田國純

摘要：桃林口水庫路燈照明設施在多年運行中存在著老化嚴重、運行成本高、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，采用了風光互補路燈，充分利用了當?shù)刎S富的風能和太陽能綠色能源，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

主題詞：桃林口水庫 風光互補路燈 技術改造 效益

河北省桃林口水庫位于秦皇島市青龍縣境內灤河支流青龍河上，是“八五”期間水利部和河北省的重點建設項目，是集城市供水、農業(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)內道路照明設施損壞嚴重，運行成本高，耗能大。針對這種現(xiàn)狀，2008年我們對部分路燈進行了技術改造。

1 路燈概況

1.1 路燈原設計情況

桃林口水庫庫區(qū)內交通道路（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。路燈用電總負荷為89盞燈共22.25kW，光源設計采用250W高壓鈉燈，塑料透明燈罩。

1.2 水庫路燈運行現(xiàn)狀

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

根據(jù)有關資料，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)設備，管理維護難度較大，費用較高。塑料燈罩耐老化程度差，受外界環(huán)境和燈泡發(fā)熱影響，運行使用一年左右透光性大大降低。燈具密封差導致飛蟲和塵土積聚，嚴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高壓鈉燈實際功耗為300W，則每年水庫路燈運行費（不包括人工費）高達11.1萬元，其中材料費0.4萬元，電費10.7萬元。

另外，水庫路燈經(jīng)過十多年的運行，路燈桿和燈架脫漆、銹蝕比較嚴重，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?shù)鼐陀小岸篮拥谋?、三道河的風”的民諺，意思是說二道河的冰凍得厚、三道河的風力很大。根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T提供的資料，水庫壩址地處季風氣候地區(qū)，冷暖空氣活動頻繁，風向多變，主要盛行西南風和東北風。年平均風速為2.47m/s，最大風速22. 7m/s。4月最大，平均風速為3.6m/s，8月最小，平均風速為1.6m/s。風速的季節(jié)變化明顯，春季風速大，秋季次之，夏季最小。而且當?shù)厝照粘渥?，年日照時數(shù)平均為2839.7h，日平均日照時數(shù)為7.8h。

2.2風光互補路燈設計

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

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、壽命等性能指標進行比較，借鑒秦皇島市龍源大道路燈實際運行效果，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。

各種光源性能指標見表1。

2.2.2電池組選擇

電池組容量確定應綜合考慮光源的功率、照明時長、光伏電池和風力發(fā)電機的功率因素，科學計算，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行匹配的。

蓄電池容量過大時，風光發(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，價格和使用費用隨之增大，給經(jīng)濟上也造成不必要的浪費。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，控制器會為風機和光伏電池瀉荷，這樣就會嚴重影響風機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?shù)囟嗄甑臍庀筚Y料，設計供電電源為連續(xù)3日陰天且無風的氣候條件下，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特的膠體技術，其主要技術性能均達到或超過JB/T9653－1999的標準：

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

（2）緊裝配設計，體積小、比能量高，壽命長，內阻小，高倍率特性好。

（3）采用特殊合金和鉛膏配方，自放電率低，耐深放電和較強容量恢復能力。

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

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

（6）應采用內埋式接線柱，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，應適合小電流充電，弱電流充電適應性強。

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

2.2.3 風力發(fā)電機組選擇

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

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風力發(fā)電機組一臺。發(fā)電機風輪直徑1.8m，風葉3片。額定風速12m/s，啟動風速2.3m/s，切入點風速2.5m/s，風機工作范圍3～25m/s。采用氣動失速及電磁制動，主機質量15.2kg。風電轉換效率30％左右。

風機葉片采用玻璃纖維加尼龍混合，熱壓鑄成型技術，保證了葉片的一致性，而且在保持葉片足夠強度的前提下，有較好的柔性和變形曲復強度。失速型葉片的設計，防止風力發(fā)電機出現(xiàn)飛車失控的情況發(fā)生。

發(fā)電機采用釹鐵硼永磁電機，并按B級絕緣和IP55的防護級等級制造，有足夠的的過載余量，提高整個風力發(fā)電機的可靠性。風力發(fā)電機組的結構設計上應采用壓鑄鋁一體化成型結構，把風機的重量降到最低，在充分考慮風機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，光電轉換效率13.6%。

2.2.5 運行方式選擇

風光互補路燈運行設計采用光控啟閉，其原理是通過智能控制系統(tǒng)記憶前一天的天亮時間，然后系統(tǒng)會自動天黑點亮，如果總運行時間設定小于整夜時長，系統(tǒng)保證天亮前1h 再次點亮運行，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行簡單的設備重置更換，第二種采用風光互補路燈替代原有路燈，徹底更新改造。下面就這兩個方案進行效益比較。

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，每基路燈分攤的供電電源、電纜、控制系統(tǒng)配套工程費與路燈造價總和約2.3萬元，與風光互補路燈基本一致。第一種方案每基十年運行費用為12545元，其中電費12045元，維護費500元；第二種方案只需每5年更換一次電池共3900元，每基十年運行費用只有3900元。風光互補路燈比原有路燈每基十年節(jié)約運行費8645元。

3.2 遠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電纜費用3.2萬元，而且施工難度很大，電能損失達到20％。每基十年運行費用15556元，其中電費15056元，維護費500元。風光互補路燈可每基節(jié)約建設費用3.2萬元，每基十年節(jié)約運行費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，在能源消費的終端設備或系統(tǒng)上采取節(jié)能措施投資1個單位資金，相當于對能源生產(chǎn)投資5～10個單位資金。從這個意義上講，采用風光互補路燈減少能耗，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 結語

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

（2）風光互補路燈是一種節(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光互補路燈，每年可節(jié)約電能13.4萬kWh，節(jié)約52.5噸標準煤，節(jié)約電費10.72萬元。

（3）風光互補路燈在遠離電源的道路、公園、山頂?shù)葢镁哂袩o比的優(yōu)越性。

（4）無極燈（電磁感應燈）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，其廣泛應用前景將與日俱增，將進一步應用于辦公照明。

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