风光互补技术在路灯改造中的应用研究

云南水利水电职业学院 曹瀚天 党 鸿 汤春云 李飞霏

风光互补发电技术主要就是通过对风能及太阳能的有效转化而形成电能，在对风光互补发电技术使用过程中，需根据实际情况合理运用太阳能以及风能。在风光互补发电系统运行的过程中，风机风轮在受到空气挤压的情况下可推动风机转动，随后收集风能、将风能转化为电能。所转化的电能为交流电，在经过路灯稳压装置后会转化为直流电，最终将电能储存到储能装置当中。在风光互补发电系统中的电池板在白昼可自动收集太阳能并转化为电能，随后生成直流电直接带动负载装置，并将直流电储存到储能装置当中。

图1 风光互补发电技术基本原理

1 风光互补照明系统简介及相关特点

风光互补路灯照明系统作为目前路灯照明中的重要系统，其主要是以风光互补技术为基础，整个系统中包含了太阳能电池组、智能控制器以及蓄电池等，在智能控制器的运行期间可自动吸收太阳能，该过程中太阳能转化为电能，并将电能储存到蓄电池当中。如在白日风力较大情况下风力发电机会自动启动以收集风能，带动风力发电机发电，同时电能也能储存到蓄电池池组中。夜晚路灯在蓄电池的作用下可自动启动照明系统，此时风力发电机也会提供电能[1]。此外智能控制器还具备良好的泄电功能，能够在保障风力以及太阳光充足的情况下避免蓄电池在充电期间内造成损坏。在阴雨天气环境下，智能控制系统还能保障蓄电池避免电能影响造成放电，对蓄电池造成破坏。

图2 风光互补发电路灯照明系统

提高经济效益。在传统路灯照明系统运行过程中主要依赖地下电缆及市区电能，但由于路灯距离逐渐增加，也就增加电缆线路长度，同时在电力系统运行时，通过电缆传输电能会受到电缆电阻的影响，导致电能消耗严重，市政所花费的成本也会增加。为减少能源消耗、控制路灯照明成本，在路灯照明中通过对风光互补技术的有效运用，可不需埋设电缆或者架线方式，只需风光互补照明系统中的智能控制器及蓄电池等设备，即可为路灯照明提供良好的能源。风光互补照明系统具备成本低、维护也相对较为简单，无需人员管理及控制，能有效减少人员效益，从而提高路灯照明经济效益以及社会效益。

绿色环保。风光互补路灯系统在实际运行的过程中，主要是通过利用智能控制系统对电池板及风力发电机加以控制，以此吸收太阳能以及风能，将太阳能和风能转化为电能为路灯照明提供电力，具备绿色环保特点，对于路灯照明系统运行可提供良好的环境效益；安全性能高。风光互补路灯系统在实际运用的过程中，主要是以蓄电池提供电力，利用风能以及太阳能转化为直流电可减少蓄电池运行电压，在实际运行中整体安全性相对较高；能源利用互补性强。在风光互补技术的有效运用下，在电池板及风力发电机的共同使用下，能弥补二者间所存在的缺陷问题，可根据外界环境情况自然而言的收集风能及太阳能，以此实现能源使用多元性特点。

2 风光互补发电系统设备选型

风光互补发电技术在实际应用中，路灯建设单位需对风光互补发电系统各项设备加以分析，其中包含了风力发电机、光伏组件控制器、蓄电池、卸荷器负载等设备。其中风力发电机在实际运行过程中可吸收风能，并将风能转化为三相交流电，在整流后将其储存到蓄电池当中。路灯则是选择LED 等，该灯具属于绿色技能光源，具备光效强、功能低及寿命长等特点，整个路灯载明系统具备无污染、可靠、环保等优点。为提高路灯照明亮度，在设备选择中可选择60W 的白光LED 灯。在蓄电池的作用下路灯照明时间可长达12小时以上，每日所消耗的电能仅为0.72kWh 左右。

2.1 蓄电池

在风光互补系统中，根据系统实际运行需求，在蓄电池类型选择过程中可选择铅酸免维护蓄电池、也可选择碱性镍铬蓄电池，或选择使用普通铅酸蓄电池，在蓄电池类型选择的过程中可充分考虑不同蓄电池的单价，以及对日后路灯系统的维护工作。

蓄电池容量可通过公式Q=ITη[1+0.008(t-25)]对其进行计算，式中Q 代表了蓄电池的容量，I 为路灯系统放电时长的最大负荷电流，通过路灯及控制器等负载计算为3A。T 为系统放电最小时长，考虑到气候环境以及天气情况，以路灯照明日均时长12h 为标准。η 代表蓄电池容量备用系数，考虑保证3天无风阴雨天气下路灯仍可正常工作，所以取3。根据富民县气象数据，取t=25℃作为平均温度。将数据代入到公式中，通过计算蓄电池的计算容量为109Ah。一般蓄电池工作要避免深度放电、做到浅放勤充，考虑安全裕量和蓄电池后期维护方便，富民校区可采用每组24V/150Ah×2只免维护的铅酸蓄电池串联。

2.2 风力发电机

根据气象局相关测量数据研究，近年来富民县城年平均有风时间为175天，日平均有风时间为8小时左右，年平均综合风速能达到7.42m/s，表明该地区风力资源较为丰富，故风光发电比例定为6:4。每盏路灯日耗电量为0.72kWh,因此每日至少需风机能提供0.43kWh、太阳能电池提供0.3kWh。根据风力发电机功率情况，经计算比较，在实际运用中可选择FM-FH200风力发电机，路灯立架高度9m 左右，在启动后，当风速超过2.5m/s 采取电磁限速调速方式调速，风轮额定转速达到了每分钟400r、运行额定功率达到了200W 左右，每日平均发电量为0.48kWh 左右，可满足路灯风力供电。

2.3 光伏组件

富民县全年日照2287小时，在路灯风光互补发电系统中，当风能不足的情况下则由光伏晶体板吸收太阳能并转化为电能后给蓄电池组充电，以此确保夜间路灯照明用电。系统运行的过程中，对光伏组峰值功率进行计算采用公式Pm=Ws/(KmHt)。式中，Pm为电池板峰值功率，Ws为系统日均所需电能，Ht为日均光照时间。通过气象局相关部门测量数据信息代入，计算得出风光互补系统电池板峰值功率，采用同样的方法，选用市面上常见的光电转化效率为70%的太阳能电池板。

2.4 风光互补发电技术在路灯照明中的具体应用

在风光互补发电系统中智能控制器也是关键部件，主要是以工业级微处理器进行高速数据处理，以控制风能及太阳能充电放电控制功能，同时还能有效控制风力发电机运行速度实现电磁调速，达到蓄电池防反充电功能，实现过热、过压保护功能[2]。智能控制器还可对蓄电池运行加以控制，同时还能对系统负载压力加以控制，提高路灯照明系统运行质量。

路灯开关的控制和有否过载短路的判断：在路灯照明系统启动过程中，主要是通过系统信号传输，由光传感器接收信号，对电子加以检测，根据光传感器信号实现路灯照明关控开关。如，在夜晚环境下，光传感器在接受信号后即可启动路灯照明系统，在白天则会自动关闭路灯照明系统。如在电路中出现过载及短路情况下则由电阻给出信号，从而对路灯系统断开。

对蓄电池的过充、过放和过热保护的控制：在风光互动发电技术的基础上，系统通过传输信号可自动对蓄电池进行检测，由风电以及光电系统对蓄电池进行充电，如蓄电池在储存满后系统会自动断开蓄电池回路，随后接通卸荷器，系统也就不会在继续为蓄电池进行充电[3]。在蓄电池放电过程中，如负载较大的情况下，蓄电池温度在超出85℃时蓄电池则不会再次充电，充电回路也会自动断开。

对风力发电机电磁限速调速的控制：当自然环境下风力较大情况下，超出风光互补发电系统的额定风速时，输出电压达到32V 以上的情况下系统通过电磁调速进行有效调速，限制发电机转速；大规模路灯集群的管理系统：当路灯数量达到一定规模时对路灯的集群管理，可采用ZigBee 无线组网网络技术实现路灯的节能控制和管理。ZigBee 技术是一种新兴的短距离无线通信技术，其网络拓扑结构可随意改变，可用于实现对路灯智能监控系统的智能化集群管理，可靠性高、成本低廉。

3 效益分析

3.1 经济效益

针对校园内现有路灯的调查显示，富民校区共安装路灯455盏，其中户外篮球场、足球场、网球场三个区域使用的是金属卤化物灯，单灯功率300W、共计40盏；道路及户外公共区域使用的是普通LED灯，分两种型号：功率100W 的共计170盏，功率75W 的共计245盏。根据学校的路灯开关时间：普通路灯冬季18:30-8：00，夏季19：00-7:00分，综合平均每天12个小时。由于运动场金属卤化物灯日均开灯时间不固定，因此本次改造只考虑普通路灯415盏。

根据市场调研，目前在市场上主流的一套风光互补发电路灯的配置投资大约在1万元人民币左右，风光互补发电系统的使用寿命长达20年，运行维护费主要是蓄电池的维护费用，按5年更换一次蓄电池、每次2000元计算。在使用传统路灯的情况下每天所消耗的电能相对较多，由于已运行6年，每盏路灯设备运维费用达到约1000元/年。通过表1分析可看出，全部进行风光互补改造后，按20年内寿命周期计算可节约电费和运行维护费约914-322=582万元，相对于传统路灯风光互补发电技术在实际应用中能有效节约路灯电费和运行维护费等成本。

表1 云南水利水电职业学院富民校区路灯运行费用计算表

此外，路灯改造还须考虑路灯智能化管理，结合光敏控制和人体感应技术运用ZigBee 无线组网等技术集群控制路灯亮灭时间和功率，这样还可大幅节约电能损耗、电费支出和人工费用。

3.2 其它效益

改造校园路灯，在路灯的寿命周期内，除低碳节能、减低费用外，因学院本身计划开设新能源相关专业，风光互补路灯也更能彰显学校的专业特色，路灯及其管理控制系统又可成为学校开设相关专业的校内实训场所，既可作为公用设施设备又可当做实验教学设施，可谓一举多得。此外风光互补路灯工作电压为直流24V，安全性比220的传统路灯高。还有风光互补路灯除设备本身外，不需电缆埋设、配电设备增容等，配套费用可大幅降低，如果校园扩建还可随时增加路灯数量而不必考虑增容、电缆铺设等问题。

综上，在我国实现双碳目标的背景下，结合云南“绿色能源牌”战略，云南水利水电职业学院要抢抓机遇，通过采用风光互补技术对校园路灯进行改造，以此减少电能消耗、减少经济成本费用，建设低碳校园的同时也为学校着手布局新能源专业奠定基础。本文研究成果可对同类院校新建路灯或改造路灯起到很好的借鉴作用。