風(fēng)光互補(bǔ)路燈在桃林口水庫技改工程中的應(yīng)用

田國純

摘要：桃林口水庫路燈照明設(shè)施在多年運(yùn)行中存在著老化嚴(yán)重、運(yùn)行成本高、耗能大等問題。為徹底改變這個現(xiàn)狀，在2008年在路燈改造中，采用了風(fēng)光互補(bǔ)路燈，充分利用了當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)能和太陽能綠色能源，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

主題詞：桃林口水庫 風(fēng)光互補(bǔ)路燈 技術(shù)改造 效益

河北省桃林口水庫位于秦皇島市青龍縣境內(nèi)灤河支流青龍河上，是“八五”期間水利部和河北省的重點(diǎn)建設(shè)項目，是集城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉和水力發(fā)電為一體的大（二）型水利樞紐工程。控制流域面積5060km2，總庫容8.59億m3，總投資18億元。工程于1992年11月5日開工，1998年11月竣工。十多年來，水庫管理區(qū)內(nèi)道路照明設(shè)施損壞嚴(yán)重，運(yùn)行成本高，耗能大。針對這種現(xiàn)狀，2008年我們對部分路燈進(jìn)行了技術(shù)改造。

1 路燈概況

1.1 路燈原設(shè)計情況

桃林口水庫庫區(qū)內(nèi)交通道路（包括壩頂路面）長約4km，共有路燈63基，其中雙光源（250W×2）路燈26基，單光源（250W×1）路燈37基。水庫壩面路燈為25基鋼管路燈桿，其余38基為水泥路燈桿。路燈用電總負(fù)荷為89盞燈共22.25kW，光源設(shè)計采用250W高壓鈉燈，塑料透明燈罩。

1.2 水庫路燈運(yùn)行現(xiàn)狀

桃林口水庫工程自1998年11月投入運(yùn)行至今，已經(jīng)十年，冬季路燈運(yùn)行時間為18:00至次日7:00，夏季運(yùn)行時間為20:00至次日6:00，全年路燈運(yùn)行時間平均時間為每天11h左右。

根據(jù)有關(guān)資料，高壓鈉燈平均壽命約只有1000h，每年都要更換燈泡2～3次，才能保證路燈正常運(yùn)行，而且一般光源距離地面都在10m左右，更換燈泡需要專業(yè)設(shè)備，管理維護(hù)難度較大，費(fèi)用較高。塑料燈罩耐老化程度差，受外界環(huán)境和燈泡發(fā)熱影響，運(yùn)行使用一年左右透光性大大降低。燈具密封差導(dǎo)致飛蟲和塵土積聚，嚴(yán)重影響路燈照射道路的亮度。

按每年更換兩次燈泡計算，價格20元/只，電價0.80元/kW.h，用電效率80％，250W高壓鈉燈實(shí)際功耗為300W，則每年水庫路燈運(yùn)行費(fèi)（不包括人工費(fèi)）高達(dá)11.1萬元，其中材料費(fèi)0.4萬元，電費(fèi)10.7萬元。

另外，水庫路燈經(jīng)過十多年的運(yùn)行，路燈桿和燈架脫漆、銹蝕比較嚴(yán)重，燈頭和燈罩也又不同程度破損，這些老產(chǎn)品配件廠家早已停產(chǎn)，無法維修，徹底更換改造所有路燈勢在必行。

2 路燈改造方案設(shè)計

2.1 自然資源情況

水庫大壩所在位置三道河村，水庫管理局辦公樓位于二道河村，自古當(dāng)?shù)鼐陀小岸篮拥谋⑷篮拥娘L(fēng)”的民諺，意思是說二道河的冰凍得厚、三道河的風(fēng)力很大。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的資料，水庫壩址地處季風(fēng)氣候地區(qū)，冷暖空氣活動頻繁，風(fēng)向多變，主要盛行西南風(fēng)和東北風(fēng)。年平均風(fēng)速為2.47m/s，最大風(fēng)速22. 7m/s。4月最大，平均風(fēng)速為3.6m/s，8月最小，平均風(fēng)速為1.6m/s。風(fēng)速的季節(jié)變化明顯，春季風(fēng)速大，秋季次之，夏季最小。而且當(dāng)?shù)厝照粘渥悖耆照諘r數(shù)平均為2839.7h，日平均日照時數(shù)為7.8h。

2.2風(fēng)光互補(bǔ)路燈設(shè)計

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筇攸c(diǎn)，參考秦皇島市龍源大道建設(shè)的經(jīng)驗，桃林口水庫路燈改造方案采用風(fēng)光互補(bǔ)型路燈方案。即采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能光伏組件合理互補(bǔ)配置，將風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)變成電能儲存在蓄電池內(nèi)，供路燈照明使用。風(fēng)光互補(bǔ)路燈見圖。

首批完成7基路燈改造，其中壩面更換5基，壩下橋西橋頭新建1基，庫區(qū)南棧道山頂新建1基。

2.2.1 光源選擇

在確定光源時，重點(diǎn)對高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LVD無極燈等四種類型光源的亮度、效率、壽命等性能指標(biāo)進(jìn)行比較，借鑒秦皇島市龍源大道路燈實(shí)際運(yùn)行效果，最后選擇40W、24V的 LVD無極燈作為路燈光源。LVD無極燈具有壽命超長、節(jié)能、環(huán)保、無頻閃、顯色性好、色溫可選、可見光比例高、起動電流低、工組電流廣、光衰小等特點(diǎn)。

各種光源性能指標(biāo)見表1。

2.2.2電池組選擇

電池組容量確定應(yīng)綜合考慮光源的功率、照明時長、光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率因素，科學(xué)計算，合理匹配。一般都是按照輸入和輸出相等，或輸入略大于輸出的原則進(jìn)行匹配的。

蓄電池容量過大時，風(fēng)光發(fā)出的能量不能保證及時地給蓄電池充足電，致使蓄電池經(jīng)常處于虧電狀態(tài)，縮短蓄電池使用壽命。另外，蓄電池容量大，價格和使用費(fèi)用隨之增大，給經(jīng)濟(jì)上也造成不必要的浪費(fèi)。蓄電池容量過小時，會使蓄電池經(jīng)常處于過充電狀態(tài)。蓄電池充足電后，控制器會為風(fēng)機(jī)和光伏電池瀉荷，這樣就會嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)與光伏電池工作效率。蓄電池長期過充電將會使蓄電池早期損壞，縮短使用壽命。

根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄甑臍庀筚Y料，設(shè)計供電電源為連續(xù)3日陰天且無風(fēng)的氣候條件下，路燈正常工作。冬至路燈工作時間（17:30至次日7:30）最長14h，路燈額定工作電流1.67A，－15。C時電池充電容量為額定容量63％，放電深度取50％，系統(tǒng)效率95％，蓄電池容量應(yīng)大于234Ah，選擇2塊120Ah容量的12V太陽能專用膠體電池。

太陽能專用膠體蓄電池采用獨(dú)特的膠體技術(shù)，其主要技術(shù)性能均達(dá)到或超過JB/T9653－1999的標(biāo)準(zhǔn)：

（1）密封反應(yīng)效率大于99％，無需補(bǔ)加水，實(shí)現(xiàn)真正的免維護(hù)，使用方便，可隨意放置，適合各種方式安裝。

（2）緊裝配設(shè)計，體積小、比能量高，壽命長，內(nèi)阻小，高倍率特性好。

（3）采用特殊合金和鉛膏配方，自放電率低，耐深放電和較強(qiáng)容量恢復(fù)能力。

（4）電池配方中不含對環(huán)境有污染和不易回收的鎘物質(zhì)，真正保證了電池的環(huán)保和安全。

（5）采用膠體電解質(zhì)，具有較寬的使用溫度－40℃～60℃，適合于各種環(huán)境的戶內(nèi)外使用。

（6）應(yīng)采用內(nèi)埋式接線柱，避免因腐蝕、脫落而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。

（7）膠體添加劑，應(yīng)適合小電流充電，弱電流充電適應(yīng)性強(qiáng)。

（8）膠體蓄電池使用壽命應(yīng)在5年以上，循環(huán)次數(shù)550次以上。

2.2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選擇

選擇風(fēng)機(jī)原則主要參考其性能指標(biāo)，啟動風(fēng)速和切入風(fēng)速越低越好，功率可以根據(jù)實(shí)際需要來確定。就其安全性而言，首先風(fēng)機(jī)的功率與體重比越大越好，風(fēng)機(jī)葉片直徑最好在2米以下（據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，小型風(fēng)機(jī)行業(yè)中在2米以下葉片直徑風(fēng)機(jī)的事故率幾乎為零）。其次是風(fēng)機(jī)的抗風(fēng)強(qiáng)度和制動性能。

根據(jù)水庫壩址氣象資料，選擇額定功率400W、額定電壓24V的HY-400/DC24V風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一臺。發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑1.8m，風(fēng)葉3片。額定風(fēng)速12m/s，啟動風(fēng)速2.3m/s，切入點(diǎn)風(fēng)速2.5m/s，風(fēng)機(jī)工作范圍3～25m/s。采用氣動失速及電磁制動，主機(jī)質(zhì)量15.2kg。風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率30％左右。

風(fēng)機(jī)葉片采用玻璃纖維加尼龍混合，熱壓鑄成型技術(shù)，保證了葉片的一致性，而且在保持葉片足夠強(qiáng)度的前提下，有較好的柔性和變形曲復(fù)強(qiáng)度。失速型葉片的設(shè)計，防止風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)飛車失控的情況發(fā)生。

發(fā)電機(jī)采用釹鐵硼永磁電機(jī)，并按B級絕緣和IP55的防護(hù)級等級制造，有足夠的的過載余量，提高整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)采用壓鑄鋁一體化成型結(jié)構(gòu)，把風(fēng)機(jī)的重量降到最低，在充分考慮風(fēng)機(jī)的氣動特性要求的前提下，突出外形的美觀效果，造型優(yōu)美。

2.2.4 光伏組件選擇

依據(jù)日照統(tǒng)計資料，年日照時數(shù)平均為2839.7h，日平均日照時數(shù)為7.8h，冬季日照時間短，最短每日只有6h，選用2塊50WP太陽能電池組件。該光伏電池組件為單晶硅，它的電壓范圍廣，光電轉(zhuǎn)換效率13.6%。

2.2.5 運(yùn)行方式選擇

風(fēng)光互補(bǔ)路燈運(yùn)行設(shè)計采用光控啟閉，其原理是通過智能控制系統(tǒng)記憶前一天的天亮?xí)r間，然后系統(tǒng)會自動天黑點(diǎn)亮，如果總運(yùn)行時間設(shè)定小于整夜時長，系統(tǒng)保證天亮前1h 再次點(diǎn)亮運(yùn)行，天亮后自動熄滅。

3 效益分析

桃林口水庫路燈改造可以采取兩種方案，第一種采用原高壓鈉燈光源進(jìn)行簡單的設(shè)備重置更換，第二種采用風(fēng)光互補(bǔ)路燈替代原有路燈，徹底更新改造。下面就這兩個方案進(jìn)行效益比較。

3.1 原有路燈改造效益分析

水庫現(xiàn)有路燈距離電源較近，每基路燈分?jǐn)偟墓╇婋娫?、電纜、控制系統(tǒng)配套工程費(fèi)與路燈造價總和約2.3萬元，與風(fēng)光互補(bǔ)路燈基本一致。第一種方案每基十年運(yùn)行費(fèi)用為12545元，其中電費(fèi)12045元，維護(hù)費(fèi)500元；第二種方案只需每5年更換一次電池共3900元，每基十年運(yùn)行費(fèi)用只有3900元。風(fēng)光互補(bǔ)路燈比原有路燈每基十年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)8645元。

3.2 遠(yuǎn)離電源的山頂新建路燈效益分析

棧道山頂路燈距庫區(qū)最近電源約1km，采用第一種方案敷設(shè)電纜費(fèi)用3.2萬元，而且施工難度很大，電能損失達(dá)到20％。每基十年運(yùn)行費(fèi)用15556元，其中電費(fèi)15056元，維護(hù)費(fèi)500元。風(fēng)光互補(bǔ)路燈可每基節(jié)約建設(shè)費(fèi)用3.2萬元，每基十年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)11656元。

3.3 生態(tài)效益分析

據(jù)美國“能量之星”計劃中所提出的“終端節(jié)能”概念，在能源消費(fèi)的終端設(shè)備或系統(tǒng)上采取節(jié)能措施投資1個單位資金，相當(dāng)于對能源生產(chǎn)投資5～10個單位資金。從這個意義上講，采用風(fēng)光互補(bǔ)路燈減少能耗，少見電廠，不但節(jié)約大量資金，節(jié)約大量煤炭資源，而且還減少大氣污染和CO2氣體排放。即節(jié)能又減排，社會效益顯著。

4 結(jié)語

（1）桃林口水庫投入使用的7基風(fēng)光互補(bǔ)路燈經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢驗，效果良好。智能控制系統(tǒng)自動關(guān)閉路燈，避免了人為控制造成凌晨關(guān)閉不及時所造成的電能浪費(fèi)。

（2）風(fēng)光互補(bǔ)路燈是一種節(jié)能環(huán)保型路燈，如果桃林口水庫現(xiàn)有63基路燈全部改造成風(fēng)光互補(bǔ)路燈，每年可節(jié)約電能13.4萬kWh，節(jié)約52.5噸標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)約電費(fèi)10.72萬元。

（3）風(fēng)光互補(bǔ)路燈在遠(yuǎn)離電源的道路、公園、山頂?shù)葢?yīng)用具有無比的優(yōu)越性。

（4）無極燈（電磁感應(yīng)燈）作為一種新型的綠色電光源，它兼顧了節(jié)能、長壽、環(huán)保等綜合指標(biāo)，其廣泛應(yīng)用前景將與日俱增，將進(jìn)一步應(yīng)用于辦公照明。

（5）桃林口水庫地處山區(qū)，風(fēng)能和太陽能資源充足，應(yīng)加大開發(fā)這種清潔能源的力度，增強(qiáng)節(jié)能減排意識。