太陽能LED路燈在市政照明中的應(yīng)用發(fā)表時間:2023-08-18 15:46
太陽能是 21 世紀的主要能源,是地球上最直接、最清潔的可再生能源。每天輻射到地球表面的太陽能中的能量相當(dāng)于 2.5 億萬桶石油的能量。隨著全球資源的減少,基礎(chǔ)能源投資成本的增加,各種安全和污染問題增加。太陽能是一種取之不盡,用之不竭的安全環(huán)保新能源,受到能源企業(yè)的廣泛關(guān)注,研究人員開始對太陽能進行深入研究。在太陽能熱水器普及后,太陽能照明產(chǎn)品也開始走進大眾視野。目前,道路照明主要使用高效電光源和智能控制系統(tǒng)、高效電子設(shè)備和動力系統(tǒng)。道路照明需要消耗城市能源,如果在道路照明中使用太陽能,而不再消耗當(dāng)?shù)卣娋W(wǎng)提供的電力,將會大大減少城市的電能消耗。應(yīng)用太陽能 LED 路燈可節(jié)約投資,并且太陽能是一種綠色無污染的照明能源[2]。1 太陽能 LED 路燈概述1.1 太陽能 LED 路燈的結(jié)構(gòu)太陽能 LED 路燈主要由太陽能電池組件、組件支架、光源和電控箱(內(nèi)控)燈柱(含燈頭)等結(jié)構(gòu)組成。太陽能 LED 路燈白天通過太陽能光伏電池的光電反應(yīng)太陽能將轉(zhuǎn)換為電能,并儲存在蓄電池中,夜晚蓄電池可以通過電控箱驅(qū)動光源。太陽能 LED 路燈采用自動控制系統(tǒng),只需設(shè)置系統(tǒng)的運行模式,太陽能 LED路燈就會自動工作。1.2 太陽能 LED 路燈的特點太陽能 LED 路燈不需要采用大體積的供電電池,也不需要鋪設(shè)復(fù)雜昂貴的管道,可靈活布置,擁有廣闊的應(yīng)用空間,在我國很多城市都得到應(yīng)用。在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),太陽能 LED 路燈的建設(shè)與城市建設(shè)逐漸一體化,其先應(yīng)用在公益建筑,后來逐漸推廣到其他場所?,F(xiàn)今,在高速公路、公園、車站等公共場都可以見到太陽能 LED 路燈的身影。太陽能 LED 路燈基本上利用太陽光照明,不受區(qū)域資源限制。太陽能路燈具有安全性和環(huán)保性[3]。2 普通照明路燈與太陽能 LED 路燈的對比 2.1 安裝施工 普通照明路燈安裝程序復(fù)雜。首先需要安裝電纜,然后進行大量基礎(chǔ)施工,如挖坑,建設(shè)暗管、內(nèi)部線路和凹槽。一旦在安裝、調(diào)試、布線等環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,就需要進行大面積的重新施工。而且普通照明路燈對地形等的要求非常嚴格,人工和輔助材料成本高。相比之下,太陽能 LED 路燈可以輕松安裝,安裝太陽能路燈時,無須使用普通照明路燈復(fù)雜的安裝工藝,只需要鋪設(shè)水泥底座,然后用不銹鋼螺栓固定[4]。 2.2 保養(yǎng)維護作者簡介: 楊柏旺,男,碩士,工程師,研究方向為市政電氣工程。普通照明路燈通常需要進行保養(yǎng)和維護, 照明工程 保養(yǎng)和維護費用會逐年增加。太陽能 LED 路燈只能一次性使用 3 年,之后需要更換新路燈,省下的 3 年的投資、維護費用可用于抵消更換新路燈的費用。從長遠來看,太陽能 LED 路燈可以節(jié)約投資成本和維護費用,帶來長期利潤。 2.3 能源消耗 城區(qū)對照明亮度要求高,一般采用 250 W 鈉燈或 400 W 鈉燈,而使用 112 W 或 180 W 的太陽能 LED路燈也能滿足實際需要。相比普通照明路燈,太陽能LED 路燈耗電更少、成本更低、亮度適中,在城市建設(shè)中越來越普及,深受人們的歡迎[5] 。 3 太陽能 LED 路燈的使用限制 3.1 不適合密集城區(qū) 城市中有許多摩天大樓,它們會覆蓋太陽能電池,減少到達太陽能電池的光照。同時,城市的光照時間太短,難以控制聚光強度。城市中有很多車輛,而且樓體存在亮化,環(huán)境中光線過足,這會影響路燈控制器的調(diào)節(jié)。 3.2 不適合北方地區(qū) 冬天,北方地區(qū)大雪紛飛,積雪很厚,極容易覆蓋太陽能電池板,影響光電轉(zhuǎn)換率。如果雪很大,很容易損壞太陽能電池板。有以下兩種方法可以克服在北方地區(qū)使用太陽能 LED 路燈的限制[6]。(1)在太陽能 LED 路燈安裝發(fā)電機,在下雪天氣太陽能 LED 路燈可以利用發(fā)電機發(fā)電。這種方法成本高,初期投資高于普通照明路燈和太陽能 LED 路燈。(2)太陽能 LED 路燈可以利用風(fēng)能補償太陽能。路燈可以同時使用風(fēng)能和太陽能發(fā)電,二者可以在自然條件變化時相互補充。風(fēng)能發(fā)電的工作原理是用風(fēng)力帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動,將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,可以給電池充電。太陽能發(fā)電的工作原理是利用光電效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為直流電,然后儲存在電池中備用。只要有風(fēng)或太陽,太陽能 LED 路燈就可以繼續(xù)使用[7]。 3.3 路燈壽命有限 元件損耗、控制器損耗、逆變器損耗、電池損耗、線路損耗和季節(jié)性負荷損失會影響太陽能 LED 路燈的工作效率。其中,太陽能電池的狀況會隨晝夜、氣候變化而變化,并且太陽能電池表面的灰塵會影響其電能生產(chǎn)力。據(jù)估計,受到影響后,太陽能 LED 路燈的工作效率僅為之前的 30%。太陽能 LED 路燈的組成部分一旦受到雨、熱、紫外線等的傷害,或者污垢、灰塵等的影響,其使用壽命會縮短。需要隨時清潔太陽能 LED 路燈,避免太陽能電池板因過熱而損壞。 4 太陽能 LED 路燈的應(yīng)用建議 4.1 加強整體規(guī)劃 從性能上看,太陽能 LED 路燈不能滿足高速公路主干道的照明需求,這是因為城市主干道空間大,應(yīng)用太陽能 LED 路燈會導(dǎo)致照明能量損失變高。因此,在城市建設(shè)的照明設(shè)計和規(guī)劃階段,需要從整體上控制能源消耗。節(jié)能減排是重中之重,需要將節(jié)能減排貫穿于整個明設(shè)計和規(guī)劃階段,全面落實綠色環(huán)保理念和相關(guān)政策、標準,打造高效城市夜環(huán)境。在總體規(guī)劃中,需要控制路燈數(shù)量和位置,考慮政策、城市照明規(guī)劃,進行實地考察和規(guī)劃布局等[8]。 4.2 合理選用 LED 光源 目前,照明市場有高、中、低功率的 LED 燈具。功率和輸出比越高,LED 越亮,越適合用于路燈。LED 的功率和工作電流越大,產(chǎn)熱量越大,必須解決大功率 LED 的散熱問題,否則會降低太陽能 LED 路燈的工作效率,縮短太陽能 LED 路燈的使用壽命。在設(shè)計 LED 光源時,應(yīng)選擇散熱系數(shù)較高的光源。使用LED 時,需要使用串聯(lián)方式,因為選擇并聯(lián)方式會產(chǎn)生大電流,功率增大,LED 驅(qū)動器的成本會大幅增加。 4.3 合理設(shè)計充電方式 白天,太陽能 LED 路燈的充電方式主要有高速電壓充電和恒壓充電兩種,路燈控制系統(tǒng)切換到充電模式,根據(jù)每次充電前的電壓水平選擇合適的充電方式。晚上,LED 路燈控制器切換到自動供電模式。需要及時檢測電池的存儲容量,防止電力損耗加大,導(dǎo)致電池損壞。電池監(jiān)控主要采用電流發(fā)射方式,通過監(jiān)控電流中載流子的變化來監(jiān)控電流的變化。 4.4 使用智能管理系統(tǒng) 智能管理系統(tǒng)可以對太陽能 LED 路燈進行統(tǒng)一管理,使用計算機對城市照明和交通網(wǎng)絡(luò)信號進行信息化管理、維護、運營。智能管理系統(tǒng)可以用于城市道路電網(wǎng)系統(tǒng)管理,包括城市照明、交通、城市信號設(shè)施和城市交通設(shè)施管理,是全市照明的管理系統(tǒng)。在太陽能 LED 路燈的前期項目規(guī)劃階段,需要針對路燈位置等建設(shè)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫,然后利用智能管理系統(tǒng)管理和優(yōu)化照明設(shè)施,這可以大大降低隱性成本。太陽能 LED 路燈智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 照明工程 2023 年 第 2 期 總第 177 期 光源與照明 5 應(yīng)用效益 太陽能 LED 路燈的成本通常為 1 000 元 /m,初期投資比較大,但不需要提供任何動力。傳統(tǒng)路燈通常是高壓鈉燈,采用高壓鈉燈進行道路照明,初期投資較小,但城市流量大,需要維護設(shè)備,并由市電網(wǎng)提供電力,后期維修成本較高。高壓鈉燈的使用壽命為 1 000h,太陽能 LED 路燈的使用壽命為 7 000 h,按每天 10 h 計算,太陽能 LED路燈可以使用 20 年,其使用壽命是傳統(tǒng)高壓鈉燈的 7 倍。用太陽能 LED 路燈時,需要更換電池 5 次(平均每 4 年 1 次),每 1 次的更換費用為 680 元,而高壓鈉燈需要更換電池 7 次,每 1 次的更換費用為 200 元。按每年 365 d 計算,相比高壓鈉燈,太陽能 LED路燈在 20 年內(nèi)可節(jié)約 2 124 300 kW·h 的電力能源。 5.1 經(jīng)濟效益 經(jīng)計算,相比高壓鈉燈,太陽能 LED 路燈可節(jié)省電費 0.9 元 /(kW·h),1 年可節(jié)省電費 9.56 萬元,因此利用太陽能 LED 路燈可以提升經(jīng)濟效益。如果考慮20 年的電價漲幅,以電價的平均漲幅計算,預(yù)計未來20 年的電價為 1.65 元 /(kW·h),利用太陽能 LED 路燈預(yù)計可節(jié)省電費約 3 551 萬元。如果不算太陽能LED 路燈的電池更換成本,太陽能 LED 路燈的投資成本為 206 000 萬元,僅需 1.18 年就可以與高壓鈉燈的投資成本持平。當(dāng)路燈造價為 8 044 萬元時,不算投資成本(電池升級等費用),扣除手續(xù)費,使用 20 年 將實際節(jié)省 2 707 億元。 5.2 社會效益 節(jié)電量計算以煤為參考,據(jù)統(tǒng)計,每節(jié)省 1 kW·h 電,即可節(jié)約 0.36 kg 標準煤,同時可減少排放 272 kg碳塵、0.997 kg 二氧化碳、0.037 kg 二硫化物和 0.01 kg氮氧化物。以 20 年為參考,因節(jié)省 2 124 300 kW·h 電,計算得出,可節(jié)省 767.75 t 標準煤,減少排放 577.81 t碳塵、2 117.93 t 二氧化碳、63.73 t 二氧化硫和 31.86 t氮氧化物。 6 結(jié)束語 在綠色環(huán)保、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等基本方針的引導(dǎo)下,綠色、環(huán)保、低碳的太陽能 LED 照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。隨著太陽能 LED 路燈的運營經(jīng)驗的積累和相關(guān)技術(shù)的不斷完善,傳統(tǒng)照明方式逐漸被淘汰,太陽能 LED 路燈的應(yīng)用可以大大減少能量損失,保護環(huán)境。太陽能 LED 路燈的應(yīng)用可以取得一定的社會效益和經(jīng)濟效益??沙掷m(xù)發(fā)展的清潔可再生能源對于世界各國都越來越重要,常規(guī)清潔能源逐漸向可再生能源過渡。新型可再生能源,如風(fēng)能和太陽能等的使用不會造成燃油、煙霧、灰燼等污染。特別是太陽能電池組件,使用壽命達 20 年以上,性能穩(wěn)定、維護成本低,在未來的能源領(lǐng)域大有發(fā)展空間。 參 考 文 獻 [1] 方敏, 成迪. 太陽能LED路燈在老舊小區(qū)改造中的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 照明工程學(xué)報, 2022, 33 (6) : 203-207. 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