城市LED路燈照明節(jié)電效益分析

劉桂濤，白敬中

（1.孝感學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010）

隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，太陽(yáng)能燈具產(chǎn)品在節(jié)能環(huán)保兩方面具有雙重優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能LED路燈在北方光照條件較好的城市道路照明改造上的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。

LED路燈照明系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)供電，不需要鋪設(shè)復(fù)雜管線，節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)，是一種高效的綠色照明系統(tǒng)。本文以某城市道路照明改造成LED路燈照明工程實(shí)踐為例，分析改造后的節(jié)電效果。

1 工程概況

本工程為某縣城南工業(yè)區(qū)路口至洛陽(yáng)橋路燈工程，全長(zhǎng)13495 m，道路照明工程已經(jīng)運(yùn)行了15年，由于該縣城南邊新修筑了一條Ⅱ級(jí)主干道，而且該縣地處北方，太陽(yáng)光充足日照好，現(xiàn)擬將該道路照明工程改造成太陽(yáng)能供電LED燈照明。改造前照明標(biāo)準(zhǔn)參照城市Ⅱ級(jí)主干道選取，機(jī)動(dòng)車道平均照度按不小于30 lux，均勻度等于0.4設(shè)計(jì)；照明負(fù)荷等級(jí)為三級(jí)，由縣電網(wǎng)提供10 kV電源，經(jīng)專用路燈變壓器（SCB10-10/0.38 kV）變壓后，采用220 V向各路燈單相供電；燈具采用雙側(cè)對(duì)稱布置,為半截光型，仰角12°；光源為高壓鈉燈SON-T250 W；燈桿高度為12 m，安裝間距35 m，并布置在綠化帶中。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，高壓鈉燈泡、燈具、鎮(zhèn)流器、啟動(dòng)器、電容器、熔斷器、燈桿均為770套（支、根），路燈箱式變壓器、路燈控制箱均為9套。改造后原道路照明標(biāo)準(zhǔn)參照城市Ⅱ級(jí)次干道選取，機(jī)動(dòng)車道平均照度按照度為20 lux左右，均勻度等于0.35設(shè)計(jì)，光源為L(zhǎng)ED燈，并由獨(dú)立的光伏電源系統(tǒng)供電，LED燈和光伏電源系統(tǒng)均為770套。

2 太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1為太陽(yáng)能供電LED路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池、充放電控制器、蓄電池、LED燈、燈桿等構(gòu)成。系統(tǒng)不同工作狀態(tài)的控制轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的管理策略由基于單片機(jī)的充放電控制電路實(shí)現(xiàn)［1］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制信號(hào)為太陽(yáng)能電池輸出電壓。在白天光照條件下，控制電路檢測(cè)到太陽(yáng)能電池有正常輸出，則開啟充電電路，關(guān)閉放電電路，太陽(yáng)能電池將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)充電電路對(duì)蓄電池充電；天黑后，太陽(yáng)能電池停止工作，輸出端開路，則關(guān)閉充電電路，開啟放電電路，蓄電池將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能輸出到照明負(fù)載［2］。

太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能路燈的核心部分，太陽(yáng)能電池板是帶有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，根據(jù)光生伏特原理，能將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換成電能［3］。LED作為環(huán)保節(jié)能型半導(dǎo)體光源，是太陽(yáng)能路燈最為理想的光源，LED路燈中運(yùn)用了功率電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器，用于提供穩(wěn)定的電源；同時(shí)設(shè)計(jì)了高效率增強(qiáng)以及超節(jié)能脈沖寬度調(diào)變（PWM）2種輸出模式，配合時(shí)間控制，可以在需要的時(shí)候（上半夜天黑人多車多的時(shí)候）以高效率增強(qiáng)模式點(diǎn)亮LED路燈，提供良好的照明，而其它時(shí)間段（后半夜人車稀少的時(shí)候）則以超節(jié)能模式輸出，節(jié)約蓄電池的電力的消耗，延長(zhǎng)路燈工作時(shí)間［4］。

3 效益分析［4—6］

改造前，采用高壓鈉燈進(jìn)行城市道路照明，經(jīng)計(jì)算初投資相對(duì)較少，但需對(duì)光源和鎮(zhèn)流器進(jìn)行更換和維護(hù)，而且因道路照明時(shí)間很長(zhǎng)（10 h/晚），需要消耗大量市政電網(wǎng)供給的電能，后期費(fèi)用大。改造后，道路照明采用太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)供電的LED燈進(jìn)行照明，若太陽(yáng)能供電LED路燈系統(tǒng)成本以桿高每米1000元計(jì)算，初投資比較大，但城市道路照明完全不需要市政電網(wǎng)供給電能，能節(jié)約大量電能，后期費(fèi)用小。

3.1 改造前采用高壓鈉燈照明所需設(shè)備材料

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙統(tǒng)計(jì)，改造前采用高壓鈉燈照明所需設(shè)備材料如表1所示。

表1 使用高壓鈉燈照明時(shí)所需設(shè)備材料

3.2 改造后所需設(shè)備材料

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙統(tǒng)計(jì)，改造后采用LED路燈照明所需設(shè)備材料如表2所示。

表2 使用LED路燈照明時(shí)所需設(shè)備材料

3.3 高壓鈉燈與LED路燈成本分析

高壓鈉燈的使用期是10000 h，LED路燈的使用期是50000 h，按照每天10 h照明計(jì)算，LED路燈可使用13.7年，是高壓鈉燈的5倍。在LED路燈使用期內(nèi)其蓄電池需更換4次（3.5年更換一次，單價(jià)為455元/只），高壓鈉燈泡和鎮(zhèn)流器需更換5次（高壓鈉燈泡和鎮(zhèn)流器共計(jì)200元/只，人工機(jī)械費(fèi)每次200元/只），結(jié)合表1和表2中的數(shù)據(jù)，該道路安裝2種路燈的成本如表3所示。

3.4 節(jié)電量

該道路每天共照明10 h，按每年365 d計(jì)算，770套300 W高壓鈉燈（含鎮(zhèn)流器損耗50 W）一年的節(jié)電量為843150 kWh。太陽(yáng)能LED路燈的壽命為13.7年，則在13.7年內(nèi)用太陽(yáng)能LED路燈代替高壓鈉燈一共可節(jié)電1155.12萬(wàn)kWh。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益

近期按電價(jià)0.9元/kWh計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)支出75.88萬(wàn)元。在太陽(yáng)能LED路燈有效使用期13.7年內(nèi)，若考慮電價(jià)上漲因素，按平均電價(jià)1.65元/kWh計(jì)算，未來(lái)13.7年預(yù)計(jì)可節(jié)約電費(fèi)支出約1905.94萬(wàn)元。若不計(jì)算太陽(yáng)能LED路燈蓄電池更換的費(fèi)用，太陽(yáng)能LED路燈比高壓鈉燈多投資582.41萬(wàn)元，用節(jié)約電費(fèi)與之比較，則4.18年即可收回多投資部分。由表3可知太陽(yáng)能LED路燈比高壓鈉燈投資成本多支出722.55萬(wàn)元（含蓄電池更換費(fèi)用），扣除多余支出，13.7年內(nèi)實(shí)際節(jié)約資金1183.39萬(wàn)元。

表3 高壓鈉燈與太陽(yáng)能LED路燈成本分析表 萬(wàn)元

3.6 社會(huì)效益

以燃燒煤炭的火力發(fā)電為參考，計(jì)算節(jié)電的社會(huì)效益。根據(jù)統(tǒng)計(jì)：每節(jié)約1kWh電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kgce，同時(shí)減少污染排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳（CO2）、0.03 kg二氧化硫（SO2）、0.015 kg氮氧化物（NOx）。按13.7年內(nèi)節(jié)電1155.12 kWh計(jì)算，則可節(jié)約4620.48 tce，同時(shí)減少污染排放3141.93 t碳粉塵、11516.55 t二氧化碳（CO2）、346.54 t二氧化硫（SO2）、173.27 t氮氧化物（NOx）。

［1］吳波，盛戈皞,曾奕，等.多電池組太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電力電子技術(shù)，2008（2）：45-47.

［2］吳理博，趙爭(zhēng)鳴，劉建政，等.獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中的能量管理控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005（22）：68-72.

［3］趙爭(zhēng)鳴,劉建政,孫曉瑛，等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［4］劉桂濤，白敬中.太陽(yáng)能LED路燈在道路照明中的應(yīng)用［J］.孝感學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（6）：74-76.

［5］王建華，王金安.高效電子鎮(zhèn)流器在超市節(jié)能照明中的應(yīng)用［J］.電力需求側(cè)管理，2008（4）：46-47.

［6］童顯海，曾武，丁航，等.中國(guó)綠色照明工程節(jié)電效果和經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法的研究［J］.中國(guó)照明電器，2003（1）：22-23.