風光互補技術在路燈改造中的應用研究

云南水利水電職業學院 曹瀚天 黨 鴻 湯春云 李飛霏

風光互補發電技術主要就是通過對風能及太陽能的有效轉化而形成電能，在對風光互補發電技術使用過程中，需根據實際情況合理運用太陽能以及風能。在風光互補發電系統運行的過程中，風機風輪在受到空氣擠壓的情況下可推動風機轉動，隨后收集風能、將風能轉化為電能。所轉化的電能為交流電，在經過路燈穩壓裝置后會轉化為直流電，最終將電能儲存到儲能裝置當中。在風光互補發電系統中的電池板在白晝可自動收集太陽能并轉化為電能，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中。

圖1 風光互補發電技術基本原理

1 風光互補照明系統簡介及相關特點

風光互補路燈照明系統作為目前路燈照明中的重要系統，其主要是以風光互補技術為基礎，整個系統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，該過程中太陽能轉化為電能，并將電能儲存到蓄電池當中。如在白日風力較大情況下風力發電機會自動啟動以收集風能，帶動風力發電機發電，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，此時風力發電機也會提供電能[1]。此外智能控制器還具備良好的泄電功能，能夠在保障風力以及太陽光充足的情況下避免蓄電池在充電期間內造成損壞。在陰雨天氣環境下，智能控制系統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 風光互補發電路燈照明系統

提高經濟效益。在傳統路燈照明系統運行過程中主要依賴地下電纜及市區電能，但由于路燈距離逐漸增加，也就增加電纜線路長度，同時在電力系統運行時，通過電纜傳輸電能會受到電纜電阻的影響，導致電能消耗嚴重，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光互補技術的有效運用，可不需埋設電纜或者架線方式，只需風光互補照明系統中的智能控制器及蓄電池等設備，即可為路燈照明提供良好的能源。風光互補照明系統具備成本低、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濟效益以及社會效益。

綠色環保。風光互補路燈系統在實際運行的過程中，主要是通過利用智能控制系統對電池板及風力發電機加以控制，以此吸收太陽能以及風能，將太陽能和風能轉化為電能為路燈照明提供電力，具備綠色環保特點，對于路燈照明系統運行可提供良好的環境效益；安全性能高。風光互補路燈系統在實際運用的過程中，主要是以蓄電池提供電力，利用風能以及太陽能轉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。在風光互補技術的有效運用下，在電池板及風力發電機的共同使用下，能彌補二者間所存在的缺陷問題，可根據外界環境情況自然而言的收集風能及太陽能，以此實現能源使用多元性特點。

2 風光互補發電系統設備選型

風光互補發電技術在實際應用中，路燈建設單位需對風光互補發電系統各項設備加以分析，其中包含了風力發電機、光伏組件控制器、蓄電池、卸荷器負載等設備。其中風力發電機在實際運行過程中可吸收風能，并將風能轉化為三相交流電，在整流后將其儲存到蓄電池當中。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，整個路燈載明系統具備無污染、可靠、環保等優點。為提高路燈照明亮度，在設備選擇中可選擇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

在風光互補系統中，根據系統實際運行需求，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 為系統放電最小時長，考慮到氣候環境以及天氣情況，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，考慮保證3天無風陰雨天氣下路燈仍可正常工作，所以取3。根據富民縣氣象數據，取t=25℃作為平均溫度。將數據代入到公式中，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，富民校區可采用每組24V/150Ah×2只免維護的鉛酸蓄電池串聯。

2.2 風力發電機

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

2.3 光伏組件

富民縣全年日照2287小時，在路燈風光互補發電系統中，當風能不足的情況下則由光伏晶體板吸收太陽能并轉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為系統日均所需電能，Ht為日均光照時間。通過氣象局相關部門測量數據信息代入，計算得出風光互補系統電池板峰值功率，采用同樣的方法，選用市面上常見的光電轉化效率為70%的太陽能電池板。

2.4 風光互補發電技術在路燈照明中的具體應用

在風光互補發電系統中智能控制器也是關鍵部件，主要是以工業級微處理器進行高速數據處理，以控制風能及太陽能充電放電控制功能，同時還能有效控制風力發電機運行速度實現電磁調速，達到蓄電池防反充電功能，實現過熱、過壓保護功能[2]。智能控制器還可對蓄電池運行加以控制，同時還能對系統負載壓力加以控制，提高路燈照明系統運行質量。

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

對蓄電池的過充、過放和過熱保護的控制：在風光互動發電技術的基礎上，系統通過傳輸信號可自動對蓄電池進行檢測，由風電以及光電系統對蓄電池進行充電，如蓄電池在儲存滿后系統會自動斷開蓄電池回路，隨后接通卸荷器，系統也就不會在繼續為蓄電池進行充電[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。

對風力發電機電磁限速調速的控制：當自然環境下風力較大情況下，超出風光互補發電系統的額定風速時，輸出電壓達到32V 以上的情況下系統通過電磁調速進行有效調速，限制發電機轉速；大規模路燈集群的管理系統：當路燈數量達到一定規模時對路燈的集群管理，可采用ZigBee 無線組網網絡技術實現路燈的節能控制和管理。ZigBee 技術是一種新興的短距離無線通信技術，其網絡拓撲結構可隨意改變，可用于實現對路燈智能監控系統的智能化集群管理，可靠性高、成本低廉。

3 效益分析

3.1 經濟效益

針對校園內現有路燈的調查顯示，富民校區共安裝路燈455盞，其中戶外籃球場、足球場、網球場三個區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。根據學校的路燈開關時間：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。

根據市場調研，目前在市場上主流的一套風光互補發電路燈的配置投資大約在1萬元人民幣左右，風光互補發電系統的使用壽命長達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，全部進行風光互補改造后，按20年內壽命周期計算可節約電費和運行維護費約914-322=582萬元，相對于傳統路燈風光互補發電技術在實際應用中能有效節約路燈電費和運行維護費等成本。

表1 云南水利水電職業學院富民校區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，結合光敏控制和人體感應技術運用ZigBee 無線組網等技術集群控制路燈亮滅時間和功率，這樣還可大幅節約電能損耗、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，除低碳節能、減低費用外，因學院本身計劃開設新能源相關專業，風光互補路燈也更能彰顯學校的專業特色，路燈及其管理控制系統又可成為學校開設相關專業的校內實訓場所，既可作為公用設施設備又可當做實驗教學設施，可謂一舉多得。此外風光互補路燈工作電壓為直流24V，安全性比220的傳統路燈高。還有風光互補路燈除設備本身外，不需電纜埋設、配電設備增容等，配套費用可大幅降低，如果校園擴建還可隨時增加路燈數量而不必考慮增容、電纜鋪設等問題。

綜上，在我國實現雙碳目標的背景下，結合云南“綠色能源牌”戰略，云南水利水電職業學院要搶抓機遇，通過采用風光互補技術對校園路燈進行改造，以此減少電能消耗、減少經濟成本費用，建設低碳校園的同時也為學校著手布局新能源專業奠定基礎。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。