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2829风光互补路灯在桃林口水库技改工程中的应用田国纯河北省桃林口水库管理局摘 要：桃林口水库路灯照明设施在多年运行中存在着老化严重、运行成本高、 耗能大等问题。为彻底改变这个现状，在2008年在路灯改造中，采用了 风光互补路灯，充分利用了当地丰富的风能和太阳能绿色能源，经济效益 和社会效益显著。主题词：桃林口水库风光互补路灯技术改造效益 河北省桃林口水库位于秦皇岛市青龙县境内滦河支流青龙河上，是“八五”期间水利部和河北省的重点建设项目，是集城市供水、农业灌溉和水力发电为一体的大（二）型水利枢纽工程。控制流域面积5060km2，总库容8.59亿m3，总投资18亿元。工程于1992年11月5日开工，1998年11月竣工。十多年来，水库管理区内道路照明设施损坏严重，运行成本高，耗能大。针对这种现状，2008年我们对部分路灯进行了技术改造。 1路灯概况 1.1路灯原设计情况 桃林口水库库区内交通道路（包括坝顶路面）长约4km，共有路灯63基，其中双光源（250W×2）路灯26基，单光源（250W×1）路灯37基。水库坝面路灯为25基钢管路灯杆，其余38基为水泥路灯杆。路灯用电总负荷为89盏灯共22.25kW，光源设计采用250W高压钠灯，塑料透明灯罩。 1.2水库路灯运行现状 桃林口水库工程自1998年11月投入运行至今，已经十年，冬季路灯运行时间为18:00至次日7:00，夏季运行时间为20:00至次日6:00，全年路灯运行时间平均时间为每天11h左右。 根据有关资料，高压钠灯平均寿命约只有1000h，每年都要更换灯泡2～3次，才能保证路灯正常运行，而且一般光源距离地面都在10m左右，更换灯泡需要专业设备，管理维护难度较大，费用较高。塑料灯罩耐老化程度差，受外界环境和灯泡发热影响，运行使用一年左右透光性大大降低。灯具密封差导致飞虫和尘土积聚，严重影响路灯照射道路的亮度。 按每年更换两次灯泡计算，价格20元/只，电价0.80元/kW.h，用电效率80％，250W高压钠灯实际功耗为300W，则每年水库路灯运行费（不包括人工费）高达11.1万元，其中材料费0.4万元，电费10.7万元。 另外，水库路灯经过十多年的运行，路灯杆和灯架脱漆、锈蚀比较严重，灯头和灯罩也又不同程度破损，这些老产品配件厂家早已停产，无法维修，彻底更换改造所有路灯势在必行。 2路灯改造方案设计 2.1自然资源情况 水库大坝所在位置三道河村，水库管理局办公楼位于二道河村，自古当地就有“二道河的冰、三道河的风”的民谚，意思是说二道河的冰冻得厚、三道河的风力很大。根据当地气象部门提供的资料，水库坝址地处季风气候地区，冷暖空气活动频繁，风向多变，主要盛行西南风和东北风。年平均风速为2.47m/s，最大风速22.7m/s。4月最大，平均风速为3.6m/s，8月最小，平均风速为1.6m/s。风速的季节变化明显，春季风速大，秋季次之，夏季最小。而且当地日照充足，年日照时数平均为2839.7h，日平均日照时数为7.8h。 2.2风光互补路灯设计 根据当地气象特点，参考秦皇岛市龙源大道建设的经验，桃林口水库路灯改造方案采用风光互补型路灯方案。即采用风力发电机和太阳能光伏组件合理互补配置，将风能和太阳能转变成电能储存在蓄电池内，供路灯照明使用。风光互补路灯见图1。经验讲坛ExperienceForum新能源产业新能源产业2829 首批完成7基路灯改造，其中坝面更换5基，坝下桥西桥头新建1基，库区南栈道山顶新建1基。 2.2.1光源选择 在确定光源时，重点对高压汞灯、高压钠灯、金卤灯、LVD无极灯等四种类型光源的亮度、效率、寿命等性能指标进行比较，借鉴秦皇岛市龙源大道路灯实际运行效果，最后选择40W、24V的LVD无极灯作为路灯光源。LVD无极灯具有寿命超长、节能、环保、无频闪、显色性好、色温可选、可见光比例高、起动电流低、工组电流广、光衰小等特点。表1各种光源性能指标比较表 2.2.2电池组选择 电池组容量确定应综合考虑光源的功率、照明时长、光伏电池和风力发电机的功率因素，科学计算，合理匹配。一般都是按照输入和输出相等，或输入略大于输出的原则进行匹配的。 蓄电池容量过大时，风光发出的能量不能保证及时地给蓄电池充足电，致使蓄电池经常处于亏电状态，缩短蓄电池使用寿命。另外，蓄电池容量大，价格和使用费用随之增大，给经济上也造成不必要的浪费。蓄电池容量过小时，会使蓄电池经常处于过充电状态。蓄电池充足电后，控制器会为风机和光伏电池泻荷，这样就会严重影响风机与光伏电池工作效率。蓄电池长期过充电将会使蓄电池早期损坏，缩短使用寿命。 根据当地多年的气象资料，设计供电电源为连续3日阴天且无风的气候条件下，路灯正常工作。冬至路灯工作时间（17:30至次日7:30）最长14h，路灯额定工作电流1.67A，－15。C时电池充电容量为额定容量63％，放电深度取50％，系统效率95％，蓄电池容量应大于234Ah，选择2块120Ah容量的12V太阳能专用胶体电池。太阳能专用胶体蓄电池采用独特的胶体技术，其主要技术性能均达到或超过JB/T9653－1999的标准： （1）密封反应效率大于99％，无需补加水，实现真正的免维护，使用方便，可随意放置，适合各种方式安装。 （2）紧装配设计，体积小、比能量高，寿命长，内阻小，高倍率特性好。 （3）采用特殊合金和铅膏配方，自放电率低，耐深放电和较强容量恢复能力。 （4）电池配方中不含对环境有污染和不易回收的镉物质，真正保证了电池的环保和安全。 （5）采用胶体电解质，具有较宽的使用温度－40℃～60℃，适合于各种环境的户内外使用。 （6）应采用内埋式接线柱，避免因腐蚀、脱落而引起的系统不稳定问题。 （7）胶体添加剂，应适合小电流充电，弱电流充电适应性强。 （8）胶体蓄电池使用寿命应在5年以上，循环次数550次以上。经验讲坛ExperienceForum新能源产业新能源产业3031经验讲坛Experience新农村新能源NewCountryside& 2.2.3风力发电机组选择 选择风机原则主要参考其性能指标，启动风速和切入风速越低越好，功率可以根据实际需要来确定。就其安全性而言，首先风机的功率与体重比越大越好，风机叶片直径最好在2米以下（据有关资料统计，小型风机行业中在2米以下叶片直径风机的事故率几乎为零）。其次是风机的抗风强度和制动性能。 根据水库坝址气象资料，选择额定功率400W、额定电压24V的HY-400/DC24V风力发电机组一台。发电机风轮直径1.8m，风叶3片。额定风速12m/s，启动风速2.3m/s，切入点风速2.5m/s，风机工作范围3～25m/s。采用气动失速及电磁制动，主机质量15.2kg。风电转换效率30％左右。 风机叶片采用玻璃纤维加尼龙混合，热压铸成型技术，保证了叶片的一致性，而且在保持叶片足够强度的前提下，有较好的柔性和变形曲复强度。失速型叶片的设计，防止风力发电机出现飞车失控的情况发生。 发电机采用钕铁硼永磁电机，并按B级绝缘和IP55的防护级等级制造，有足够的的过载余量，提高整个风力发电机的可靠性。风力发电机组的结构设计上应采用压铸铝一体化成型结构，把风机的重量降到最低，在充分考虑风机的气动特性要求的前提下，突出外形的美观效果，造型优美。 2.2.4光伏组件选择 依据日照统计资料，年日照时数平均为2839.7h，日平均日照时数为7.8h，冬季日照时间短，最短每日只有6h，选用2块50WP太阳能电池组件。该光伏电池组件为单晶硅，它的电压范围广，光电转换效率13.6%。 2.2.5运行方式选择 风光互补路灯运行设计采用光控启闭，其原理是通过智能控制系统记忆前一天的天亮时间，然后系统会自动天黑点亮，如果总运行时间设定小于整夜时长，系统保证天亮前1h再次点亮运行，天亮后自动熄灭。 3效益分析 桃林口水库路灯改造可以采取两种方案，第一种采用原高压钠灯光源进行简单的设备重置更换，第二种采用风光互补路灯替代原有路灯，彻底更新改造。下面就这两个方案进行效益比较。 3.1原有路灯改造效益分析 水库现有路灯距离电源较近，每基路灯分摊的供电电源、电缆、控制系统配套工程费与路灯造价总和约2.3万元，与风光互补路灯基本一致。第一种方案每基十年运行费用为12545元，其中电费12045元，维护费500元；第二种方案只需每5年更换一次电池共3900元，每基十年运行费用只有3900元。风光互补路灯比原有路灯每基十年节约运行费8645元。 3.2远离电源的山顶新建路灯效益分析 栈道山顶路灯距库区最近电源约1km，采用第一种方案敷设电缆费用3.2万元，而且施工难度很大，电能损失达到20％。每基十年运行费用15556元，其中电费15056元，维护费500元。风光互补路灯可每基节约建设费用3.2万元，每基十年节约运行费11656元。 3.3生态效益分析 据美国“能量之星”计划中所提出的“终端节能”概念，在能源消费的终端设备或系统上采取节能措施投资1个单位资金，相当于对能源生产投资5～10个单位资金。从这个意义上讲，采用风光互补路灯减少能耗，少见电厂，不但节约大量资金，节约大量煤炭资源，而且还减少大气污染和CO2气体排放。即节能又减排，社会效益显著。 4结语 （1）桃林口水库投入使用的7基风光互补路灯经过实际运行检验，效果良好。智能控制系统自动关闭路灯，避免了人为控制造成凌晨关闭不及时所造成的电能浪费。 （2）风光互补路灯是一种节能环保型路灯，如果桃林口水库现有63基路灯全部改造成风光互补路灯，每年可节约电能13.4万kWh，节约52.5吨标准煤，节约电费10.72万元。 （3）风光互补路灯在远离电源的道路、公园、山顶等应用具有无比的优越性。 （4）无极灯（电磁感应灯）作为一种新型的绿色电光源，它兼顾了节能、长寿、环保等综合指标，其广泛应用前景将与日俱增，将进一步应用于办公照明。 （5）桃林口水库地处山区，风能和太阳能资源充足，应加大开发这种清洁能源的力度，增强节能减排意识。经验讲坛ExperienceForum新能源产业新能源产业