风能和太阳能在路灯系统中的综合应用

作者姓名：陈晨（新型风光互补路灯系统的应用）新型风光互补路灯系统的应用摘要：本文通过将风电和太阳能发电技术综合应用于路灯照明系统，不仅实现了常规能源和非常规能源的互补利用，更重要的是通过对风能和太阳能的开发可以有效地对二氧化碳等温室气体的排放起到控制和削减作用。着重介绍了风电和太阳能照明系统的工作原理和技术构成，对整个系统的特点进行了简单的描述。最后对该照明系统的工作效果和对二氧化碳的减排效果进行了预测。关键词：风光互补，风机，温室气体，减排1 引言1.1 全球变暖与温室气体排放控制当今世界正面临着严峻的气候变化带来的挑战。不断增加的温室气体排放导致地球的平均气温持续攀升。据此预测，未来将发生剧烈的气候变化，科学家们还预测，我们共同生活这的星球将因此面临更严重的经济、社会、环境等带来的巨大压力！ 全球变暖的罪魁祸首大量排放的温室气体，诸如：二氧化碳、SF6气体、CH4、O3、CFC、N2O等，大大加速了全球变暖的趋势。而在所有排放温室气体的行业中，电力工业是排放量最多的行业之一。减少电力工业温室气体排放对控制总排放量的减少具有特殊的重要意义。按CO2排放的来源看，电力占39%，交通占23%，商务占20%，农业占16%2。作为主要的CO2排放来源，电厂一直是减少温室气体排放的研究重点，火力发电因用煤炭，产生CO2最多，一般发1kWh电量，需要煤400g，同时，产生CO2800g。而我国电力的80%以上靠火力发电。因此，全球变暖，首先与温室气体，特别是CO2的排放有关。而温室气体正是人类活动导致的，如人类燃烧化石能源释放大量温室气体。因此，联合国报告得出结论说，全球变暖90%是人惹的祸。 火电厂是CO2排放大户。火电厂用石化燃料，排放出大量CO2气体。煤炭仍然是发电最主要燃料，尤其是在拥有大量本土煤炭资源的地区，其中包括美国、中国、印度、澳大利亚和东欧各国。从根本上说，化石燃料，即煤和天然气必须起主要作用。根据EIA和IEA的预测，到2030年化石燃料发电量很可能占世界发电总量的60%以上1。在今年的10年里，全球对电力需求将以每年3%的速度增长。在经济迅速增长的中国和印度，电力需求的增长速度甚至可能更高。IEA还预测，在“正常营运”的前提下，到2030年，随着电力需求的增长，发电领域的二气化碳年排放量将增长到近190亿t。这使得如何实现电力行业的二氧化碳减排成为解决这一问题的重点。 以中国为例，据预测，从现在到2030年，中国将新增13亿kW发电容量，其中燃煤电电将占70%以上，而煤炭作为目前最大的二氧化碳排放源，到2030年，煤炭发电将占发电领域二氧化碳排放的80%，这将产生超过40亿t的二氧化碳排放量，相当于欧洲和北美地区整个发电领域目前的排放量3。 综合上述可知，减缓全球变暖的任务已经刻不容缓。最重要的环节在电力行业，所以在耗电的各个环节上尽量减少电力消耗将是全球各个部门和行业的重点任务！路灯，因为数量庞大所以也是耗电大户。如何更好地将风能和太阳能综合应用在路灯系统中，充分利用可再生资源替代传统能源是路灯系统设计中很值得研究的一个问题！2 风光互补路灯的特点众所周知，风能是一种比较利于开发利用的可再生能源，但它是一种过程性能源，只有转化为其他形式才可以存储。风能的供应具有随机性，因此，利用风能必须考虑储能或者与其他能源相互配合，才能获得稳定的能源供应。风能与太阳能具有很大的互补性，将太阳能与风能的利用相结合，开发风光互补型路灯，可以弥补太阳能和风能的各自不足，更重要的是可以降低传统能源的利用量，提高经济效益。从全球角度来看可以对减缓温室气体的排放起到很大的帮助作用。 白天太阳光最强时，风可能很小；晚上太阳落山后，地表温差大，风力加强。在夏季，太阳能强度大而风小；冬季，太阳能强度弱而风大。如图（1）所示。图1 风光互补型路灯示意图Picture 1 A chart of the wind and PV hybrid streetlight system太阳能和风能在时间上的互补，使风光互补发电系统在资源上可得到最佳匹配。将太阳能电池组件与风力发电机组成一个系统，可以充分发挥各自的优势，最大限度地利用好大自然赐予的自然资源，对于用电量大，用电要求高，而风能资源和太阳能资源又丰富的地区，风光互补供电无疑是一种最佳选择。3 风光互补型路灯的设计构成与工作原理3.1 风光互补型路灯的构成在本设计中，路灯的系统的供电部分主要由太阳能电池方阵、风力发电机、控制器、负载、蓄电池、灯杆组件等组成，如图2所示。 图2 风光互补路灯系统框图其余组件主要由灯头、侧偏尾舵、回转体以及连接导线部分等组成。3.2 系统的工作原理与工作特点（1） 查阅相关资料并通过比较，考虑到经济性、环保性和实用性，风机我们采用五叶片风轮，可以实现低速风启动。叶片尖速比较低，叶片受力小，风机叶片受力平稳，震动和噪音比较小。当风速达到启动风速后，风机开始转动发电，输出的电能供给灯源负载或者给蓄电池充电。当蓄电池端电压达到最高值时，通过控制电路进行开关切换，使系统进入闭环稳压控制，这样既保持对蓄电池充电，又保证蓄电池不过充。在风速超过截至风速时，风机通过机械限速机构在一定转速下限速运行，以保证风力发电机不被破坏。（2） 合理设计尾舵的重量及分部，在风力较小的时候，依靠尾舵的重力控制风机叶片的迎风方向，实现低风速启动，风力发电机中心和灯杆回转体轴线偏移，在风力超过额定风速时，能适当调整叶片迎风角度，以达到减速的目的。侧偏尾舵的摆动使得风机更好地吸收风能，提高系统的安全性能。当风速过大时，在侧偏尾舵的作用下减小风轮的迎风面积从而避免大风时对风机造成破坏。（3） 控制器利用常闭触电确保系统安全。在大风情况下即使继电器损坏也能起到保护作用。控制器中加入了测速装置，采用脉冲频率检测原理精确地检测风机转速，当达到预定转速时继电器自动跳转，确保风机在大风飞车前几式刹车限速2。当风速减小，风车转速降低至预定值时，测速装置又会自动跳转到蓄电池端，确保风机及时供电。（4） 太阳能电池方阵做为一个补充辅助的发电装置，白天通过太阳能电池板组和风力发电系统一起发电，并通过蓄电池存储。但是，考虑到太阳能电池板的价格相对来说比较昂贵，维护保养起来费用相对较高，所以大规模在道路路灯系统中采用时要充分考虑到性价比。比如重要路段或者重要高速公路可以考虑采用。 为了寻找出以最小设备投资成本满足路灯用电的系统配置，首先根据负载需求和当地气象参数粗略选定某一风力发电机的容量，在充分利用当地风能和风机容量不变的前提下，计算与该容量风机相匹配的光伏方阵的容量；然后再变化风机容量的大小，分别计算出与其相匹配的PV组建容量。3.3 确定路灯负荷这要根据当地路灯的具体型号、功率以及每天的用电时间确定负载用电量。显然从年度来衡量，每盏路灯的用电量为一恒定值，我们称其为均衡载荷。3.4 蓄电池组容量的确定查阅相关资料4，最优化的蓄电池组的容量C通常按照保证连续供电的天数来计算，如：式中：n表示蓄电池连续供电的天数（根据当地太阳能和风能的气象数据确定） Wd 表示日耗电量； U表示系统工作电压，一般为24V或者12V； DOCmax蓄电池最大放电深度，一般取40%； max由蓄电池到负载的放电回路效率，包括蓄电池的放电效率、控制器的效率以及线路损耗等，一般max为95%98%。3.5 风力发电机发电量的确定风光互补路灯中使用的风力发电机是启动速比较低的小型风力发电机，一般风速在2.3m/s左右就可以转动发电6。由于空气粘性和地面摩擦的影响风速大小随高度、地面平坦度、地表粗糙度以及风道气温的不同而异，其中受地表粗糙度的影响最大。再查阅相关资料可知，风速随高度的变化，可以用下面的公式来表示：式中：V0高度为h0 处的风速，m/s；根据设计经验，h0一般取10m; V待测高度h处的风速； h待测点离地面的高度； a由大气稳定度和地表的粗糙度来决定的指数，通常取1/21/8。对于路灯用小型风力发电机，日发点量计算公式如下： 选择风机容量应该是负载需求的2倍左右，最后我们可以用上式来确定风机的日发电量。3.6 太阳能电池组容量的确定太阳能电池组的发电量应该为负载所需要的总发电量与风机所发电量的差额，而且应以太阳能的发电量来确定太阳能电池板的容量。文献X中介绍的最优化电池板组的发电量的数学公式为4: 这样，通过计算出的太阳能电池板的总面积来确定太阳能电池板的容量。3.7 关于控制器为了更方便于远程观察，控制器的外壳上除了装有风力发电机充放电，太阳能充放电指示灯之外，还装有液晶显示器，便于直接观相关设备的充放电过程。4 间接减排作用的简单评估我们假设每一盏路灯的日耗电量为1.2KWH（上述系统是足可以满足这个假设的），每盏灯的日工作时间为6个小时，则日耗能折合为7.2103W，按照标准煤的发热量为20.934兆焦/千克，换算称功率单位为5000千瓦/千克，则每盏灯的日耗煤当量为1.44千克。按照每千克标煤充分燃烧产生2.41千克二氧化碳的粗略计算，1.44千克的标煤燃烧排放到空气中的二氧化碳含量应该不低于3.48千克，还没有计算其他种类的温室气体。由上述简单分析可以知道，如果道路照明系统能够根据当地条件充分开发利用风能和太阳能，来参与到路灯的供电系统中，不仅可以在经济上节约大规模铺设传统供电线路所需的高昂费用，更重要的是可以在环境上大大减少发电带来的二氧化碳等温室气体的排放。从长远来看，其所带来的多重效益是相当可观的！参考文献：1 方燕，马金花，高善风.风光互补路灯系统的优化设计方法J.新能源.2 张金光，曹