风光能互补庭路灯试验与应用

张海岩（大庆油田矿区服务事业部）

随着人类社会的不停发展以及科学技术的不断进步，人们生活水平的不断提高，对物业管理及居民小区建设也有了更高要求，智能、环保、节能产品也越来越多的受到了人们的关注和青睐。随着用电设备的大量增加，许多城市出现了供电紧张的局面，针对城市道路照明用电逐年上升，利用太阳能和风能新能源，可充分利用清洁能源，并能很好地解决偏远地区道路照明问题。

大庆油田矿区服务事业部所属168个小区和路灯4.09万盏（小区路灯2.55万盏，道路路灯1.54万盏，不含公园广场灯4.73万盏）。目前，大庆市用电基本是火力发电，年发电火力6×108kW h，要消耗23.4×104t标准煤，耗水180×104t，同时，向空气中排放45×104t二氧化碳、0.36×104t二氧化硫、0.27×104t二氧化氮、0.312×104t烟尘，严重浪费资源，污染环境。

风能和太阳能是最常见的自然能源，晴天阳光充足，而阴雨天则风大，夏季阳光照射强度高，而冬天刮风天气多。大庆市位于松嫩平原西部，市区年日照为2632.9h即109d，全市年均风速3.8m/s，年风速≥6级风（10.8~13.8m/s）日数为30d。风时数1800～2200h（即75~91 d），以上数据表明，大庆地区风能与太阳能互补可以为路灯、庭院灯提供充足的能量。

发展风能、太阳能供电，不仅可以节约常规能源，而且有利于环保，是国家政策鼓励发展的方向，是改善能源结构，减少环境污染的有效途径之一；可以有效减少集团电量消耗，降低运行成本，为集团创造巨大的经济效益。

1 技术原理分析

1.1 风光能互补发电系统技术原理

风光互补发电系统是由风力发电机组配合太阳能电池组件组成，通过专用的控制逆变器，将风力发电机输出的低压交流电整流成直流电，并与光伏电池组件输出的直流电汇集在一起，充入蓄电池组，实现稳压、蓄能和逆变全过程[1]，为用户提供稳定的电源（如图1所示）。风光互补发电具备了太阳能产品和风能产品的双重优点，弥补了风能供电或太阳能供电的单一性，采用世界上最为充足的两种自然能源作为互补式供电系统，使供电系统更具安全性、保障性、可靠性。

图1 风光互补发电系统示意图

1.2 风光互补发电系统特点

风光互补发电系统能充分利用大自然中的风能和太阳能资源，通过中小型风力发电机利用风能发电，通过太阳能电池板利用太阳能发电，利用蓄电池储存电能，它的优势在于晴天时太阳能电池板为蓄电池充电，阴雨天时风力机启动为蓄电池充电，能为用电系统提供足够的能源保障。

由于风力发电机和太阳能电池的充电特性不一样，风机的充电特性较快，光伏电池的充电特性较慢，而风光互补充电对激活离子运动，防止蓄电池极板硫化有很大的好处，可以大大延长蓄电池组的寿命。因此风光互补路灯系统较之目前的太阳能发电系统而言，是新能源发电系统中最可靠的一种发电设计方案，亦是最能充分利用自然资源的一种方式。在同等的系统要求下，风光互补系统的造价低于太阳能系统，同时其稳定性和可靠性却高于太阳能系统。

1.3 风光互补庭院灯特点

1）庭院灯设置先进的光控、时控开关装置可根据要求定时开关。

2）光源选用大功率50 W （50颗粒，每个1 W）LED 灯新光源，具有亮度高、安装简便、工作稳定可靠、安装维修方便、使用寿命长、长期回报率高等优点，安装支架根据需要量身定制。

3）每天可以亮灯8~10h，能够在阴雨天气的情况下保证庭院灯系统正常工作2天以上。

2 技术实验与应用

在大庆油田矿区服务事业部万方工程技术设计院原有庭院灯6盏，采用太阳能电池单一供电方式，由于日照时间短以及阴雨天气影响，太阳能电池发电量不足，庭院灯照明时间短，无法满足照明要求，我们结合实际情况对庭院灯供电系统、照明灯具、控制器进行了改造。

2.1 单台风力发电机带动6盏太阳能庭院灯

选取院内风力资源较好的位置，安装一台500W 水平轴风力发电机，通过电缆将风力发电机输出的电能分配给6盏庭院灯，再将分配的电能与原有太阳能电池产生的电能互补为庭院灯供电，此方式的优点是：

1）可采用普通风力发电机组，投资较少。

2）可利用原庭院灯灯杆和基础。

3）便于风力发电机组安装和维护。

缺点是：

1）需要开挖土方铺设输电线路。

2）风力发电机组分别向6组蓄电池充电，充电可靠性差。

2.2 照明灯具更换

原有庭院灯采用低压钠灯为发光源，夜晚发光暗淡，无法满足照明要求，将原有钠灯更换为LED灯。LED 灯所产生的光谱中没有紫外线、红外线，没有热量和辐射，是典型的绿色照明光源，LED 灯高亮度、安全可靠、耗电低，相对于传统钠灯可节能50%以上，使用寿命长，可达3×104h以上；灯罩采用高质量钢化玻璃LED 专用灯罩，具有良好的透光性和防尘防水性，见图2、图3。

图2 改造前庭院灯图

图3 改造后庭院灯图

2.3 智能控制

控制系统分两部分，一部分是太阳能控制器，一部分是风机控制器。各自拥有独立的控制箱。采用微电脑控制，每盏庭院灯各自独立控制，采用光+时间控制方式，当光照强度暗时控制器自动启动庭院灯[2]；当光线强度亮时控制器自动关掉庭院灯，控制箱采用原有庭院灯底座控制箱；能源储存利用原有150 A H/24 V 全封闭免维护铅酸蓄电池组，储存并释放电能。

3 关键技术试验及难点

1）率先试验单台风力发电机带动多盏太阳能庭院灯方式，为以后项目开展提供决策参考。

2）试验采用大功率50 W （50颗粒，每个1 W）LED 灯，为LED 照明提高科学依据。

3）采用双时段控制方式对照明时间进行控制，保证了庭院灯在天黑后及天亮前设定的时间段内开启。

4）项目试验记录。为了科学准确的判定风光互补庭院灯与普通太阳能庭院灯的区别，将6盏庭院灯分成两组，每组3盏，一组为太阳能供电，另一组为风能和太阳能供电，经过为期一个月的观察检测，得出了观测数据见表1，为今后风能和太阳能的综合利用提供了科学参考。

表1 风光能互补庭院灯试验记录

4 综合效益分析

4.1 直接经济效益

节约电费：通常小区道路照明采用250W 高压钠灯，平均每盏灯每年耗电成本为514元。

应用风与光能互补为庭院灯供电时，平均每年耗电成本为零元。

年可以节约电费合计3084元

根据统计，应用250W 高压钠灯时，平均每盏每年维修成本为（5年内）：600元左右。

应用了50W LED 灯时，5年内不发生维修成本。

年可节约维修成本3600元。

年经济效益合计：6684元。

4.2 社会效益

与传统路灯相比，LED 风光互补路灯具备以下优势：

节能减排，集约环保，无后期大量电费支出。对比传统路灯，风光互补路灯利用自然中可再生的太阳能和风能，不消耗任何燃料，间接将排放空气中的污染降低为零。对环境的保护不言而喻，同时也免除了后期大量电费支出的成本。

免除电缆铺线工程，无需大量供电设施建设。市电照明工程作业程序复杂，缆沟开挖、敷设暗管等基础工程，需要大量人工。

同时，变压器、配电柜、配电板等大量电气设备，也要耗费大量财力。风光互补路灯则无需大量电气设备，节省人力、财力。

5 结束语

目前，风光互补灯主要适用于风力资源丰富的广场、宽敞的道路、宽大的庭院空地、道路监控、电信基站、山区海岛、林区防火、边防哨所，铁（公）路道班等无电、缺电地区的供电照明及倡导环保，为帅先使用绿色能源和新光源的单位。

随着自然能源消耗的逐年增加，地球上常规能源的贮备越来越少，人类社会已经面临着能源枯竭的威胁，常规能源使用中造成的环境污染也给人类的未来生活环境罩上了一层阴影，未来我们面临能源危机和环境危机，故而，推广绿色能源是社会发展的必然趋势。

[1]徐云,刘付平,贾平.节能照明系统工程设计[M].北京:中国电力出版社,2010:106-108.

[2]陈凯,罗传山.风光互补路灯无线传感器的应用[J].能源研究与利用,2010(8):21-22.