风光互补路灯应用效益考察与分析

清华大学深圳研究生院电力系统国家重点实验室深圳研究室 ■ 徐政 广锐 吴贞龙

0 引言

在众多可再生能源中，风能和太阳能具有清洁、分布广、储量大及开发成本低等优点，相关技术最成熟，行业最具规模化。我国幅员辽阔，资源分布不均匀，经济发展不平衡，风能与太阳能应用的开拓方向应有别于发达国家，分布式、离网型电源系统更符合国内市场需求，综合效益良好。由于风能和太阳能具有波动性和间歇性，又具有天然的互补性，采用风光互补发电技术能有效地提高系统供电安全性与稳定性，减小离网系统储能设备容量，降低建设与运行成本。

关于风光互补发电技术的研究已取得大量的研究成果，也得到了越来越多的应用[1]。其中，风光互补路灯是最为典型的应用形式[2]，通常与功耗较低的LED灯具相结合，组成离网型照明系统，以节省架设供电线路的投资和工程。

近年来，在城市道路照明系统中也不断引入风光互补+市电的路灯方案，以减小低压照明线路的电能损耗，达到新能源利用和节能减排的目的。但是，笔者通过观察国内多个城市中风光互补路灯的运行状况，发现普遍存在运行效果不佳的现象，主要原因是市区内风能资源较差，且高层建筑显著影响风速和风向。有些沿盘山公路而设的风光互补路灯，风与光照条件都受地势影响，远未达到预期的运行效果。因此，需加强实际运行效益的评估。另一方面，随着光伏组件价格的大幅降低，系统优化配置的技术和经济指标发生了很大变化，需重新论证系统方案。

本文对一个已建风光互补路灯工程的实际运行状况进行考察与评估，通过系统方案对比、投资效益分析及运行状态评估，指出实际应用中存在的问题，并对几种具有代表性的微型风力发电机进行测试和比较，探讨改进的可能性，为今后的推广应用提供客观的依据和建议。

1 应用案例考察与评估

1.1 系统概况

图1为在南方某滨海城市已建成的两个风光互补路灯系统工程，采用不同类型的风力发电机。本文主要针对图1a所示的系统进行研究。作为节能改造项目，在一条靠近海湾的主干道(全长近20 km，东西走向，双向8～10车道)部分路段的中间隔离带上换装了229套单杆双灯双光源风光互补高效节能路灯。

图1 项目现场实景

表1为系统主要配置，由于采用新型节能光源，每根电杆光源总功率为910 W，比改造前大幅降低，而光通量却有所提升，不同色温双光源产生自然柔和的路面视觉效果。其中光源1功率较大，利用原有照明供电线路，完全由市电供电；光源2功率较小，采用市电与风光互补双重供电方式，选用多晶硅光伏组件和水平轴三叶片风力发电机。

表1 系统主要配置

1.2 运行状况考察

该系统建成后，由于最为直观的风力发电机大部分处于静止不动的状态，不断遭到市民及媒体的质疑。为此，受相关部门委托，进行了持续1年的现场考察，共积累73天数据，统计结果如表2所示。图2为各月平均运转率(运转台数/总台数)，表明大部分风机处于静止或低速旋转状态，全年平均仅有84台(36.7%)风力发电机处于转动状态，一半以上风力机不转的天数比例高达69.9%，不仅发电量低，也未能发挥新能源的宣传和示范作用。

作为对比，同时考察了图1b所示垂直轴风力发电机(58台)的运行状况，平均有70%的风力发电机处于转动状态，表明低风速时垂直轴风力发电机直观运行效果较好。

1.3 系统效益分析

风能与太阳能资源是否充足，直接影响风光互补路灯的运行状况和效益。一般推荐使用的资源条件为：年平均风速大于3.5 m/s，年太阳辐射量大于5 000 MJ/m2。根据气象资料，该项目所在地的太阳能资源一般，年太阳辐射量为5 225 MJ/m2；而风能资源贫乏，全年平均风速仅为2.7 m/s。依此可以推测，风电部分将难以获得预期的运行效果。

表2 现场调研统计结果

图2 实测月均运转率

因为采用双重供电方式，市电已基本保证了在各种气象条件下系统运行的可靠性，所以只需对系统配置的全年平均运行效益进行评估。

负载需求：两盏140 W光源每天平均通电时间按10 h计算，则需电能2.8 kWh。

太阳能发电：经过长期实验验证，该地区每WP太阳电池的全年发电能力约为1.15 kWh，则每个灯杆上太阳能年发电量为368 kWh，平均每天约1 kWh，晴天条件下，最高可发电1.5 kWh。

风力发电：使用威布尔分布表述的风速概率密度函数为[3]：

式中：v为风速；f(v)为该风速对应的概率密度；k为形状参数；c为平均风速。取k=2，c=2.7 m/s，则风速概率密度曲线如图3所示。

图3 风速概率密度函数

根据风力机空气动力学特性[4]，其输出功率为：

式中：Cp为风能利用系数；ρ为空气密度，kg/m3；A为风力机叶片扫风面积，m2。在最佳运行状态下，输出功率与风速的三次方成正比。由于采用了额定功率Prated为400 W的风力发电机，并通过加长叶片使额定风速vrated降至8 m/s，假定切入风速为2.5 m/s，切出风速为12 m/s，则平均发电功率为：

全年发电量约为157 kWh，平均每天0.43 kWh。

白天太阳电池及风力发电机所发出的电能将全部储存于蓄电池中，夜间风力发电机可直接向负载供电。因此，平均每天蓄电池的充电量约为1.25 kWh，风力发电机直接向光源供电0.18 kWh。

储能：两个蓄电池串联后形成24 V/200 Ah的储能单元，由于每天都要经历一次充放电循环，为了保证蓄电池的使用寿命，最好将充放电量控制在蓄电池容量的25%(1.2 kWh)以内[5]，与风电和光电发电环节的平均白天发电量基本吻合。

综合上述分析，在比较理想的运行条件下，风光互补系统全年平均能向光源2提供约50%的电能。但是，考虑到气象条件变化及蓄电池充放电管理等影响，估计可向负载提供约40%的电能。由此可知，该项目通过选用新型光源，达到了节能的目的；太阳能供电能产生一定的效益，但示范作用更大。如果按照8元/WP的建设和运行成本、1.0元/kWh的回报率计算，需近7年的时间方能收回成本；风力发电的效益很差，以每台风力发电机3000元的单价计算，成本回收期超过19年。如果涉及蓄电池的费用，成本回收期将更长。

2 系统配置优化设计

2.1 微型风力发电机运行特性

适用于风光互补路灯的微型风力发电机有多种类型，目前较常用、具有代表性的如图4所示。

图4 几种微型风力发电机

水平轴风力机理论体系完备，产品技术成熟，发电效率高，但需根据风向调整风轮方向，风向多变时，影响发电量。常见的水平轴风力机有三叶片、五叶片和六叶片，多叶片适用于弱风地带。

垂直轴风力机是近年来研究的热点[6-9]，风轮转轴与风向成直角，可接受来自任何方向的风，不需要调向装置。DS型采用组合曲线翼，低风速时依靠内侧S型叶片捕获风能，启动风速低；高风速时主要依靠外侧D型叶片，发电效率高。H型采用直线翼，风轮的转速上升快，发电曲线比较饱满。

选择6款较为畅销的国产机型作为测试和比较对象，表3为厂家提供的规格参数。利用风洞试验平台，测试实际应用中最关心的几项性能。图5为风力发电机输出功率随风速变化的实测结果，其中，图5a为最大发电功率，图5b为向24 V蓄电池充电的实际发电功率。表4为额定功率、启动风速和能向24 V蓄电池充电的最低风速的实测结果。

对照表3和表4可知，水平轴风机1和2的实测功率与标称额定功率基本相符，产品质量可靠。其余4台垂直轴风机在额定风速下的实测输出功率远低于标称值，尤其是风机4，基本不具备发电能力；风机1、2和6最佳运行状态所对应的输出电压较高，高风速时，受蓄电池电压钳位的影响，实际充电功率远低于最大功率；实测启动风速普遍高于标称值，其中风机6转动惯量最大，实际启动风速远高于标称值；向蓄电池充电的最低有效风速均超过3 m/s，由此可见，垂直轴风力发电机并不一定能真正提高低风速条件下的风能利用效率。

表3 被试风力发电机标称规格

图5 实测输出功率

表4 实验结果

2.2 选型与配置

早期风光互补路灯的技术开发与推广应用基于两个重要背景，一是风能与太阳能的互补性，二是光伏组件的价格远高于风力发电机。通过系统的合理配置，能实现较高性价比。但近十年来，风力发电机的价格没有太大变化，1台300 W风力发电机的市场价格约为3 000元，而光伏组件的市场价格则由约40元/WP降至约5元/WP。这种成本的变化，不仅影响系统配置方案，也决定今后的发展方向。根据上述样机测试与考察分析，在实际推广应用中需遵守以下几条原则：

1) 加强项目的可行性研究，减少盲目性和片面性，太阳能和风能资源必须满足要求，确保规划和实施方案的实际效果。

2) 选择风速较高的开阔地带，尽可能采用离网型方案，通过节省架线成本，提高系统的经济性。高楼林立的市区不适宜使用风光互补路灯。

3) 优先选用传统水平轴风力发电机，强风地区选用三叶片机型，弱风地区选用五叶片机型。目前垂直轴风力发电机产品的性能和质量较差，还需加大研发投入，加强市场监管，确保产品质量。

4) 微型风力发电机的价格约为相同标称功率光伏组件的两倍，即使在平均风速为6 m/s的强风地区，两者的年发电量相当，表明微型风力发电机的综合发电成本远高于光伏发电，太阳能路灯是更合理的选择，也是未来的发展趋势。

3 结论

风光互补路灯能根据风能和太阳能的特点，实现对这两种可再生能源的综合利用，在风能和太阳能资源充足、无现成供电线路地带具有推广应用价值。但是，实际应用中普遍存在运行效果不佳的问题，主要原因为：一是项目的可行性研究不够，现场的资源先天不足；二是配套设备的产品质量参差不齐，尤其是垂直轴风力发电机产品的性能较差。需加大研发投入，提高产品质量，加强市场监管，建立和完善第三方认证制度。同时，由于光伏组件价格的急剧下降，使得太阳能路灯具有更好的经济性和应用前景。

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