风光互补路灯在桃林口水库技改工程中的应用

田国纯

摘要：桃林口水库路灯照明设施在多年运行中存在着老化严重、运行成本高、耗能大等问题。为彻底改变这个现状，在2008年在路灯改造中，采用了风光互补路灯，充分利用了当地丰富的风能和太阳能绿色能源，经济效益和社会效益显著。

主题词：桃林口水库 风光互补路灯 技术改造 效益

河北省桃林口水库位于秦皇岛市青龙县境内滦河支流青龙河上，是“八五”期间水利部和河北省的重点建设项目，是集城市供水、农业灌溉和水力发电为一体的大（二）型水利枢纽工程。控制流域面积5060km2，总库容8.59亿m3，总投资18亿元。工程于1992年11月5日开工，1998年11月竣工。十多年来，水库管理区内道路照明设施损坏严重，运行成本高，耗能大。针对这种现状，2008年我们对部分路灯进行了技术改造。

1 路灯概况

1.1 路灯原设计情况

桃林口水库库区内交通道路（包括坝顶路面）长约4km，共有路灯63基，其中双光源（250W×2）路灯26基，单光源（250W×1）路灯37基。水库坝面路灯为25基钢管路灯杆，其余38基为水泥路灯杆。路灯用电总负荷为89盏灯共22.25kW，光源设计采用250W高压钠灯，塑料透明灯罩。

1.2 水库路灯运行现状

桃林口水库工程自1998年11月投入运行至今，已经十年，冬季路灯运行时间为18:00至次日7:00，夏季运行时间为20:00至次日6:00，全年路灯运行时间平均时间为每天11h左右。

根据有关资料，高压钠灯平均寿命约只有1000h，每年都要更换灯泡2～3次，才能保证路灯正常运行，而且一般光源距离地面都在10m左右，更换灯泡需要专业设备，管理维护难度较大，费用较高。塑料灯罩耐老化程度差，受外界环境和灯泡发热影响，运行使用一年左右透光性大大降低。灯具密封差导致飞虫和尘土积聚，严重影响路灯照射道路的亮度。

按每年更换两次灯泡计算，价格20元/只，电价0.80元/kW.h，用电效率80％，250W高压钠灯实际功耗为300W，则每年水库路灯运行费（不包括人工费）高达11.1万元，其中材料费0.4万元，电费10.7万元。

另外，水库路灯经过十多年的运行，路灯杆和灯架脱漆、锈蚀比较严重，灯头和灯罩也又不同程度破损，这些老产品配件厂家早已停产，无法维修，彻底更换改造所有路灯势在必行。

2 路灯改造方案设计

2.1 自然资源情况

水库大坝所在位置三道河村，水库管理局办公楼位于二道河村，自古当地就有“二道河的冰、三道河的风”的民谚，意思是说二道河的冰冻得厚、三道河的风力很大。根据当地气象部门提供的资料，水库坝址地处季风气候地区，冷暖空气活动频繁，风向多变，主要盛行西南风和东北风。年平均风速为2.47m/s，最大风速22. 7m/s。4月最大，平均风速为3.6m/s，8月最小，平均风速为1.6m/s。风速的季节变化明显，春季风速大，秋季次之，夏季最小。而且当地日照充足，年日照时数平均为2839.7h，日平均日照时数为7.8h。

2.2风光互补路灯设计

根据当地气象特点，参考秦皇岛市龙源大道建设的经验，桃林口水库路灯改造方案采用风光互补型路灯方案。即采用风力发电机和太阳能光伏组件合理互补配置，将风能和太阳能转变成电能储存在蓄电池内，供路灯照明使用。风光互补路灯见图。

首批完成7基路灯改造，其中坝面更换5基，坝下桥西桥头新建1基，库区南栈道山顶新建1基。

2.2.1 光源选择

在确定光源时，重点对高压汞灯、高压钠灯、金卤灯、LVD无极灯等四种类型光源的亮度、效率、寿命等性能指标进行比较，借鉴秦皇岛市龙源大道路灯实际运行效果，最后选择40W、24V的 LVD无极灯作为路灯光源。LVD无极灯具有寿命超长、节能、环保、无频闪、显色性好、色温可选、可见光比例高、起动电流低、工组电流广、光衰小等特点。

各种光源性能指标见表1。

2.2.2电池组选择

电池组容量确定应综合考虑光源的功率、照明时长、光伏电池和风力发电机的功率因素，科学计算，合理匹配。一般都是按照输入和输出相等，或输入略大于输出的原则进行匹配的。

蓄电池容量过大时，风光发出的能量不能保证及时地给蓄电池充足电，致使蓄电池经常处于亏电状态，缩短蓄电池使用寿命。另外，蓄电池容量大，价格和使用费用随之增大，给经济上也造成不必要的浪费。蓄电池容量过小时，会使蓄电池经常处于过充电状态。蓄电池充足电后，控制器会为风机和光伏电池泻荷，这样就会严重影响风机与光伏电池工作效率。蓄电池长期过充电将会使蓄电池早期损坏，缩短使用寿命。

根据当地多年的气象资料，设计供电电源为连续3日阴天且无风的气候条件下，路灯正常工作。冬至路灯工作时间（17:30至次日7:30）最长14h，路灯额定工作电流1.67A，－15。C时电池充电容量为额定容量63％，放电深度取50％，系统效率95％，蓄电池容量应大于234Ah，选择2块120Ah容量的12V太阳能专用胶体电池。

太阳能专用胶体蓄电池采用独特的胶体技术，其主要技术性能均达到或超过JB/T9653－1999的标准：

（1）密封反应效率大于99％，无需补加水，实现真正的免维护，使用方便，可随意放置，适合各种方式安装。

（2）紧装配设计，体积小、比能量高，寿命长，内阻小，高倍率特性好。

（3）采用特殊合金和铅膏配方，自放电率低，耐深放电和较强容量恢复能力。

（4）电池配方中不含对环境有污染和不易回收的镉物质，真正保证了电池的环保和安全。

（5）采用胶体电解质，具有较宽的使用温度－40℃～60℃，适合于各种环境的户内外使用。

（6）应采用内埋式接线柱，避免因腐蚀、脱落而引起的系统不稳定问题。

（7）胶体添加剂，应适合小电流充电，弱电流充电适应性强。

（8）胶体蓄电池使用寿命应在5年以上，循环次数550次以上。

2.2.3 风力发电机组选择

选择风机原则主要参考其性能指标，启动风速和切入风速越低越好，功率可以根据实际需要来确定。就其安全性而言，首先风机的功率与体重比越大越好，风机叶片直径最好在2米以下（据有关资料统计，小型风机行业中在2米以下叶片直径风机的事故率几乎为零）。其次是风机的抗风强度和制动性能。

根据水库坝址气象资料，选择额定功率400W、额定电压24V的HY-400/DC24V风力发电机组一台。发电机风轮直径1.8m，风叶3片。额定风速12m/s，启动风速2.3m/s，切入点风速2.5m/s，风机工作范围3～25m/s。采用气动失速及电磁制动，主机质量15.2kg。风电转换效率30％左右。

风机叶片采用玻璃纤维加尼龙混合，热压铸成型技术，保证了叶片的一致性，而且在保持叶片足够强度的前提下，有较好的柔性和变形曲复强度。失速型叶片的设计，防止风力发电机出现飞车失控的情况发生。

发电机采用钕铁硼永磁电机，并按B级绝缘和IP55的防护级等级制造，有足够的的过载余量，提高整个风力发电机的可靠性。风力发电机组的结构设计上应采用压铸铝一体化成型结构，把风机的重量降到最低，在充分考虑风机的气动特性要求的前提下，突出外形的美观效果，造型优美。

2.2.4 光伏组件选择

依据日照统计资料，年日照时数平均为2839.7h，日平均日照时数为7.8h，冬季日照时间短，最短每日只有6h，选用2块50WP太阳能电池组件。该光伏电池组件为单晶硅，它的电压范围广，光电转换效率13.6%。

2.2.5 运行方式选择

风光互补路灯运行设计采用光控启闭，其原理是通过智能控制系统记忆前一天的天亮时间，然后系统会自动天黑点亮，如果总运行时间设定小于整夜时长，系统保证天亮前1h 再次点亮运行，天亮后自动熄灭。

3 效益分析

桃林口水库路灯改造可以采取两种方案，第一种采用原高压钠灯光源进行简单的设备重置更换，第二种采用风光互补路灯替代原有路灯，彻底更新改造。下面就这两个方案进行效益比较。

3.1 原有路灯改造效益分析

水库现有路灯距离电源较近，每基路灯分摊的供电电源、电缆、控制系统配套工程费与路灯造价总和约2.3万元，与风光互补路灯基本一致。第一种方案每基十年运行费用为12545元，其中电费12045元，维护费500元；第二种方案只需每5年更换一次电池共3900元，每基十年运行费用只有3900元。风光互补路灯比原有路灯每基十年节约运行费8645元。

3.2 远离电源的山顶新建路灯效益分析

栈道山顶路灯距库区最近电源约1km，采用第一种方案敷设电缆费用3.2万元，而且施工难度很大，电能损失达到20％。每基十年运行费用15556元，其中电费15056元，维护费500元。风光互补路灯可每基节约建设费用3.2万元，每基十年节约运行费11656元。

3.3 生态效益分析

据美国“能量之星”计划中所提出的“终端节能”概念，在能源消费的终端设备或系统上采取节能措施投资1个单位资金，相当于对能源生产投资5～10个单位资金。从这个意义上讲，采用风光互补路灯减少能耗，少见电厂，不但节约大量资金，节约大量煤炭资源，而且还减少大气污染和CO2气体排放。即节能又减排，社会效益显著。

4 结语

（1）桃林口水库投入使用的7基风光互补路灯经过实际运行检验，效果良好。智能控制系统自动关闭路灯，避免了人为控制造成凌晨关闭不及时所造成的电能浪费。

（2）风光互补路灯是一种节能环保型路灯，如果桃林口水库现有63基路灯全部改造成风光互补路灯，每年可节约电能13.4万kWh，节约52.5吨标准煤，节约电费10.72万元。

（3）风光互补路灯在远离电源的道路、公园、山顶等应用具有无比的优越性。

（4）无极灯（电磁感应灯）作为一种新型的绿色电光源，它兼顾了节能、长寿、环保等综合指标，其广泛应用前景将与日俱增，将进一步应用于办公照明。

（5）桃林口水库地处山区，风能和太阳能资源充足，应加大开发这种清洁能源的力度，增强节能减排意识。