風光互補路燈系統(tǒng)設計驗證

袁 亮,尹旭平

(中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

風光互補路燈系統(tǒng)設計驗證

袁 亮,尹旭平

(中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

我國作為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國,隨著國際能源格局和經(jīng)濟發(fā)展方式的轉變,我國節(jié)能減排與新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展將呈現(xiàn)綠色環(huán)保的新趨勢。隨著高光效LED路燈的大規(guī)模推廣使用,采用風能和太陽能這兩種理想的清潔能源作為路燈照明供電電源,成為道路照明節(jié)能減排的一種趨勢。如何在保證道路照明質(zhì)量的前提下高效、科學地進行風光互補路燈系統(tǒng)的工程設計及應用,實現(xiàn)道路照明的節(jié)能減排工作,是未來道路照明工程技術領域持續(xù)探索的方向之一。

風光互補路燈;道路照明;設計驗證

0　引言

隨著全球能源危機的加劇,各國都在尋求解決能源危機的辦法,其中一條重要的方法就是尋求新能源和可再生能源的利用。而太陽能和風能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源。太陽能、風能作為兩種取之不盡用之不竭的可再生能源,隨著太陽能、風能利用技術的進步,太陽能、風能利用產(chǎn)品逐漸進入人們的日常生活,如太陽能熱水器、太陽能路燈、太陽能交通信號燈、風力發(fā)電機等設備開始在各行各業(yè)逐漸開始規(guī)模化應用。

路燈作為現(xiàn)代化城市夜間道路照明的主要設備,把城市的夜晚裝點得多姿多彩。但路燈是一個耗電大戶。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計資料,2014年我國全社會用電量55 233億kW·h,同比增長3.8%「1],若按照明用電量占全國總用電量的12%計算,則2014年我國全年照明用電量為6 627.96億kW·h,可見照明用電量之大。為節(jié)能減排,2009年10月我國向全世界承諾到2020年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%「2]。目前,中國城市化比例仍然低于55%的世界平均水平;遠低于發(fā)達國家的85%,這意味著將有大量人口入駐城市,中國城市的發(fā)展規(guī)模將越來越大,中國城市照明的發(fā)展前景將更加廣闊,節(jié)能減排是城市發(fā)展的核心,其任務也非常艱巨和繁重。城市照明行業(yè)應當在照明節(jié)能減排技術應用上做出應有的努力和貢獻。

風光互補供電系統(tǒng)是真正意義上的低碳能源系統(tǒng),在道路照明工程中科學合理的采用風光互補供電系統(tǒng)不但可以簡化路燈照明工程的施工安裝、而且還能擺脫路燈對電網(wǎng)電能消耗。我國西北、華北、東北地區(qū)冬、春季風力強,太陽輻射弱;夏、秋季風力弱,但太陽輻射強,從資源的利用上恰好可以形成互補。風光互補供電系統(tǒng)在供電不便的邊遠的農(nóng)牧區(qū)、山區(qū)、林區(qū)、公路和鐵路信號站、地質(zhì)勘探和野外考察工作站有著良好的應用,但在實際工程應用中,風光互補供電系統(tǒng)受氣象條件、環(huán)境條件的限制也頗多。如項目所在地年平均風速、平均太陽能輻射總量、各季節(jié)的平均氣溫等氣象因素;項目所在地是否有高樓、高大喬木,以及山脈遮擋等環(huán)境因素。在工程實際應用中為保證風光互補路燈系統(tǒng)可靠工作,必須對項目所在地氣象條件,環(huán)境條件加以明確,并根據(jù)道路等級科學合理的確定照明燈具的功率大小,并根據(jù)燈具功率和路燈有效工作時間對風光互補路燈系統(tǒng)進行可靠性驗證和有針對性的進行系統(tǒng)設計優(yōu)化。

1　系統(tǒng)設計原則和方法

在滿足道路照明規(guī)范指標、有效降低系統(tǒng)造價的前提下,保證風光互補路燈系統(tǒng)最大限度的可靠工作是風光互補路燈系統(tǒng)的最基本的設計原則。風光互補路燈必須滿足在發(fā)電量最低月份日平均發(fā)電量大于負載日耗電量,且蓄電池儲能系統(tǒng)能保證負載至少3 d以上的自持天數(shù)或大于當?shù)刈畲筮B續(xù)陰雨天數(shù)。

在風光互補路燈系統(tǒng)設計時,首先應收集項目道路的道路等級、路幅劃分,以及項目所在地的氣象資料、經(jīng)緯度、地形地貌等相關資料,然后根據(jù)《城市道路照明設計標準》(CJJ45)中的相關道路照明指標,確定滿足規(guī)范要求的LED路燈燈具功率大小、光通量等參數(shù),再根據(jù)風光互補路燈系統(tǒng)的負載大小(即計算確定的路燈功率)和工作時間,結合當?shù)貧庀髼l件,以及其它相關參數(shù)進行太陽能電池組件、風力發(fā)電機、蓄電池的選型設計。

在工程實踐中,針對某個項目是否適合采用風光互補路燈,首先要評估項目所在地的太陽能、風能資源是否滿足風光互補路燈的使用要求。氣象資料評估通過以后,方可以進行詳細的風光互補路燈照明系統(tǒng)方案設計。

太陽能資源評估主要是根據(jù)常年的氣象觀測資料,按各地接受太陽總輻射量的多少,將全國劃分為五類地區(qū)。一類地區(qū)(太陽能資源豐富帶)主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地,二類地區(qū)(太陽能資源較富帶)主要包括西藏東南部、新疆南部、青海東部、寧夏南部、甘肅中部、內(nèi)蒙古、山西北部、河北西北部等地「3]。如項目所在地位于太陽能資源豐富帶或太陽能資源較豐富帶的一類、二類地區(qū),可通過太陽能資源評估,并在通過太陽能資源評估的基礎上,根據(jù)距地10 m高度年平均風速進行風能資源評估。如果項目所在地年平均風速大于風機切入風速的(一般為.5 m/s),則認為該項目適宜進行風光互補路燈系統(tǒng)設計,可以進行詳細的系統(tǒng)方案設計。設計中可對照圖1全國1978-2007年平均的總輻射年總量空間分布(kWh/m2)及2014年全國陸面70 m高度年平均風速分布圖進行初步評估。

圖1　全國1978-2007年平均的總輻射年總量空間分布(kWh/m2)及2014年全國陸面70 m高度年平均風速分布圖

2　方案設計和驗證

風光互補路燈系統(tǒng)不需要電網(wǎng)供電,而只要采用蓄電池儲存風機和光伏組件發(fā)出的電能。如何選擇合適的風機額定功率、太陽能電池組件額定功率和儲能蓄電池容量在方案設計過程當中是人們需要解決的一個重要問題。而實際上由于受燈桿結構強度、風機風輪直徑、重量、額定輸出電壓等諸多因素的限制,可供風光互補路燈系統(tǒng)選擇的風機額定功率非常有限。常見的風額定機功率有100 W、200 W、300 W、400 W、500 W、600 W、00 W、1 000 W幾種,而800W以上的風機幾乎均采用48 V額定電壓,系統(tǒng)受路燈恒流源、蓄電池、光伏組件、控制器等元件額定電壓的限制,48V額定電壓的風機在系統(tǒng)其它設備的選型上存在較難匹配的問題,因此應用并不多;而200 W及以下的小功率風力發(fā)電機與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比經(jīng)濟性欠佳,所以工程中應用較廣的風機集中在300W至600 W之間。相比之下光伏組件功率從十幾瓦到幾百瓦之間有上百種規(guī)格可供設計人員選擇,對不同功率的燈具負載適應性好。所以實際工程應用當中大多采用風機優(yōu)先的設計方法,根據(jù)負載大小先優(yōu)先選定風機額定功率。在此基礎上再計算選擇與風機匹配的光伏組件功率和蓄電池容量等其它元件。

風光互補路燈系統(tǒng)儲能蓄電池容量選擇參考《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》(GB50797-2012)儲能電池容量公式6.5.2進行計算「4]:

式中:CC——儲能電池容量,kW·h;

D——最長無日照期間用電時數(shù),h;

F——儲能電池放電效率的修正系數(shù)(通常為1.05);

P0——平均負荷容量，kW;

U——儲能電池放電深度(通常為0.5～0.8);

Ka——包括逆變器等交流回路的損耗率(通常為0.7～0.8)。

在進行儲能蓄電池容量計算時,為控制設備投資一般將蓄電池放電深度和交流回路的損耗率均取最大值。

風光互補路燈系統(tǒng)各月份日平均發(fā)電量=風機日平均發(fā)電量+光伏組件日發(fā)電量。其中風機日平均發(fā)電量根據(jù)各月份日平均風速和選定的風機功率曲線圖進行插值計算求得。

現(xiàn)以位于東經(jīng)103。37＇12″,北緯36。30＇54″的某道路安裝的風光互補路燈為例進行分析驗證。該風光互補路燈系統(tǒng)配置如下:LED路燈額定功率:110W×1套;風機額定功率:300W×1臺;光伏組件額定功率150W×2塊(安裝傾角44°);蓄電池DC12V200Ah×2塊。

水平面單位面積太陽輻射量日平均值采用美國國家航空航天局(NASA)氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)的資料,項目所在地全年月平均氣溫、水平面太陽能輻射量、10 m高度平均風速詳見表1項目所在地各月份氣象資料統(tǒng)計表。

表1　項目所在地各月份地氣象資料統(tǒng)計表

根據(jù)氣象資料及設備規(guī)格參數(shù),可以計算出各月份風光互補路燈照明系統(tǒng)日平均發(fā)電量。其中風機發(fā)電量可通過所選300W的風機功率曲線采用插值計算得出,風機功率曲線圖見圖2所示。

圖2　風機功率曲線圖

光伏組件日平均發(fā)電量參考《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》(GB50797-2012)光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量計算公式6.6.2進行計算「4]:

式中:Ep——上網(wǎng)發(fā)電量,kW·h;

HA——水平面太陽能總輻照量,kW·h/m2(峰值小時數(shù));

PAZ——組件安裝容量,kWp;

ES——標準條件下的輻照度(常數(shù)=1 kW·h/m2);

K—綜合效率系數(shù)。

綜合效率系數(shù)K包括:光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉換效率修正系數(shù)「4]。綜合效率系數(shù)K的取值在一般在75%～85%之間。而風光互補路燈發(fā)電系統(tǒng)比光伏電站較為簡單,且不需要復雜的集電線路、升壓變壓器等設施因此綜合效率系數(shù)K取值可按85%計算。

光伏系統(tǒng)發(fā)電量由公式6.6.2計算得出。設計過程中使用了PVsyst,模擬了純光伏路燈的使用情況,并將用公式計算出的光伏系統(tǒng)發(fā)電量和PVsyst模擬得到光伏系統(tǒng)發(fā)電量分別與插值計算獲得的風機發(fā)電量相加得到風光互補路燈系統(tǒng)1至12月份各月份日平均發(fā)電量。計算結果詳見表2風光互補路燈系統(tǒng)各月份日平均發(fā)電量計算值與實測值比較表。圖3為其曲線圖。

從圖3各月份日均發(fā)電量計算值與實測值曲線圖中可以看出2014年1月至12月實測數(shù)據(jù)與理論計算值的分布趨勢:由6.6.2公式計算得到的理論計算值在3月份至9月份與實測值和計算機模擬值之間有較大出入?，F(xiàn)初步分析,造成這一結果的主要原因之一是計算時未考慮溫度對光伏組件的影響。而根據(jù)實驗室測定,對于一般的晶體硅太陽電池,在標準測試溫度(25℃)以上,溫度每升高1℃,太陽電池的轉換效率下降0.35%～0.5%「6];其次由于風光互補路燈冬季工作時間長,日照時間短,這就要求必須保證系統(tǒng)的冬季發(fā)電量大,相應的光伏組件的傾角設計為44°固定傾角,從而造成春、夏、秋三個季節(jié)的實測發(fā)電量小于計算值。而采用計算機程序PVsyst模擬獲得的結果與實測值有較好的契合度可以較好地反映這一規(guī)律。

結合中國氣象局風能太陽能資源中心2015年1月發(fā)布的中國風能太陽能資源年景公報,2014年全國地面10 m高度年平均風速較近十年平均風速(2004-2013年)偏小3.8%,為近十年來各年平均風速的最小年份;全國地表平均水平面總輻射年輻照量約為 1 492.6 kWh/m2,較近十年(2004-2013年)平均值偏少約8.1 kWh/m2,為近十年來次小年。云量和霾日數(shù)增多是地表太陽總輻射量減少的主要原因「6]。

表2　風光互補路燈系統(tǒng)各月份日平均發(fā)電量計算值與實測值比較表

圖3　各月份日均發(fā)電量計算值與實測值曲線圖

實測數(shù)據(jù)與理論計算值間存在較大出入的直接原因除了太陽輻射的隨機性之外,還有不同數(shù)據(jù)源的氣象觀測數(shù)據(jù)的出入。而減小這一不確定性的方法除了在計算時采用連續(xù)可靠的觀測數(shù)據(jù)外,還應當增加系統(tǒng)的未來使用時間「7]。也就是說,通過計算得到的理論計算值可用于以后的5 a甚至更長一段時間的平均值,該值是一個基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過計算獲得的理論計算值。

3　結論

風光互補路燈系統(tǒng)設計本質(zhì)上是一種在限定條件下的計算、預測,在綜合考慮系統(tǒng)可靠性、造價等因素的基礎上,這樣一種計算、預測在一定的程度上有著不可避免的不確定性,而通過采用準確、可靠的歷史觀測數(shù)據(jù)和使用精確的計算模型,比如計算機模擬技術的采用,可以得到相對更加準確、細致的結果,從而更好地保障工程設計的適用性、可靠性和科學性。

「1]國家能源局.國家能源局發(fā)布2014年全社會用電量「EB/OL]. http://www.nea.gov.cn/2015-01/16/c-133923477.htm.

「2] “十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要課題組.《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》研究「M]北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

「3] 中國數(shù)字科技館地球資源博覽館.能源資源.可再生能源.太陽能資源分布「EB/OL].http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/ diqiuziyuan/er2-2-1.htm l，2006.

「4] GB50797-2012. 光伏發(fā)電站設計規(guī)范「S].

「5] 中國氣象局風能太陽能資源中心.太陽能電站運行氣象保障「EB/OL].北京:中國氣象局風能太陽能資源中心,2015. http: //cwera.cma.gov.cn/Website/index.php ChannelID=131.

「6] 中國氣象局風能太陽能資源中心. 中國風能太陽能資源年景公報(2014年)「EB/OL].北京:中國氣象局風能太陽能資源中心,2015. http://cwera.cma.gov.cn/Website/index.php ChannelID= 8&NewsID=2278.

「7](西)Antonio Luque，等著.王文靜，等譯.光伏技術與工程手冊「M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

U417.9

B

1009-7716(2015)12-0206-04

2015-08-31

袁亮(1979-)，男,甘肅隴西人,高級工程師,從事建筑電氣及道路照明工程設計工作。