甘南藏區(qū)太陽(yáng)能路燈應(yīng)用可行性分析

張曉娟，鄭維民

(甘肅民族師范學(xué)院，甘肅 甘南 747000)

0 引言

太陽(yáng)能是地球上“取之不盡、用之不竭”的清潔、綠色、可再生能源。近年來(lái)，太陽(yáng)能路燈在各大城市的應(yīng)用方興未艾。但是，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于各種原因，太陽(yáng)能路燈還未普及。甘肅省甘南州大部分地區(qū)地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，交通不便，距離骨干電網(wǎng)遠(yuǎn)，水力資源和煤炭資源缺乏，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需用電都是靠遠(yuǎn)距離輸送的，投資成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本地區(qū)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力。但是該地區(qū)地處青藏高原和黃土高原交界處，屬于高海拔山區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富。根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)得知，本地區(qū)年太陽(yáng)能總輻射量在4 700～5 400 MJ/m3之間，每年太陽(yáng)日照時(shí)數(shù)大于六小時(shí)的天數(shù)在一百五十天以上，屬太陽(yáng)能資源較豐富和較穩(wěn)定地區(qū)［1］。在此種條件下，在甘南藏區(qū)公路和街道及公共活動(dòng)場(chǎng)所安裝太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)是可行的。

1 太陽(yáng)能路燈的基本組成及工作原理

1.1 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的組成元件

太陽(yáng)能路燈組成元件包括以下幾部分:太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能調(diào)控器，太陽(yáng)光源，蓄電池組，燈桿及燈具［1-2］。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

在太陽(yáng)能調(diào)控器的控制下，白天光照條件下，太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，晚上當(dāng)照度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，太陽(yáng)能電池組件開(kāi)路電壓達(dá)到設(shè)定電壓，充放電控制器檢測(cè)到這一電壓值后立即工作，蓄電池就可提供電源給燈具。太陽(yáng)能直流調(diào)控器在任何條件下都能保證蓄電池不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間充電或長(zhǎng)時(shí)間放電使電源及其它元件損壞。太陽(yáng)能照明系統(tǒng)同時(shí)還有光控，時(shí)控和溫度補(bǔ)償及防雷保護(hù)功能［3-4］，這些元件的配置大大地提高了太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2 甘南州安裝太陽(yáng)能路燈現(xiàn)狀

根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況得知，如表1所述，本地區(qū)對(duì)太陽(yáng)能路燈的應(yīng)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區(qū)安裝了太陽(yáng)能路燈作為試點(diǎn)，很多地方政府和群眾對(duì)此系統(tǒng)都不是很了解。

表1 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)使用現(xiàn)狀調(diào)查表

3 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)與普通電力路燈在運(yùn)行當(dāng)中的投資費(fèi)用與環(huán)境效益的分析與評(píng)價(jià)

3.1 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)與普通電力路燈在運(yùn)行當(dāng)中的投資費(fèi)用比較

現(xiàn)以臨潭縣后川村安裝的太陽(yáng)能路燈參數(shù)(表2)為例，對(duì)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)與普通電力路燈在運(yùn)行當(dāng)中的投資費(fèi)用做一比較。

表2 太陽(yáng)能路燈元件參數(shù)表

根據(jù)表3可知:按市場(chǎng)最優(yōu)價(jià)格值計(jì)算。一盞普通路燈的市場(chǎng)價(jià)格為670元/盞～870元/盞，一盞普通路燈一年照明電費(fèi)為1 500元/盞，每五年更換一次燈光源，更換燈具費(fèi)用，維護(hù)費(fèi)用和管理人員所需費(fèi)用為2 064元/盞。一盞太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格為6 940元/盞，每五年更換一次蓄電池，更換蓄電池費(fèi)用為1 600元/盞，管理人員費(fèi)用為1 500元。設(shè)兩類(lèi)路燈每天照明時(shí)間為10小時(shí)，正常運(yùn)行周期按十五年計(jì)算，投入資金的年利率i為6%(本地銀行得知)。

表3 太陽(yáng)能路燈與普通電力路燈周期內(nèi)技術(shù)投資費(fèi)用參數(shù)表

計(jì)算兩類(lèi)路燈系統(tǒng)在運(yùn)行周期內(nèi)的費(fèi)用［4］:

注M1為普通路燈在運(yùn)行周期內(nèi)的費(fèi)用;M2為太陽(yáng)能路燈在運(yùn)行周期內(nèi)的費(fèi)用;A為普通路燈一年支出的電費(fèi);F為兩類(lèi)系統(tǒng)五年支出的費(fèi)用;I為資金的社會(huì)年利率;n為兩類(lèi)系統(tǒng)的運(yùn)行周期。

根據(jù)計(jì)算得:M1=28 692元，M2=9 765元。

由比較可知，太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)在規(guī)定的運(yùn)行周期內(nèi)投資明顯低于電力路燈系統(tǒng)，這也符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

3.2 太陽(yáng)能路燈與普通電力路燈的環(huán)境效益評(píng)價(jià)

3.2.1 普通電力的污染情況

我國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)的電力資源主要靠煤炭火力發(fā)電和水利發(fā)電，甘南地區(qū)的電力資源主要是靠主干電路遠(yuǎn)距離輸送。就煤炭火力發(fā)電而言，引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題非常嚴(yán)重，如大氣污染、煤礦資源枯竭等等，使生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。就甘南州臨潭縣而言，地處洮河干流附近，近年來(lái)隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，為解決電力資源缺乏問(wèn)題，在臨潭附近修建八處水電站，洮河干流很多地方因修水電站而改河道，造成原有河床干涸，水土流失嚴(yán)重，原河道兩旁居住的農(nóng)民的生活受到很大的影響，環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重。

3.2.2 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)和普通電力路燈的運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)比

普通電力路燈在基礎(chǔ)設(shè)施方面投資成本很大，而長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離輸送和地下埋線，會(huì)造成電纜線不同程度的腐融，運(yùn)行期間需要不間斷維修。如果運(yùn)行期間任何一條路線有問(wèn)題，需要大面積開(kāi)挖電纜線進(jìn)行維修，工程量大，投資費(fèi)用高，在應(yīng)用期間降低了可靠性，尤其在安全方面造成了很大的隱患。電力路燈電費(fèi)昂貴，長(zhǎng)時(shí)間不間斷維護(hù)和更換線路等其他配置，維護(hù)成本逐年增加，投資成本會(huì)不斷升高。通過(guò)以上對(duì)比得知，太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)安裝時(shí)資金一次性投入。安裝時(shí)，只要做好固定燈桿基臺(tái)，直接將燈桿固定在上面即可，不需要鋪設(shè)復(fù)雜線路，不需要外電源輔助。使用時(shí)也不需要專(zhuān)門(mén)的操控人員，在運(yùn)行周期內(nèi)無(wú)任何管理費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，也不會(huì)存在安全隱患問(wèn)題。在運(yùn)用期間，只要有光源就可正常照明，其運(yùn)行可靠性大大高于普通電力路燈系統(tǒng)。

綜上所述，與普通電力路燈相比，太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)在設(shè)備、安裝費(fèi)用和運(yùn)行周期內(nèi)的費(fèi)用投資小。每隔五年維修一次，維護(hù)費(fèi)用低。運(yùn)行期間需要的管理人員少，管理費(fèi)用低。太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)依靠可再生能源，不需要外在電力輔助就可正常運(yùn)行，其運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定，安全性能高，照明可靠性也高于普通電力路燈系統(tǒng)，不存在環(huán)境污染問(wèn)題，在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益方面都占有很大的優(yōu)勢(shì)。由此可以看出，在甘南地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)中，公路照明及其他公共照明設(shè)施中，引用太陽(yáng)能照明系統(tǒng)是可靠和可行的，也符合國(guó)家在環(huán)境保護(hù)方面提出的各項(xiàng)要求。

4 甘南州地區(qū)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)安裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 確定某段特定道路上所需路燈數(shù)量

通過(guò)道路平均照度計(jì)算［5］，可以確定出某段特定的道路上所需路燈的數(shù)量。

道路照度計(jì)算公式:

其中H為道路平均照度;γ為光源的總光通量;η為路燈在道路兩邊為成對(duì)排列安裝時(shí)取2，單側(cè)安裝和交錯(cuò)安裝時(shí)取1;θ為光的利用指數(shù);λ為系統(tǒng)維護(hù)指數(shù);β為所選路面的寬度;ρ為兩燈桿間的距離。

其中γ、θ﹑λ數(shù)據(jù)可以通過(guò)所選路燈銘牌獲得，η、β、ρ與所選路段有關(guān)。

4.2 甘南州地區(qū)太陽(yáng)能路燈電池板安裝最優(yōu)仰角的確

對(duì)于太陽(yáng)能路燈電池板安裝仰角的設(shè)計(jì)。根據(jù)不同地區(qū)地理位置存在差異情況，在安裝太陽(yáng)能電池板時(shí)，需要考慮電池板的仰角度數(shù)。安裝太陽(yáng)能電池板時(shí)，應(yīng)該以長(zhǎng)期供電，照明時(shí)間穩(wěn)定、可靠為前提，而不是在短時(shí)間發(fā)電量最大為首選，應(yīng)該選擇一年四季中太陽(yáng)在當(dāng)?shù)剌椛淠芰孔钚〉臅r(shí)候，發(fā)電量最多為最優(yōu)仰角。這樣可以確保路燈夜間照明時(shí)數(shù)的穩(wěn)定性。

由于已有相關(guān)光伏系統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的最優(yōu)仰角研究設(shè)計(jì)文獻(xiàn)看，常常依據(jù)半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔正確，國(guó)內(nèi)中部地區(qū)的太陽(yáng)能電池板仰角值可直接查看文獻(xiàn)［6］。我國(guó)中部地區(qū)的全年最優(yōu)仰角及其中部地區(qū)各月太陽(yáng)平均日輻射量中，西安地區(qū)(緯度為34.30°)最接近甘南州地區(qū)(緯度為35°)，這樣，甘南州地區(qū)可以以西安為參考。西安地區(qū)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的最優(yōu)仰角值為26°，甘南州地區(qū)也應(yīng)該選擇26°為最優(yōu)仰角。在此仰角值上再加上本地區(qū)赤緯角23.5°即可。即26°+23.5°=49.5°≈50°為甘南州地區(qū)及周邊地區(qū)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能路燈電池板的最優(yōu)仰角值。此值也可應(yīng)用到本地區(qū)其他太陽(yáng)能照明系統(tǒng)中電池板的仰角。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能路燈和普通電力路燈的性?xún)r(jià)比、環(huán)境效益和照明可靠性的比較，在甘南州地區(qū)公路安裝太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)是可行的，響應(yīng)了國(guó)家關(guān)于環(huán)境保護(hù)方面的要求。本地政府應(yīng)該加大政策引導(dǎo)和資金投資力度，響應(yīng)國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題提出的各項(xiàng)政策，加大環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)的投資，充分利用本地區(qū)太陽(yáng)能資源，在本地區(qū)大力推廣和宣傳太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的利用，使太陽(yáng)能照明系統(tǒng)在本地區(qū)利用普遍化，使本地區(qū)人民能夠利用綠色能源，提高生活環(huán)境的舒適度。

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