2022风光互补路灯系统的优化设计方法

风光互补路灯系统的优化设计方法0 引言风光互补路灯是独立的供电系统。它能有效地利用风能和太阳能在能量及时间上的互补性，通过两者各自的发电装置，共同向蓄电池充电。常规路灯的低压输电线路长，不仅路灯耗电，而且输电线路的耗电也很大。常规路灯必须用埋地电缆供电，在离电源点超过3km的公路就要建一个供电线路，如果照明线路延长，还需要设升压系统，因此大部分远离电源点的市郊公路和高速公路都没有安装路灯。风光互补路灯的出现避开了给路灯长途供电的弊端，美观独特的风光互补路灯既给城市的夜晚带来光明，又给城市增添了一道靓丽的风景。

尽管风光互补路灯初投资较高，但是不需要输电线路，也不需要开挖路面做埋管工程，不消耗电能，从长远来看，该系统有明显的经济效益。风光互补路灯利用自然能源发电，不消耗化石燃料，无二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放，清洁干净，环境效益良好。目前，欧洲、日本、美国等发达国家正在普及风光互补路灯，将其用在沿海公路、偏远山路，特别是在已建成的道路上增设路灯非常方便。尽管目前我国已经有部分城市试验性地将风光路灯系统用作城市道路景观照明，但是在风光互补路灯系统的优化设计方面所做的研究工作还很少。下面对风光互补路灯系统进行简要地分析。风光互补路灯系统的组成及工作原理风光互补路灯系统主要由太阳电池组件、微风风力发电机、蓄电池组、灯架、整流器、控制器和光源组成。在智能控制器的控制下，白天太阳电池组件向蓄电池组充电，同时微风风力发电机只要在风速达到启动风速就可向蓄电池组充电，晚上微风风力发电机和蓄电池组给光源（高压钠灯）提供电力。因为控制器有泄电功能，它能够在有风、无风、阳光充足或长期阴雨天的任何条件下，都能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏[1]。风光互补路灯系统的组成和原理如图1所示。

式中：—蓄电池连续供电的天数（根据当地太阳能和风能的气象数据确定），一般为2～5d；—为日耗电量，kWh；U—系统工作电压，一般为24V或12V；DOC—蓄电池最大放电深度，一般取40%；—由蓄电池到负载的放电回路效率，包括蓄电池的放电效率、控制器的效率及线路损耗等，一般为95%～98%。2.3风力发电机发电量的确定风光互补路灯中使用的风力发电机是启动速度比较低的小型风力发电机，一般风速在2.3m/s左右就可以转动发电。由于空气粘性和地面摩擦的影响，风速大小随高度、地面平坦度、地表粗糙度以及风通道气温的不同而异，其中受地表粗糙度的影响最大。风速随高度的变化，可用下面的公式表示：V=（/h）α （2）其中：—高度为0处的风速，m/s，0一般为10m；风光互补路灯系统的设计为了寻找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置，首先根据负载需求和当地气象参数粗略选定某一风力发电机的容量，在充分利用当地风能和风机容量不变的前提下，计算与该容量风机相匹配的光伏方阵的容量；然后再变化风机容量大小，分别计算出与其相匹配的PV组件容量到此，我们可以得到几组不同组合的、满足用户需求的风光互补系统组合，再根据各部分设备的价格，求出总投资成本最小的一组风光

V—待测高度h处的速度，m/s；—待测点离地的高度，m；α—由大气稳定度和地表的粗糙程度来决定的指数，α值为1/2～1/8。稳定度居中的开阔平地α取1/7；地表粗糙度大的城市α取1/3；一般上下风速差别较小的地点，α取值较小，反之α取值较大。对于小型风力发电机，日发电量计算公式如下：E=+2 （≤i/）E=Ph（v/v）（v=v/v）（3）互补发电系统的组合。下面对系统各个部分进行设计。

1ΣNiiH

i mH负载用电量的确定根据具体的路灯型号、功率、路灯盏数和每日用电时间确定负载月用电量。显然路灯的用电量为一恒定值，即是均衡负载。蓄电池容量的确定蓄电池的容量C通常按照保证连续供电的天数来计算： n×Wd

（vi=vH/vT）式中：E—当月发电量，kWh；，—风力发电机在不同风速段的发电量，kWh；—当地风速，m/s;—风力发电机启动风速，m/s；—风力发电机额定风速，m/s；—风力发电机停机风速，m/s；C=U×DOC

×η

（1）

P—风力发电机额定功率，kW；——该日中与vi相对应的小时数。选择风机容量应是负载需求的2～3倍，最后用上式来计算风机的日发电量。太阳电池组件容量的确定太阳能电池所发电量应为负载所需总电量与风机所发电量的差，并且以太阳能的发电量来确定太阳能电池板的容量。太阳能电池板月发电量的数学公式：HTiηmFtiFpFsFμFoA

影响组件输出功率的修正因子，一般F0取0.98；A—太阳能电池板的总面积，。通过计算出的太阳电池板的总面积来确定太阳能电池板的容量。控制器为了更直观地远程观察，控制器外壳上除装有风力发电机充放电太阳能充放电指示灯外，还装有液晶显示屏，能直接观察到蓄电池充、放电全过程。控制器内部装有过载保护和超速保护，使风力Esi=

3.6

发电机更安全可靠。控制器还具有光控、声控、温式中：E—太阳电池组合板第i月发出的电能，kWh；HTi—组合板平面第i月单位面积上接受的辐射量，J；—组件的转换效率,通常为8%～16%；F—第i月组件转换效率的温度修正因子；F—组件的封装因子,有效电池面积与组件总面积之比,通常＞0.8；F—积尘因子,组件表面积尘时的发电量与表面完全清洁时的发电量之比，对于户用系统Fs1；F—组件未工作在最大功率点处影响组件输出功率的系统性能失配因子，一般F=0.95；—由于材料老化、性能下降等其它因素

度补偿及防雷、反极性保护等功能。控制器采用先进的无触点技术，先进的光控功能可以实现晚上自动开灯，白天自动关灯，也可以实现光控开关定时关灯，而且具有夜间自动切换负载的功能。对风光互补路灯系统进行优化组合根据对以上风光互补路灯系统各组件的分析，我们可以得到几组能满足用户需求的风光互补系统组合，然后再根据各部分设备的价格，求出总投资成本最小的风光互补发电系统组合。应用实例分析下面以济南市某一高速公路路灯为例进行分析。气象参数应用实例所在地有关的风能、太阳能气象参数如表1～4。表11997～2001年济南市各月的日平均风速Table1Theaveragewindspeedbetween1997～2001inJinan月份一二三四五六七八九十十一十二日均风速/m·s-13.253.93.854.42.73.152.252.352.853.952.653.25表2济南市太阳能辐射参数Table2RadiationparameterstableinJinan纬度Φ日辐射量Ht/kJd1最佳倾角Φ斜面日辐射量H/k（d）1修正系数Kop36.68°14043（Φ＋6）°159941.063表3济南地区水平面上太阳日辐射月平均值Table3ThevaluesofsurfacesolarradiationmonthlyaverageinJinan月份一二三四五六七八九十十一十二日辐射月均值M/（d）8.37610.9314.42316.67920.7721.05516.77615.66314.88412.0939.0897.657表4济南地区斜面上太阳日辐射月均值Table4ThevaluesofthetiltsolarradiationmonthlyaverageinJinan月份日辐射月均值M/（d）一8.904二11.619三15.332四17.73五22.079六22.381七17.833八16.65九15.822十12.855十一9.662十二8.139需要注意的是，由于表2中是描述斜面辐射量和各月辐射均匀程度的系数，它与平面辐射量的乘积不等于斜面辐射量，Kp值的大小可以理解为斜面辐射的质量水平,用其作修正系数的处理方法对光伏电源来说是合适的。根据表2知，济南市的斜面修正系数p=1.063，再由表3便可以计算出济南市各月的斜面日均辐射量，MJ/（d）。设计要求负载：每盏路灯100W，每天工作时间12h。蓄电池：保证连续2个阴雨天可以工作。光源：高压钠灯。设计步骤负载用电量Wd的确定每盏路灯的日用电量是恒定的,即日耗电量为1.2kWh。蓄电池容量的确定

根据式（1）确定蓄电池的容量。设系统电压为24V，取DOCmax=0.5，ηout=0.95，经计算，蓄电池容量为210.5Ah，选择2只12V，100Ah的蓄电池串联使用即可满足用户要求。风机容量的确定分别选择容量为200W，300W的风机。200W风机主要技术参数：额定功率200W；启动风速1.5～2.0m/s；额定风速7m/s；最大风速60m/s风轮直径2m叶片数3电机重量5kg；输出电源DC24V/AC220V。300W风机主要技术参数：额定功率300W额定风速7m/s启动风速2.0m/s最大风速60m/s；风轮直径2.5m；叶片数3；电机重量5kg；输出电源DC24V/AC220V。由式（3）来计算其日发电量（表5～6），其中hi取24h。表5200W风力发电机的月发电量Table5Themonthlygeneratingcapacityof200Wwindturbine月份一二三四五六七八九十十一十二发电量/kWh0.480.830.801.190.280.440.160.180.320.860.260.48表6300W风力发电机月发电量Table6Themonthlygeneratingcapacityof300Wwindturbine月份一二三四五六七八九十十一十二月发电量/kWh0.721.251.21.790.430.660.240.270.491.290.390.72光伏板容量的确定对于不同型号的光伏板，取其转换效率为

15%。根据式（4）可以大体估算出它们的日发电量（表7）。表7各种光伏板每月日发电量Table7DailyPVgeneratingcapacitiesinpermonth kWh/d月份规格型号LNGF-85W（1194mm×540mm）LNGF-100W（1010mm×885mm）LNGF-120W（1420mm×660mm）LNGF-160W（1591mm×808mm）LNGF-210W（1502mm×1000mm）一0.170.240.260.350.40二0.230.310.330.450.53三0.300.410.440.600.70四0.350.480.510.690.81五0.430.600.630.861.00六0.440.600.640.871.02七0.350.480.510.700.81八0.330.450.480.650.76九0.310.430.450.620.72十0.250.350.370.500.58十一0.190.260.280.380.44十二0.160.220.230.320.37风光互补系统的优化匹配根据表5，6，7中的数据选取在风机和光伏板发电最差的月份，可以给出多种风机和光伏板的组合来满足负载的用电要求（表8）。表8风力发电机和光伏板组合Table8ThecombinationofwindgeneratorsandPV组合号发电设备容量配置1风力发电机光伏电池板200W×185W×42风力发电机光伏电池板200W×1100W×33风力发电机光伏电池板200W×1160W×24风力发电机光伏电池板200W×1210W×25风力发电机光伏电池板300W×185W×36风力发电机光伏电池板300W×1100W×27风力发电机光伏电池板300W×1160W×28风力发电机光伏电池板300W×1210W×1根据表8选择的能满足负载需求的风机和光伏板的不同组合，并根据设备单价，计算每一组组合设备的总价值，最后选择总投资价格最小的那一组，便是我们要求的最佳匹配。假设光伏板单价30元/W；200W风机价格为800元；300W风机的价格1100元；2个12V/100Ah免维护蓄电池价格为1000元；智能控制器300元整流器100元。经计算上述8个组合中，组合6的总价格最低（8000元）。系统投资回收期费用构成及分析根据上面的分析，系统总设备投资约为8000元/盏。高压钠灯的使用寿命长达20000h，假设每4a更换一次灯源，灯源价格为80元/盏，系统寿命设为15a。与风光互补路灯相比，传统高速公路上的路灯的低压输电线路长，不仅路灯耗电，输电线路上的耗电也很大，而且常规路灯必须用埋地电缆供电，在离电源点超过