袁 亮,尹旭平

(中国市政工程西北设计研究院有限公司,甘肃兰州 730000)

风光互补路灯系统设计验证

袁 亮,尹旭平

(中国市政工程西北设计研究院有限公司,甘肃兰州 730000)

我国作为世界上最大的能源生产国和消费国,随着国际能源格局和经济发展方式的转变,我国节能减排与新能源产业发展将呈现绿色环保的新趋势。随着高光效LED路灯的大规模推广使用,采用风能和太阳能这两种理想的清洁能源作为路灯照明供电电源,成为道路照明节能减排的一种趋势。如何在保证道路照明质量的前提下高效、科学地进行风光互补路灯系统的工程设计及应用,实现道路照明的节能减排工作,是未来道路照明工程技术领域持续探索的方向之一。

风光互补路灯;道路照明;设计验证

0　引言

随着全球能源危机的加剧,各国都在寻求解决能源危机的办法,其中一条重要的方法就是寻求新能源和可再生能源的利用。而太阳能和风能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源。太阳能、风能作为两种取之不尽用之不竭的可再生能源,随着太阳能、风能利用技术的进步,太阳能、风能利用产品逐渐进入人们的日常生活,如太阳能热水器、太阳能路灯、太阳能交通信号灯、风力发电机等设备开始在各行各业逐渐开始规模化应用。

路灯作为现代化城市夜间道路照明的主要设备,把城市的夜晚装点得多姿多彩。但路灯是一个耗电大户。根据国家能源局统计资料,2014年我国全社会用电量55 233亿kW·h,同比增长3.8%「1],若按照明用电量占全国总用电量的12%计算,则2014年我国全年照明用电量为6 627.96亿kW·h,可见照明用电量之大。为节能减排,2009年10月我国向全世界承诺到2020年,中国单位国内生产总值(GDP)的二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%「2]。目前,中国城市化比例仍然低于55%的世界平均水平;远低于发达国家的85%,这意味着将有大量人口入驻城市,中国城市的发展规模将越来越大,中国城市照明的发展前景将更加广阔,节能减排是城市发展的核心,其任务也非常艰巨和繁重。城市照明行业应当在照明节能减排技术应用上做出应有的努力和贡献。

风光互补供电系统是真正意义上的低碳能源系统,在道路照明工程中科学合理的采用风光互补供电系统不但可以简化路灯照明工程的施工安装、而且还能摆脱路灯对电网电能消耗。我国西北、华北、东北地区冬、春季风力强,太阳辐射弱;夏、秋季风力弱,但太阳辐射强,从资源的利用上恰好可以形成互补。风光互补供电系统在供电不便的边远的农牧区、山区、林区、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站有着良好的应用,但在实际工程应用中,风光互补供电系统受气象条件、环境条件的限制也颇多。如项目所在地年平均风速、平均太阳能辐射总量、各季节的平均气温等气象因素;项目所在地是否有高楼、高大乔木,以及山脉遮挡等环境因素。在工程实际应用中为保证风光互补路灯系统可靠工作,必须对项目所在地气象条件,环境条件加以明确,并根据道路等级科学合理的确定照明灯具的功率大小,并根据灯具功率和路灯有效工作时间对风光互补路灯系统进行可靠性验证和有针对性的进行系统设计优化。

1　系统设计原则和方法

在满足道路照明规范指标、有效降低系统造价的前提下,保证风光互补路灯系统最大限度的可靠工作是风光互补路灯系统的最基本的设计原则。风光互补路灯必须满足在发电量最低月份日平均发电量大于负载日耗电量,且蓄电池储能系统能保证负载至少3 d以上的自持天数或大于当地最大连续阴雨天数。

在风光互补路灯系统设计时,首先应收集项目道路的道路等级、路幅划分,以及项目所在地的气象资料、经纬度、地形地貌等相关资料,然后根据《城市道路照明设计标准》(CJJ45)中的相关道路照明指标,确定满足规范要求的LED路灯灯具功率大小、光通量等参数,再根据风光互补路灯系统的负载大小(即计算确定的路灯功率)和工作时间,结合当地气象条件,以及其它相关参数进行太阳能电池组件、风力发电机、蓄电池的选型设计。

在工程实践中,针对某个项目是否适合采用风光互补路灯,首先要评估项目所在地的太阳能、风能资源是否满足风光互补路灯的使用要求。气象资料评估通过以后,方可以进行详细的风光互补路灯照明系统方案设计。

太阳能资源评估主要是根据常年的气象观测资料,按各地接受太阳总辐射量的多少,将全国划分为五类地区。一类地区(太阳能资源丰富带)主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地,二类地区(太阳能资源较富带)主要包括西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部等地「3]。如项目所在地位于太阳能资源丰富带或太阳能资源较丰富带的一类、二类地区,可通过太阳能资源评估,并在通过太阳能资源评估的基础上,根据距地10 m高度年平均风速进行风能资源评估。如果项目所在地年平均风速大于风机切入风速的(一般为.5 m/s),则认为该项目适宜进行风光互补路灯系统设计,可以进行详细的系统方案设计。设计中可对照图1全国1978-2007年平均的总辐射年总量空间分布(kWh/m2)及2014年全国陆面70 m高度年平均风速分布图进行初步评估。

图1　全国1978-2007年平均的总辐射年总量空间分布(kWh/m2)及2014年全国陆面70 m高度年平均风速分布图

2　方案设计和验证

风光互补路灯系统不需要电网供电,而只要采用蓄电池储存风机和光伏组件发出的电能。如何选择合适的风机额定功率、太阳能电池组件额定功率和储能蓄电池容量在方案设计过程当中是人们需要解决的一个重要问题。而实际上由于受灯杆结构强度、风机风轮直径、重量、额定输出电压等诸多因素的限制,可供风光互补路灯系统选择的风机额定功率非常有限。常见的风额定机功率有100 W、200 W、300 W、400 W、500 W、600 W、00 W、1 000 W几种,而800W以上的风机几乎均采用48 V额定电压,系统受路灯恒流源、蓄电池、光伏组件、控制器等元件额定电压的限制,48V额定电压的风机在系统其它设备的选型上存在较难匹配的问题,因此应用并不多;而200 W及以下的小功率风力发电机与光伏发电系统相比经济性欠佳,所以工程中应用较广的风机集中在300W至600 W之间。相比之下光伏组件功率从十几瓦到几百瓦之间有上百种规格可供设计人员选择,对不同功率的灯具负载适应性好。所以实际工程应用当中大多采用风机优先的设计方法,根据负载大小先优先选定风机额定功率。在此基础上再计算选择与风机匹配的光伏组件功率和蓄电池容量等其它元件。

风光互补路灯系统储能蓄电池容量选择参考《光伏发电站设计规范》(GB50797-2012)储能电池容量公式6.5.2进行计算「4]:

式中:CC——储能电池容量,kW·h;

D——最长无日照期间用电时数,h;

F——储能电池放电效率的修正系数(通常为1.05);

P0——平均负荷容量，kW;

U——储能电池放电深度(通常为0.5～0.8);

Ka——包括逆变器等交流回路的损耗率(通常为0.7～0.8)。

在进行储能蓄电池容量计算时,为控制设备投资一般将蓄电池放电深度和交流回路的损耗率均取最大值。

风光互补路灯系统各月份日平均发电量=风机日平均发电量+光伏组件日发电量。其中风机日平均发电量根据各月份日平均风速和选定的风机功率曲线图进行插值计算求得。

现以位于东经103。37＇12″,北纬36。30＇54″的某道路安装的风光互补路灯为例进行分析验证。该风光互补路灯系统配置如下:LED路灯额定功率:110W×1套;风机额定功率:300W×1台;光伏组件额定功率150W×2块(安装倾角44°);蓄电池DC12V200Ah×2块。

水平面单位面积太阳辐射量日平均值采用美国国家航空航天局(NASA)气象数据系统的资料,项目所在地全年月平均气温、水平面太阳能辐射量、10 m高度平均风速详见表1项目所在地各月份气象资料统计表。

表1　项目所在地各月份地气象资料统计表

根据气象资料及设备规格参数,可以计算出各月份风光互补路灯照明系统日平均发电量。其中风机发电量可通过所选300W的风机功率曲线采用插值计算得出,风机功率曲线图见图2所示。

图2　风机功率曲线图

光伏组件日平均发电量参考《光伏发电站设计规范》(GB50797-2012)光伏发电站上网电量计算公式6.6.2进行计算「4]:

式中:Ep——上网发电量,kW·h;

HA——水平面太阳能总辐照量,kW·h/m2(峰值小时数);

PAZ——组件安装容量,kWp;

ES——标准条件下的辐照度(常数=1 kW·h/m2);

K—综合效率系数。

综合效率系数K包括:光伏组件类型修正系数、光伏方阵倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数「4]。综合效率系数K的取值在一般在75%～85%之间。而风光互补路灯发电系统比光伏电站较为简单,且不需要复杂的集电线路、升压变压器等设施因此综合效率系数K取值可按85%计算。

光伏系统发电量由公式6.6.2计算得出。设计过程中使用了PVsyst,模拟了纯光伏路灯的使用情况,并将用公式计算出的光伏系统发电量和PVsyst模拟得到光伏系统发电量分别与插值计算获得的风机发电量相加得到风光互补路灯系统1至12月份各月份日平均发电量。计算结果详见表2风光互补路灯系统各月份日平均发电量计算值与实测值比较表。图3为其曲线图。

从图3各月份日均发电量计算值与实测值曲线图中可以看出2014年1月至12月实测数据与理论计算值的分布趋势:由6.6.2公式计算得到的理论计算值在3月份至9月份与实测值和计算机模拟值之间有较大出入。现初步分析,造成这一结果的主要原因之一是计算时未考虑温度对光伏组件的影响。而根据实验室测定,对于一般的晶体硅太阳电池,在标准测试温度(25℃)以上,温度每升高1℃,太阳电池的转换效率下降0.35%～0.5%「6];其次由于风光互补路灯冬季工作时间长,日照时间短,这就要求必须保证系统的冬季发电量大,相应的光伏组件的倾角设计为44°固定倾角,从而造成春、夏、秋三个季节的实测发电量小于计算值。而采用计算机程序PVsyst模拟获得的结果与实测值有较好的契合度可以较好地反映这一规律。

结合中国气象局风能太阳能资源中心2015年1月发布的中国风能太阳能资源年景公报,2014年全国地面10 m高度年平均风速较近十年平均风速(2004-2013年)偏小3.8%,为近十年来各年平均风速的最小年份;全国地表平均水平面总辐射年辐照量约为 1 492.6 kWh/m2,较近十年(2004-2013年)平均值偏少约8.1 kWh/m2,为近十年来次小年。云量和霾日数增多是地表太阳总辐射量减少的主要原因「6]。

表2　风光互补路灯系统各月份日平均发电量计算值与实测值比较表

图3　各月份日均发电量计算值与实测值曲线图

实测数据与理论计算值间存在较大出入的直接原因除了太阳辐射的随机性之外,还有不同数据源的气象观测数据的出入。而减小这一不确定性的方法除了在计算时采用连续可靠的观测数据外,还应当增加系统的未来使用时间「7]。也就是说,通过计算得到的理论计算值可用于以后的5 a甚至更长一段时间的平均值,该值是一个基于统计数据通过计算获得的理论计算值。

3　结论

风光互补路灯系统设计本质上是一种在限定条件下的计算、预测,在综合考虑系统可靠性、造价等因素的基础上,这样一种计算、预测在一定的程度上有着不可避免的不确定性,而通过采用准确、可靠的历史观测数据和使用精确的计算模型,比如计算机模拟技术的采用,可以得到相对更加准确、细致的结果,从而更好地保障工程设计的适用性、可靠性和科学性。

「1]国家能源局.国家能源局发布2014年全社会用电量「EB/OL]. http://www.nea.gov.cn/2015-01/16/c-133923477.htm.

「2] “十二五”城市绿色照明规划纲要课题组.《“十二五”城市绿色照明规划纲要》研究「M]北京:中国建筑工业出版社,2012.

「3] 中国数字科技馆地球资源博览馆.能源资源.可再生能源.太阳能资源分布「EB/OL].http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/ diqiuziyuan/er2-2-1.htm l，2006.

「4] GB50797-2012. 光伏发电站设计规范「S].

「5] 中国气象局风能太阳能资源中心.太阳能电站运行气象保障「EB/OL].北京:中国气象局风能太阳能资源中心,2015. http: //cwera.cma.gov.cn/Website/index.php ChannelID=131.

「6] 中国气象局风能太阳能资源中心. 中国风能太阳能资源年景公报(2014年)「EB/OL].北京:中国气象局风能太阳能资源中心,2015. http://cwera.cma.gov.cn/Website/index.php ChannelID= 8&NewsID=2278.

「7](西)Antonio Luque，等著.王文静，等译.光伏技术与工程手册「M].北京:机械工业出版社，2011.

U417.9

B

1009-7716(2015)12-0206-04

2015-08-31

袁亮(1979-)，男,甘肃陇西人,高级工程师,从事建筑电气及道路照明工程设计工作。