城市LED路燈照明節電效益分析

劉桂濤，白敬中

（1.孝感學院，湖北 孝感 432000；2.中國市政工程中南設計研究院，武漢 430010）

隨著太陽能光伏技術的發展和進步，太陽能燈具產品在節能環保兩方面具有雙重優勢，太陽能LED路燈在北方光照條件較好的城市道路照明改造上的應用已經越來越廣泛。

LED路燈照明系統采用太陽能電池板系統供電，不需要鋪設復雜管線，節能、環保、使用壽命長，是一種高效的綠色照明系統。本文以某城市道路照明改造成LED路燈照明工程實踐為例，分析改造后的節電效果。

1 工程概況

本工程為某縣城南工業區路口至洛陽橋路燈工程，全長13495 m，道路照明工程已經運行了15年，由于該縣城南邊新修筑了一條Ⅱ級主干道，而且該縣地處北方，太陽光充足日照好，現擬將該道路照明工程改造成太陽能供電LED燈照明。改造前照明標準參照城市Ⅱ級主干道選取，機動車道平均照度按不小于30 lux，均勻度等于0.4設計；照明負荷等級為三級，由縣電網提供10 kV電源，經專用路燈變壓器（SCB10-10/0.38 kV）變壓后，采用220 V向各路燈單相供電；燈具采用雙側對稱布置,為半截光型，仰角12°；光源為高壓鈉燈SON-T250 W；燈桿高度為12 m，安裝間距35 m，并布置在綠化帶中。經統計，高壓鈉燈泡、燈具、鎮流器、啟動器、電容器、熔斷器、燈桿均為770套（支、根），路燈箱式變壓器、路燈控制箱均為9套。改造后原道路照明標準參照城市Ⅱ級次干道選取，機動車道平均照度按照度為20 lux左右，均勻度等于0.35設計，光源為LED燈，并由獨立的光伏電源系統供電，LED燈和光伏電源系統均為770套。

2 太陽能LED路燈系統的構成

圖1為太陽能供電LED路燈系統的結構圖。系統主要由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、LED燈、燈桿等構成。系統不同工作狀態的控制轉換和相應的管理策略由基于單片機的充放電控制電路實現［1］。

圖1 系統結構圖

控制信號為太陽能電池輸出電壓。在白天光照條件下，控制電路檢測到太陽能電池有正常輸出，則開啟充電電路，關閉放電電路，太陽能電池將所接收的光能轉換為電能，經充電電路對蓄電池充電；天黑后，太陽能電池停止工作，輸出端開路，則關閉充電電路，開啟放電電路，蓄電池將儲存的化學能轉換成電能輸出到照明負載［2］。

太陽能電池板是太陽能路燈的核心部分，太陽能電池板是帶有PN結的半導體器件，根據光生伏特原理，能將太陽光能直接轉換成電能［3］。LED作為環保節能型半導體光源，是太陽能路燈最為理想的光源，LED路燈中運用了功率電子技術，設計了驅動器，用于提供穩定的電源；同時設計了高效率增強以及超節能脈沖寬度調變（PWM）2種輸出模式，配合時間控制，可以在需要的時候（上半夜天黑人多車多的時候）以高效率增強模式點亮LED路燈，提供良好的照明，而其它時間段（后半夜人車稀少的時候）則以超節能模式輸出，節約蓄電池的電力的消耗，延長路燈工作時間［4］。

3 效益分析［4—6］

改造前，采用高壓鈉燈進行城市道路照明，經計算初投資相對較少，但需對光源和鎮流器進行更換和維護，而且因道路照明時間很長（10 h/晚），需要消耗大量市政電網供給的電能，后期費用大。改造后，道路照明采用太陽能電池板系統供電的LED燈進行照明，若太陽能供電LED路燈系統成本以桿高每米1000元計算，初投資比較大，但城市道路照明完全不需要市政電網供給電能，能節約大量電能，后期費用小。

3.1 改造前采用高壓鈉燈照明所需設備材料

根據設計圖紙統計，改造前采用高壓鈉燈照明所需設備材料如表1所示。

表1 使用高壓鈉燈照明時所需設備材料

3.2 改造后所需設備材料

根據設計圖紙統計，改造后采用LED路燈照明所需設備材料如表2所示。

表2 使用LED路燈照明時所需設備材料

3.3 高壓鈉燈與LED路燈成本分析

高壓鈉燈的使用期是10000 h，LED路燈的使用期是50000 h，按照每天10 h照明計算，LED路燈可使用13.7年，是高壓鈉燈的5倍。在LED路燈使用期內其蓄電池需更換4次（3.5年更換一次，單價為455元/只），高壓鈉燈泡和鎮流器需更換5次（高壓鈉燈泡和鎮流器共計200元/只，人工機械費每次200元/只），結合表1和表2中的數據，該道路安裝2種路燈的成本如表3所示。

3.4 節電量

該道路每天共照明10 h，按每年365 d計算，770套300 W高壓鈉燈（含鎮流器損耗50 W）一年的節電量為843150 kWh。太陽能LED路燈的壽命為13.7年，則在13.7年內用太陽能LED路燈代替高壓鈉燈一共可節電1155.12萬kWh。

3.5 經濟效益

近期按電價0.9元/kWh計算，一年可節約電費支出75.88萬元。在太陽能LED路燈有效使用期13.7年內，若考慮電價上漲因素，按平均電價1.65元/kWh計算，未來13.7年預計可節約電費支出約1905.94萬元。若不計算太陽能LED路燈蓄電池更換的費用，太陽能LED路燈比高壓鈉燈多投資582.41萬元，用節約電費與之比較，則4.18年即可收回多投資部分。由表3可知太陽能LED路燈比高壓鈉燈投資成本多支出722.55萬元（含蓄電池更換費用），扣除多余支出，13.7年內實際節約資金1183.39萬元。

表3 高壓鈉燈與太陽能LED路燈成本分析表 萬元

3.6 社會效益

以燃燒煤炭的火力發電為參考，計算節電的社會效益。根據統計：每節約1kWh電，就相應節約了0.4 kgce，同時減少污染排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳（CO2）、0.03 kg二氧化硫（SO2）、0.015 kg氮氧化物（NOx）。按13.7年內節電1155.12 kWh計算，則可節約4620.48 tce，同時減少污染排放3141.93 t碳粉塵、11516.55 t二氧化碳（CO2）、346.54 t二氧化硫（SO2）、173.27 t氮氧化物（NOx）。

［1］吳波，盛戈皞,曾奕，等.多電池組太陽能光伏系統的設計與應用［J］.電力電子技術，2008（2）：45-47.

［2］吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.獨立光伏照明系統中的能量管理控制［J］.中國電機工程學報，2005（22）：68-72.

［3］趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［4］劉桂濤，白敬中.太陽能LED路燈在道路照明中的應用［J］.孝感學院學報，2009（6）：74-76.

［5］王建華，王金安.高效電子鎮流器在超市節能照明中的應用［J］.電力需求側管理，2008（4）：46-47.

［6］童顯海，曾武，丁航，等.中國綠色照明工程節電效果和經濟效益統計計算方法的研究［J］.中國照明電器，2003（1）：22-23.