浅析大型太阳能路灯亮化工程设计与技术经济分析.docx

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浅析大型太阳能路灯亮化工程设计与技术经济分析

浅析大型太阳能路灯亮化工程设计与技术经济分析

一、太阳能项目背景

       目前，我国太阳能光伏发电生产能力已跃居世界第一，而国际太阳能产量是应用需求量2倍，产能过剩是光伏发电行业最大问题。

太阳能光伏发电利用主要有两种技术途径，分别为离网光伏发电和并网光伏发电两大类；离网光伏发电又包括太阳能路灯、太阳能庭院灯、风光互补路灯、太阳能交通信号灯等。

       太阳能照明由于采用先进到光源、独特数码控制和成熟储能技术系统集成技术外加安装的方便性，其应用性能价格比是目前所有光伏应用系统最具有优势的产品。

于2007年4月在辽宁省北票市试点项目实施，主要针对北票市21条主要路段及公园、广场进行太阳能路灯亮化，全长60.13公里，总共安装了2037基杆，包括太阳能路灯，太阳能庭院灯，太阳能独立光伏电站（集中供电控制）等。

合同额2284万元，太阳能电池组件总发电峰值功率为22万瓦。

于2007年4月开工，2008年初竣工。

该项目简称为“北票百年矿区太阳能路灯亮化工程”已被国家建设部、财政部评为国家级建筑节能示范项目，中央财政补贴1366万元。

迄今为止，此项目为东北三省首个大型太阳能路灯城市亮化工程。

通过这个平台可以进行太阳能路灯充放电控制器的研制、蓄电池组直埋方式、太阳能路灯的经济效益和社会效益等课题的研究，对拓展太阳能资源综合开发利用，提高辽宁省太阳能光伏产业的技术水平，为太阳能光伏发电技术在辽宁省发展应用起到积极良好的示范作用。

同时太阳能路灯照明技术的应用可以带动辽宁省其他相关产业的发展并促进地方相关产业的兴起，并将进一步推动辽宁省太阳能光伏产业链的形成和发展，具有深远的意义。

二、项目地理环境

北票地处东经120°15′至121°18′，北纬41°23′至42°17′之间。

属于温带大陆性季风气候区。

北部受蒙古高原高压影响较大，气候大陆性显著。

境东南部距渤海不到百公里，但受燕山山脉阻隔，南来暖湿气流不能顺入境内，所以形成半干旱半湿润的易旱地区。

主要气候特点是一年四季雨热同期，日照充足、温度日差较大、降水偏少。

一年之中春季少雨多风，夏季高温多雨，秋季雨热骤减，气爽天高，冬季干冷少雪，多西北风。

北票平均年日照时数为2861．7小时，日照率65％。

全县光能条件优越，属全省高值区。

太阳辐射年平均总量140.4千卡／cm²，4～9月间总辐射量为91．1千卡／cm²，占全年总辐射量65％。

在总辐射量中，生理辐射占49％，年值为68．9千卡／cm²；4-6月份生理辐射44.64千卡／cm²，占全年生理总量的64.7％。

三、太阳能路灯照明系统参考标准

 由于太阳能路灯照明系统国家没有出台正式的相关标准，所以以下部分标准本项目只能以现有国家标准及行业标准作为参考与借鉴。

1、《太阳能光伏照明技术规程》DB21/T1685—2008

2、《陆地用太阳电池组件总规范》GB/T14007-92

3、《太阳光伏电源系统安装工程施工及验收技术规范》CECS85-96

4、《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006

5、《城市道路照明工程施工及验收规程》CJJ89-2001

四、太阳能路灯照明系统优化设计

4.1太阳能路灯照明系统优化配置

太阳能路灯系统主要由太阳能电池组件、组件支架、光源、太阳能充放电控制器、蓄电池（铅酸电池或胶体电池）、灯杆（含灯具）、导线等几部分组成。

太阳能路灯照明系统主要利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳能电池板吸收太阳能光子能量产生电能，通过充放电控制器储存在蓄电池里，夜晚当照度逐渐降低一定程度、太阳能电池板开路电压降低到预设值后，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。

蓄电池放电预设定时间后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。

充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则，即根据蓄电池组件均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值,同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池组件放电深度,确定出组件和蓄电池组件的合理搭配容量。

设计方法首先根据各向异性的天空辐射模型，计算出在纬度为ф处，倾角为β的斜面上的太阳辐射量HT。

在实际应用时，可在当地纬度的-20°~+30°范围内分别算出夏半年和冬半年的平均日辐射量H1和H2，然后根据上述原则，确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量。

4.2太阳能路灯照明系统配件选型与配置计算

下面简单介绍本项目太阳能路灯系统配件计算方法：

本项目太阳能路灯照明系统电压为24V。

（一）太阳能电池组件容量计算

具体配置计算公式如下:

P=发光光源功率（P1）×发光光源工作时间（T）×平均峰值日照系数（1.5—1.8）÷平均峰值日照时间

其中P—太阳能电池组件功率，单位：

瓦（W）；

P1—发光光源实际输出功率，单位：

瓦（W）；

T—发光光源（纳米陶瓷灯）实际亮灯时间，单位：

小时（T）；

平均日照时间根据该安装地区过去10～20年逐月太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量的平均值作为依据。

北票地区平均峰值日照时间取4.5小时。

（二）蓄电池容量计算

具体配置计算公式如下：

蓄电池容量=发光光源功率（P1）×发光光源每天工作时间（T）×该地区连续阴雨天数÷（蓄电池放电深度×系统电压）

其中蓄电池容量—单位：

安时（AH）；

P1—发光光源（纳米陶瓷灯）实际输出功率，单位：

瓦（W）；

T—发光光源（纳米陶瓷灯）实际亮灯时间，单位：

小时（T）；

地区连续阴雨天数—采用3天~5天；

蓄电池放电深度—一般取0.6~0.7;

以上计算过程中各个参数需要结合实际需要进行简单修正，以达到整个系统配置合理。

（三）太阳能充放电控制器

本项目采用了自主研发的新一代智能型太阳能充放电控制器，采用工业级产品可靠性设计，具有超强稳定性和极高的使用寿命，该控制器采用了目前先进PWM脉宽调制恒压充电技术、最大功率点跟踪智能充电、12V\24V电压自动识别、自动判断并可执行维护、输出电流根据负载情况而变化、自动恢复、温度补偿等功能，同时还为蓄电池提供了更多的保护装置。

具体包括过充、过放、反接、过载、短路、雷击保护等。

系统根据蓄电池充电状态自动地进行科学精确的计算，并显示相应的测量值，可自动识别蓄电池的工作年限及容量，新型的多功能控制器比传统的控制系统更为有效，控制器附带的电子保险为用户提供了更为简易的操作。

五、太阳能路灯照明系统技术经济分析

（一）北票太阳能路灯技术的先进性与可靠性

国内外太阳能路灯技术先进性与可靠性对比表

类别

国际

国内

本项目技术

本项目技术先进性和可靠性

太阳能电池组件

单晶硅、多晶硅太阳能电池组件，绒面玻璃，EVA、TPT封装技术，太阳能光电转换率为15％以上

单晶硅、多晶硅太阳能电池组件，平面玻璃、绒面玻璃，太阳能光电转换率为13～15％

采用单晶硅与多晶硅及其相结合技术、绒面玻璃、3M背板封装材料技术，太阳能光电转换率15％以上

达到了国际先进水平，增强了弱光发电（阴天发电）效果，提高系统阴天发电效果及系统的可靠性

蓄电池

采用胶体、铅酸蓄电池、存放在地面铁皮箱内

采用铅酸蓄电池、存放在地面铁皮箱内

采用胶体蓄电池、冻土层以下地埋专利技术、PVC板密封箱技术

1、胶体蓄电池在高温75℃、低温-40℃时都能正常工作2、胶体蓄电池充电效率高。

3、在使用过程中，无电解液和腐蚀性气体泄露，对设备无污染。

不会腐蚀物品，不会污染环境，自放电小，工作寿命长是普通铅酸蓄电池寿命的2倍以上。

控制器

电压型2阶段充电管理模式

电压型、直充

恒流型PWM智能三减一阶段充电管理专利技术,半功率功能

提高蓄电池的充电效率10～20％，与胶体蓄电池配合使用使蓄电池的使用寿命在10年以上

灯头

直流低压钠灯（启动电流大持续时间长显色性差15）、节能灯5000h

无极灯（光效70lm/W,工作频率几百MHz）、直流低压钠灯（启动电流大持续时间长显色性差15）、直流节能灯寿命低

纳米陶瓷发光体，采用真空荧光放大器、管壁涂有纳米铝涂层等多项技术

采用T5.5灯管提高发光体的亮度光效100lm/W、采用真空防尘技术及纳迷铝涂层技术减少光衰，使用10年光衰控制在20％以内。

采用纳米陶瓷灯丝技术发光体寿命在3万小时以上，通过采用稀土三基色涂层技术显色指数达到80以上

灯杆

热镀、冷镀

热镀、冷镀

内外热镀锌、厚度比普通灯杆厚1～2mm

提高了灯杆的抗风能力

（二）太阳能路灯技术与电力路灯对比经济分析

北票安装的太阳能路灯包括4米、6米、8米、10米四种规格。

下面就以10米高太阳能路灯的经济分析为例。

10米高太阳能路灯与普通电力技术经济对比表

　　　类型　　　　　

类别

普通电力路灯

太阳能路灯

配置

150W钠灯

太阳能电池板120W/17V、胶体蓄电池2*65AH/12V，36W/12V固体灯10H/day,3个连阴天正常工作，午夜12点前全功率，午夜12点后半功率

成本

9000元

11213元

维护

运行20年，每两年更换一次发光体

运行20年，8-10年更换一次蓄电池；8-10年更换一次发光体；10－12年更换一次控制器；

能源消耗与运行费用

每年消耗913度电，需要花费电费710元，运行20年维护费用3000元

每年消耗0度电，花费电费0元，运行20年维护费用1800元

根据可再生能源的技术经济学的有关评价原理《FinancialEvaluationofRenewableEnergyTechnologies》,T.CKandpalH.PGarg,2003，结合不同地点太阳能光伏发电系统的性能特点并考虑到各种因素的影响，采用太阳能光伏发电系统与普通电力系统相比对的方法,以项目净现值（NetPresentValue—NPV）和动态投资回收期（DiscountedPaybackPeriod—ndp）两个指标对太阳能光伏发电系统进行技术经济评价和分析。

1、太阳能光伏发电系统收益（节电费用）分析

由太阳能光伏发电系统的特点可知，太阳能光伏发电系统的整体使用寿命可达到20-25年。

太阳能光伏发电系统总成本包括初始设备费，蓄电池和照明灯具的更新费等，由于太阳能光伏发电系统可靠性高,又不消耗常规能源,每年的维修费和运行费基本为零,可以不必考虑。

根据目前非居民用电电价0.776元/kWh，及其《中国电价和电力发展研究》课题组的最新研究结论，无论从宏观经济运行，还是从行业发展来看，电价水平还有一定的调升空间；适

当调整电价水平及其结构，不仅不会导致价格总水平的显著上涨，而且还会有利于产业结构的优化升级。

经过复杂的公式测算，目前中国的经济和社会状况能够承受的电价水平的合理上涨系数是每年0.04元/千瓦时。

按太阳能光伏发电系统20年运行周期计算，同时考虑社会利率及电价上涨因数，进行经济技术分析，节约的电费现值分别计算如下：

经过统计可知；太阳能光伏发电系统每年总体功率为1791055KW，

年节约的电费A=1791055kWh*0.776元/kWh=139万元,以后每年节约的电费除A还有个对应电价上调节约的增加额G=1791055×kWh*0.04元/kWh=7.17万元；分别利用等额收付（UniformSeriesPresentWorthFactor）和递增等差收付序列（PresentWorthFactoroftheUniformGradientSeries）现值计算公式，太阳能光伏发电系统20年节约电费现值P：

=139×+＝600.36（万元）

2、太阳能光伏发电系统寿命期净现值的计算

太阳能为非商品能源，其价值不能直接确定，只能用能源替代的方法来计算。

按当地太阳能光伏发电系统等流明亮度的电力使用成本的标准来计算太阳能光伏发电系统的年收益。

通过计算，太阳能光伏发电系统的年收益（即太阳能光伏发电系统每年可节约电费）：

A＝600.36×=70.52（万元/年）

与普通发电系统相比对的太阳能光伏发电系统的初始投资C0=5000万元；太阳能光伏发电系统与等照度普通发电系统相比对的年收益70.52万元；太阳能光伏发电系统年运行成本0元；在系统运行的20年中无需进行任何维修及更换，不需任何费用。

太阳能光伏发电系统寿命期净现值评判原理

如果NPV>0，说明该系统投资可以接受；

如果NPV<0，该系统投资是不可取。

太阳能光伏发电系统寿命期净现值：

NPV=-450+70.52×=150.39万元＞0

可见对于太阳能光伏发电系统在寿命使用期内不仅可以把投入的初始资本收回来，而且可以额外节省150.39万元的电费,从技术经济的角度分析可以得出，太阳能光伏发电系统投资是可以接受的。

3、太阳能光伏发电系统投资回收期计算

采用动态投资回收期（DiscountedPaybackPeriod）原理，设投资回收期为ndp年，则：

 ndp==10.7年

也可以利用静态回收期（SimplePaybackPeriod）原理计算太阳能光伏发电系统的投资回收期分别为:

C01/（B－C）=450/70.52=6.38年

通过计算，可见太阳能光伏发电系统的回收期为6.38年，太阳能光伏发电系统投资方案是可行的。

依次类推，可知北票太阳能路灯每年节能减排情况如下：

节能量

规格

节约用电（度）

节约用煤（公斤）

碳粉尘（公斤）

减少二氧化碳（公斤）

减少二氧化硫（公斤）

减少氮氧化物（公斤）

10米（1376基杆）

1256288.00

502515.20

341710.34

1252519.14

37688.64

18844.32

8米（468基杆）

427284.00

170913.60

116221.25

426002.15

12818.52

6409.26

6米（62基杆）

33976.00

13590.40

9241.47

33874.07

1019.28

509.64

4米（136基杆）

74528.00

29811.20

20271.62

74304.42

2235.84

1117.92

合计

1792076.00

716830.40

487444.67

1786699.77

53762.28

26881.14

北票太阳能路灯运行20年，节约用电3585万度电，节约用煤35842吨，减少碳粉尘71683吨，减少二氧化碳107525吨，减少二氧化硫179208吨，减少氮氧化物286732.16吨。

4、太阳能路灯与普通电力灯相比主要优势与劣势

太阳能路灯以太阳能作为能源，节省了电力能源，并可利用节省的电费收回原始成本。

太阳能路灯可以根据安装地点光照情况实现单灯系统独立安装与集中光伏电站供电系统集中安装模式。

施工灵活方便，可以免去挖电缆沟铺设电缆及回填繁复的工序。

施工简单，由于各部件的先进性，使太阳能路灯后期维护简单方便。

太阳能路灯主要缺点：

①由于目前太阳能电池组件的价格偏高，成本比电力路灯偏高。

②太阳能路灯地面亮度基本上能够满足国家对不同道路等级照明标准要求，而我国城市道路电力照明一般均高出国家标准，有的甚至高出百倍。

因此从效果上看太阳能路灯照度不如电力路灯，但是太阳能路灯的照度能够满足实际照明亮度的要求。

因此太阳能路灯在目前太阳能电池成本偏高的情况下，目前安装原则符合国家道路照明要求，用户满意，够用为度。

六、结束语

整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。

目前，太阳能路灯照明系统初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。

但是，太阳能电池光电转化率在逐渐提高，而且价格会逐渐降低，同样地市场上新的光源也在不断更新。

与太阳能的可再生、清洁无污染环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。

所以，太阳能光伏发电的广泛应用，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。