甘南藏区太阳能路灯应用可行性分析

张晓娟，郑维民

(甘肃民族师范学院，甘肃 甘南 747000)

0 引言

太阳能是地球上“取之不尽、用之不竭”的清洁、绿色、可再生能源。近年来，太阳能路灯在各大城市的应用方兴未艾。但是，在偏远地区，由于各种原因，太阳能路灯还未普及。甘肃省甘南州大部分地区地处偏远山区，交通不便，距离骨干电网远，水力资源和煤炭资源缺乏，工农业生产所需用电都是靠远距离输送的，投资成本远远超出了本地区经济负担能力。但是该地区地处青藏高原和黄土高原交界处，属于高海拔山区，太阳能资源丰富。根据已有研究数据得知，本地区年太阳能总辐射量在4 700～5 400 MJ/m3之间，每年太阳日照时数大于六小时的天数在一百五十天以上，属太阳能资源较丰富和较稳定地区［1］。在此种条件下，在甘南藏区公路和街道及公共活动场所安装太阳能路灯照明系统是可行的。

1 太阳能路灯的基本组成及工作原理

1.1 太阳能路灯系统的组成元件

太阳能路灯组成元件包括以下几部分:太阳能电池板，太阳能调控器，太阳光源，蓄电池组，灯杆及灯具［1-2］。

1.2 系统的工作原理

在太阳能调控器的控制下，白天光照条件下，太阳能电池板将太阳辐射能转化为电能储存在蓄电池中，晚上当照度达到设定值时，太阳能电池组件开路电压达到设定电压，充放电控制器检测到这一电压值后立即工作，蓄电池就可提供电源给灯具。太阳能直流调控器在任何条件下都能保证蓄电池不会因为长时间充电或长时间放电使电源及其它元件损坏。太阳能照明系统同时还有光控，时控和温度补偿及防雷保护功能［3-4］，这些元件的配置大大地提高了太阳能路灯系统运行的可靠性。

2 甘南州安装太阳能路灯现状

根据实地调查情况得知，如表1所述，本地区对太阳能路灯的应用普及率很低，自2008年始，只有州府所在地合作市和一部分靠近合作市的地区安装了太阳能路灯作为试点，很多地方政府和群众对此系统都不是很了解。

表1 太阳能路灯系统使用现状调查表

3 太阳能路灯系统与普通电力路灯在运行当中的投资费用与环境效益的分析与评价

3.1 太阳能路灯系统与普通电力路灯在运行当中的投资费用比较

现以临潭县后川村安装的太阳能路灯参数(表2)为例，对太阳能路灯系统与普通电力路灯在运行当中的投资费用做一比较。

表2 太阳能路灯元件参数表

根据表3可知:按市场最优价格值计算。一盏普通路灯的市场价格为670元/盏～870元/盏，一盏普通路灯一年照明电费为1 500元/盏，每五年更换一次灯光源，更换灯具费用，维护费用和管理人员所需费用为2 064元/盏。一盏太阳能路灯系统的市场价格为6 940元/盏，每五年更换一次蓄电池，更换蓄电池费用为1 600元/盏，管理人员费用为1 500元。设两类路灯每天照明时间为10小时，正常运行周期按十五年计算，投入资金的年利率i为6%(本地银行得知)。

表3 太阳能路灯与普通电力路灯周期内技术投资费用参数表

计算两类路灯系统在运行周期内的费用［4］:

注M1为普通路灯在运行周期内的费用;M2为太阳能路灯在运行周期内的费用;A为普通路灯一年支出的电费;F为两类系统五年支出的费用;I为资金的社会年利率;n为两类系统的运行周期。

根据计算得:M1=28 692元，M2=9 765元。

由比较可知，太阳能路灯系统在规定的运行周期内投资明显低于电力路灯系统，这也符合当地经济发展水平。

3.2 太阳能路灯与普通电力路灯的环境效益评价

3.2.1 普通电力的污染情况

我国全国范围内的电力资源主要靠煤炭火力发电和水利发电，甘南地区的电力资源主要是靠主干电路远距离输送。就煤炭火力发电而言，引发的环境问题非常严重，如大气污染、煤矿资源枯竭等等，使生态环境遭到严重破坏。就甘南州临潭县而言，地处洮河干流附近，近年来随社会经济不断增长，为解决电力资源缺乏问题，在临潭附近修建八处水电站，洮河干流很多地方因修水电站而改河道，造成原有河床干涸，水土流失严重，原河道两旁居住的农民的生活受到很大的影响，环境问题日趋严重。

3.2.2 太阳能路灯系统和普通电力路灯的运行稳定性对比

普通电力路灯在基础设施方面投资成本很大，而长时间远距离输送和地下埋线，会造成电缆线不同程度的腐融，运行期间需要不间断维修。如果运行期间任何一条路线有问题，需要大面积开挖电缆线进行维修，工程量大，投资费用高，在应用期间降低了可靠性，尤其在安全方面造成了很大的隐患。电力路灯电费昂贵，长时间不间断维护和更换线路等其他配置，维护成本逐年增加，投资成本会不断升高。通过以上对比得知，太阳能路灯照明系统安装时资金一次性投入。安装时，只要做好固定灯杆基台，直接将灯杆固定在上面即可，不需要铺设复杂线路，不需要外电源辅助。使用时也不需要专门的操控人员，在运行周期内无任何管理费用和维护费用，也不会存在安全隐患问题。在运用期间，只要有光源就可正常照明，其运行可靠性大大高于普通电力路灯系统。

综上所述，与普通电力路灯相比，太阳能路灯系统在设备、安装费用和运行周期内的费用投资小。每隔五年维修一次，维护费用低。运行期间需要的管理人员少，管理费用低。太阳能路灯系统依靠可再生能源，不需要外在电力辅助就可正常运行，其运行时性能稳定，安全性能高，照明可靠性也高于普通电力路灯系统，不存在环境污染问题，在环境效益和经济效益方面都占有很大的优势。由此可以看出，在甘南地区新农村建设中，公路照明及其他公共照明设施中，引用太阳能照明系统是可靠和可行的，也符合国家在环境保护方面提出的各项要求。

4 甘南州地区太阳能路灯系统安装的优化设计

4.1 确定某段特定道路上所需路灯数量

通过道路平均照度计算［5］，可以确定出某段特定的道路上所需路灯的数量。

道路照度计算公式:

其中H为道路平均照度;γ为光源的总光通量;η为路灯在道路两边为成对排列安装时取2，单侧安装和交错安装时取1;θ为光的利用指数;λ为系统维护指数;β为所选路面的宽度;ρ为两灯杆间的距离。

其中γ、θ﹑λ数据可以通过所选路灯铭牌获得，η、β、ρ与所选路段有关。

4.2 甘南州地区太阳能路灯电池板安装最优仰角的确

对于太阳能路灯电池板安装仰角的设计。根据不同地区地理位置存在差异情况，在安装太阳能电池板时，需要考虑电池板的仰角度数。安装太阳能电池板时，应该以长期供电，照明时间稳定、可靠为前提，而不是在短时间发电量最大为首选，应该选择一年四季中太阳在当地辐射能量最小的时候，发电量最多为最优仰角。这样可以确保路灯夜间照明时数的稳定性。

由于已有相关光伏系统太阳能电池板的最优仰角研究设计文献看，常常依据半理论半经验公式，为了使设计简单简洁正确，国内中部地区的太阳能电池板仰角值可直接查看文献［6］。我国中部地区的全年最优仰角及其中部地区各月太阳平均日辐射量中，西安地区(纬度为34.30°)最接近甘南州地区(纬度为35°)，这样，甘南州地区可以以西安为参考。西安地区太阳能光伏系统太阳能电池板的最优仰角值为26°，甘南州地区也应该选择26°为最优仰角。在此仰角值上再加上本地区赤纬角23.5°即可。即26°+23.5°=49.5°≈50°为甘南州地区及周边地区设计太阳能路灯电池板的最优仰角值。此值也可应用到本地区其他太阳能照明系统中电池板的仰角。

5 结束语

通过对太阳能路灯和普通电力路灯的性价比、环境效益和照明可靠性的比较，在甘南州地区公路安装太阳能路灯系统是可行的，响应了国家关于环境保护方面的要求。本地政府应该加大政策引导和资金投资力度，响应国家对环境问题提出的各项政策，加大环境保护、生态建设的投资，充分利用本地区太阳能资源，在本地区大力推广和宣传太阳能光伏系统的利用，使太阳能照明系统在本地区利用普遍化，使本地区人民能够利用绿色能源，提高生活环境的舒适度。

［1］陈尚伍，陈敏，钱照明.高亮度LED太阳能路灯照明系统［J］.电力电子技术，2006，40(6):43-45.

［2］许嘉良.太阳能与太阳能路灯应用［J］.灯与照明，2008，32(2):28-30.

［3］朱飙，李春华，方锋.甘肃省太阳能资源评估［J］.干旱气象，2010，53(2):56-78.

［4］田飞，胡长明，刘学兵，等.农村建设中太阳能路灯综合效益评价研究［J］.青岛农业大学报:自然科学版，2011，28(1):65-68.

［5］邱国全，夏艳君，杨鸿毅.晴天太阳辐射模型的优化计算［J］.太阳能学报，2001，22(4):456-460.

［6］杨金焕，毛家俊，陈中华.不同方位倾斜面太阳辐射量及最佳倾角的计算［J］.上海交通大学学报，2002，36(7):1032-1036.