒng)作為目前路燈照明中的重要系統(tǒng)，其主要是以風(fēng)光互補技術(shù)為基礎(chǔ)，整個系統(tǒng)中包含了太陽能電池組、智能控制器以及蓄電池等，在智能控制器的運行期間可自動吸收太陽能，該過程中太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并將電能儲存到蓄電池當(dāng)中。如在白日風(fēng)力較大情況下風(fēng)力發(fā)電機會自動啟動以收集風(fēng)能，帶動風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電，同時電能也能儲存到蓄電池池組中。夜晚路燈在蓄電池的作用下可自動啟動照明系統(tǒng)，此時風(fēng)力發(fā)電機也會提供電能[1]。此外智能控制器還具備良好的泄電功能，能夠在保障風(fēng)力以及太陽光充足的情況下避免蓄電池在充電期間內(nèi)造成損壞。在陰雨天氣環(huán)境下，智能控制系統(tǒng)還能保障蓄電池避免電能影響造成放電，對蓄電池造成破壞。

圖2 風(fēng)光互補發(fā)電路燈照明系統(tǒng)

提高經(jīng)濟效益。在傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)運行過程中主要依賴地下電纜及市區(qū)電能，但由于路燈距離逐漸增加，也就增加電纜線路長度，同時在電力系統(tǒng)運行時，通過電纜傳輸電能會受到電纜電阻的影響，導(dǎo)致電能消耗嚴重，市政所花費的成本也會增加。為減少能源消耗、控制路燈照明成本，在路燈照明中通過對風(fēng)光互補技術(shù)的有效運用，可不需埋設(shè)電纜或者架線方式，只需風(fēng)光互補照明系統(tǒng)中的智能控制器及蓄電池等設(shè)備，即可為路燈照明提供良好的能源。風(fēng)光互補照明系統(tǒng)具備成本低、維護也相對較為簡單，無需人員管理及控制，能有效減少人員效益，從而提高路燈照明經(jīng)濟效益以及社會效益。

綠色環(huán)保。風(fēng)光互補路燈系統(tǒng)在實際運行的過程中，主要是通過利用智能控制系統(tǒng)對電池板及風(fēng)力發(fā)電機加以控制，以此吸收太陽能以及風(fēng)能，將太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能為路燈照明提供電力，具備綠色環(huán)保特點，對于路燈照明系統(tǒng)運行可提供良好的環(huán)境效益；安全性能高。風(fēng)光互補路燈系統(tǒng)在實際運用的過程中，主要是以蓄電池提供電力，利用風(fēng)能以及太陽能轉(zhuǎn)化為直流電可減少蓄電池運行電壓，在實際運行中整體安全性相對較高；能源利用互補性強。在風(fēng)光互補技術(shù)的有效運用下，在電池板及風(fēng)力發(fā)電機的共同使用下，能彌補二者間所存在的缺陷問題，可根據(jù)外界環(huán)境情況自然而言的收集風(fēng)能及太陽能，以此實現(xiàn)能源使用多元性特點。

2 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備選型

風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)在實際應(yīng)用中，路燈建設(shè)單位需對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)各項設(shè)備加以分析，其中包含了風(fēng)力發(fā)電機、光伏組件控制器、蓄電池、卸荷器負載等設(shè)備。其中風(fēng)力發(fā)電機在實際運行過程中可吸收風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為三相交流電，在整流后將其儲存到蓄電池當(dāng)中。路燈則是選擇LED 等，該燈具屬于綠色技能光源，具備光效強、功能低及壽命長等特點，整個路燈載明系統(tǒng)具備無污染、可靠、環(huán)保等優(yōu)點。為提高路燈照明亮度，在設(shè)備選擇中可選擇60W 的白光LED 燈。在蓄電池的作用下路燈照明時間可長達12小時以上，每日所消耗的電能僅為0.72kWh 左右。

2.1 蓄電池

在風(fēng)光互補系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)實際運行需求，在蓄電池類型選擇過程中可選擇鉛酸免維護蓄電池、也可選擇堿性鎳鉻蓄電池，或選擇使用普通鉛酸蓄電池，在蓄電池類型選擇的過程中可充分考慮不同蓄電池的單價，以及對日后路燈系統(tǒng)的維護工作。

蓄電池容量可通過公式Q=ITη[1+0.008(t-25)]對其進行計算，式中Q 代表了蓄電池的容量，I 為路燈系統(tǒng)放電時長的最大負荷電流，通過路燈及控制器等負載計算為3A。T 為系統(tǒng)放電最小時長，考慮到氣候環(huán)境以及天氣情況，以路燈照明日均時長12h 為標準。η 代表蓄電池容量備用系數(shù)，考慮保證3天無風(fēng)陰雨天氣下路燈仍可正常工作，所以取3。根據(jù)富民縣氣象數(shù)據(jù)，取t=25℃作為平均溫度。將數(shù)據(jù)代入到公式中，通過計算蓄電池的計算容量為109Ah。一般蓄電池工作要避免深度放電、做到淺放勤充，考慮安全裕量和蓄電池后期維護方便，富民校區(qū)可采用每組24V/150Ah×2只免維護的鉛酸蓄電池串聯(lián)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機

根據(jù)氣象局相關(guān)測量數(shù)據(jù)研究，近年來富民縣城年平均有風(fēng)時間為175天，日平均有風(fēng)時間為8小時左右，年平均綜合風(fēng)速能達到7.42m/s，表明該地區(qū)風(fēng)力資源較為豐富，故風(fēng)光發(fā)電比例定為6:4。每盞路燈日耗電量為0.72kWh,因此每日至少需風(fēng)機能提供0.43kWh、太陽能電池提供0.3kWh。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機功率情況，經(jīng)計算比較，在實際運用中可選擇FM-FH200風(fēng)力發(fā)電機，路燈立架高度9m 左右，在啟動后，當(dāng)風(fēng)速超過2.5m/s 采取電磁限速調(diào)速方式調(diào)速，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速達到了每分鐘400r、運行額定功率達到了200W 左右，每日平均發(fā)電量為0.48kWh 左右，可滿足路燈風(fēng)力供電。

2.3 光伏組件

富民縣全年日照2287小時，在路燈風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)能不足的情況下則由光伏晶體板吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為電能后給蓄電池組充電，以此確保夜間路燈照明用電。系統(tǒng)運行的過程中，對光伏組峰值功率進行計算采用公式Pm=Ws/(KmHt)。式中，Pm為電池板峰值功率，Ws為系統(tǒng)日均所需電能，Ht為日均光照時間。通過氣象局相關(guān)部門測量數(shù)據(jù)信息代入，計算得出風(fēng)光互補系統(tǒng)電池板峰值功率，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。

2.4 風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)在路燈照明中的具體應(yīng)用

在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中智能控制器也是關(guān)鍵部件，主要是以工業(yè)級微處理器進行高速數(shù)據(jù)處理，以控制風(fēng)能及太陽能充電放電控制功能，同時還能有效控制風(fēng)力發(fā)電機運行速度實現(xiàn)電磁調(diào)速，達到蓄電池防反充電功能，實現(xiàn)過熱、過壓保護功能[2]。智能控制器還可對蓄電池運行加以控制，同時還能對系統(tǒng)負載壓力加以控制，提高路燈照明系統(tǒng)運行質(zhì)量。

路燈開關(guān)的控制和有否過載短路的判斷：在路燈照明系統(tǒng)啟動過程中，主要是通過系統(tǒng)信號傳輸，由光傳感器接收信號，對電子加以檢測，根據(jù)光傳感器信號實現(xiàn)路燈照明關(guān)控開關(guān)。如，在夜晚環(huán)境下，光傳感器在接受信號后即可啟動路燈照明系統(tǒng)，在白天則會自動關(guān)閉路燈照明系統(tǒng)。如在電路中出現(xiàn)過載及短路情況下則由電阻給出信號，從而對路燈系統(tǒng)斷開。

對蓄電池的過充、過放和過熱保護的控制：在風(fēng)光互動發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過傳輸信號可自動對蓄電池進行檢測，由風(fēng)電以及光電系統(tǒng)對蓄電池進行充電，如蓄電池在儲存滿后系統(tǒng)會自動斷開蓄電池回路，隨后接通卸荷器，系統(tǒng)也就不會在繼續(xù)為蓄電池進行充電[3]。在蓄電池放電過程中，如負載較大的情況下，蓄電池溫度在超出85℃時蓄電池則不會再次充電，充電回路也會自動斷開。

對風(fēng)力發(fā)電機電磁限速調(diào)速的控制：當(dāng)自然環(huán)境下風(fēng)力較大情況下，超出風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的額定風(fēng)速時，輸出電壓達到32V 以上的情況下系統(tǒng)通過電磁調(diào)速進行有效調(diào)速，限制發(fā)電機轉(zhuǎn)速；大規(guī)模路燈集群的管理系統(tǒng)：當(dāng)路燈數(shù)量達到一定規(guī)模時對路燈的集群管理，可采用ZigBee 無線組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)路燈的節(jié)能控制和管理。ZigBee 技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可隨意改變，可用于實現(xiàn)對路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的智能化集群管理，可靠性高、成本低廉。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

針對校園內(nèi)現(xiàn)有路燈的調(diào)查顯示，富民校區(qū)共安裝路燈455盞，其中戶外籃球場、足球場、網(wǎng)球場三個區(qū)域使用的是金屬鹵化物燈，單燈功率300W、共計40盞；道路及戶外公共區(qū)域使用的是普通LED燈，分兩種型號：功率100W 的共計170盞，功率75W 的共計245盞。根據(jù)學(xué)校的路燈開關(guān)時間：普通路燈冬季18:30-8：00，夏季19：00-7:00分，綜合平均每天12個小時。由于運動場金屬鹵化物燈日均開燈時間不固定，因此本次改造只考慮普通路燈415盞。

根據(jù)市場調(diào)研，目前在市場上主流的一套風(fēng)光互補發(fā)電路燈的配置投資大約在1萬元人民幣左右，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命長達20年，運行維護費主要是蓄電池的維護費用，按5年更換一次蓄電池、每次2000元計算。在使用傳統(tǒng)路燈的情況下每天所消耗的電能相對較多，由于已運行6年，每盞路燈設(shè)備運維費用達到約1000元/年。通過表1分析可看出，全部進行風(fēng)光互補改造后，按20年內(nèi)壽命周期計算可節(jié)約電費和運行維護費約914-322=582萬元，相對于傳統(tǒng)路燈風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)在實際應(yīng)用中能有效節(jié)約路燈電費和運行維護費等成本。

表1 云南水利水電職業(yè)學(xué)院富民校區(qū)路燈運行費用計算表

此外，路燈改造還須考慮路燈智能化管理，結(jié)合光敏控制和人體感應(yīng)技術(shù)運用ZigBee 無線組網(wǎng)等技術(shù)集群控制路燈亮滅時間和功率，這樣還可大幅節(jié)約電能損耗、電費支出和人工費用。

3.2 其它效益

改造校園路燈，在路燈的壽命周期內(nèi)，除低碳節(jié)能、減低費用外，因?qū)W院本身計劃開設(shè)新能源相關(guān)專業(yè)，風(fēng)光互補路燈也更能彰顯學(xué)校的專業(yè)特色，路燈及其管理控制系統(tǒng)又可成為學(xué)校開設(shè)相關(guān)專業(yè)的校內(nèi)實訓(xùn)場所，既可作為公用設(shè)施設(shè)備又可當(dāng)做實驗教學(xué)設(shè)施，可謂一舉多得。此外風(fēng)光互補路燈工作電壓為直流24V，安全性比220的傳統(tǒng)路燈高。還有風(fēng)光互補路燈除設(shè)備本身外，不需電纜埋設(shè)、配電設(shè)備增容等，配套費用可大幅降低，如果校園擴建還可隨時增加路燈數(shù)量而不必考慮增容、電纜鋪設(shè)等問題。

綜上，在我國實現(xiàn)雙碳目標的背景下，結(jié)合云南“綠色能源牌”戰(zhàn)略，云南水利水電職業(yè)學(xué)院要搶抓機遇，通過采用風(fēng)光互補技術(shù)對校園路燈進行改造，以此減少電能消耗、減少經(jīng)濟成本費用，建設(shè)低碳校園的同時也為學(xué)校著手布局新能源專業(yè)奠定基礎(chǔ)。本文研究成果可對同類院校新建路燈或改造路燈起到很好的借鑒作用。