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1、太阳能路灯的设置需要因地制宜浅析太阳能光伏电力与市电互补道路照明孟昭渊无锡尚德太阳能电力有限公司摘要在太阳能光伏发电技术突飞猛进的令人鼓舞形势下，太阳能路灯在广大城市和农村得到了很快的推广和应用，尤其是在广大农村的现代化进程中，太阳能光伏发电技术在没有电网的农村道路照明中得到广泛的重视，并且取得了成功。同时，在许多城市本来就敷设了电力线路的道路上也开始安装太阳能路灯，这些道路本来就和广大农村的道路不同，如果用同样的方法来设计，一方面不可能达到城市道路照明的规定要求，另一方面也造成资源的浪费。太阳能光伏电力与市电互补道路照明可以解决这个问题。另外，根据2007年7月1日起施行的城市道路照明设计标
2、准CJJ45-2006中第6.1.2条强制执行规定的要求，在城市的重要广场必须做到双电源供电，太阳能光伏电力与市电互补照明不能说不是一个好方法，在城市里，有的地方双路供电的成本是相当高的，太阳能光伏电力与市电互补照明将大幅度降低路灯双路供电的成本。本文就是提出上面两个问题，并且分析解决问题的方法。关键词：光伏发电 市电 道路照明1 太阳能光伏照明系统在城市应用的特点1.1普通太阳能光伏照明系统在城市应用存在的问题太阳电池进入实用阶段不久，就被应用在照明领域。在我国，早在 70 年代初太阳电池就被使用在航标灯上。紧接着，为了解决无电源地区的照明问题，太阳能照明灯就越来越多的出现。直到今天，在我国
3、西藏、新疆、青海、内蒙等无电源地区，太阳能光伏发电技术都一直为当地的照明作出贡献。到了 2000 年以后的今天，全世界太阳电池的年产量也突破 3000 兆瓦，我国的进步更加令人鼓舞，中国已经成为全世界最大的太阳电池生产基地。同时，太阳能照明技术在我国城市、农村的道路照明上得到了应用。大量的太阳能电池和 LED 组合而成的交通信号灯被广泛的使用；太阳能电池和 LED 组合而成的各种照明灯具也出现了。除了上面所介绍的功能性照明，还有大量的太阳能装饰性景观照明在城市出现。这里特别要提一下的是这个领域的一个成功典型太阳能草坪灯，太阳能草坪灯是我国太阳能电池和 LED 应用领域的一个不可忽视的重要分支。
4、2007 年的出口数量已经超过 2 亿盏，太阳能电池的消耗数量30MW 左右，LED 的消耗量在 2-3 亿只，这些数量的太阳电池和 LED 组成的半导体照明系统无论是太阳能照明还是 LED 照明都是目前我国生产的数量最大的。1.2V 的小型蓄电池的消耗也将超过 2 亿只，这绝对是一个让人心动的统计数据。但是，在太阳能光伏发电技术突飞猛进的令人鼓舞形势下，一直被人们看好的太阳能路灯在广大城市和农村得到了很快的推广和应用，尤其是在广大农村的现代化进程中，太阳能光伏发电技术在没有电网的农村道路照明中得到广泛的重视，并且取得了成功。但同时也暴露出太阳能路灯存在的一些不足之处，特别是在城市公路主干道上
5、的应用上，其照度和在连续阴雨天条件下的可靠性显得不尽人意，这究竟是什么原因？下面就以上问题做一粗浅的分析。1.1.1 道路照明的亮度、照度要求在讨论这个问题以前，我们首先来看经中华人民共和国建设部批准的，由中国建筑科学研究院主编，编号为 CJJ45-2006，自 2007 年 7 月 1 日起施行的城市道路照明设计标准，该标准目前正在使用。（部分摘要）表 1 机动车交通道路照明标准值路面亮度 路面照度级别道路类型平均亮度Lav (Cd/)维持值总均匀度 U0最小值纵向均匀度UL 最小值平均照度Eav(Lx) 维持值均匀度UE最小值眩光限制阈值增量TI(%)最大初始值环境比SR最小值 快速路、主
6、干路及迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路、市中心或商业中心的道路1.5-2.0 0.4 0.7 20/30 0.4 10 0.5 次干路 0.75/1.0 0.4 0.5 10/15 0.35 10 0.5 支路 0.5/0.75 0.4 - 8/10 0.3 15 -表 2 交会区照明标准值交会区类型 路面平均照度Eav(Lx) 维持值照度均匀度UE眩光限制主干路与主干路交会主干路与次干路交会主干路与支路交会30/50次干路与次干路交会次干路与支路交会20/30支路与支路交会 15/200.4在驾驶员观看灯具的 方位角上,灯具在 80度和 90 度角方向上的光强不得超过30Cd /
7、1000LM 和10Cd /1000LM表 3 人行道路照明标准值夜间行人流量 区域 路面平均照度Eav(Lx) 维持值路面最小照度Eav(Lx) 维持值最小垂直照度Eav(Lx) 维持值商业区 20 7.5 4流量大的道路居住区 10 3 2商业区 15 5 3流量中的道路居住区 7.5 1.5 1.5商业区 10 3 2流量小的道路居住区 5 1 1 从以上表 1-2 中可以看出，城市道路照明设计有明确的照度要求，机动车交通道路照度根据不同的地点的要求，平均照度分别为 10-30LX，最低平均照度为 8LX，只有这样才能确保城市道路照明能为车辆驾驶人员以及行人创造良好的视看环境,达到保障交
8、通安全，提高交通运输效率，方便人民生活，防止犯罪活动和美化城市环境的效果。根据城市道路照明设计标准 （CJJ45-2006） ，在机动车交通道路照明标准值中要求最低的是城市支路，就是次干路和居住区的连接道路，其道路照明标准为：平均照度 Eav(Lx)8-10LX，按照平均照度为 8LX 的最低要求，我们设计一盏在上海地区机动车交通道路使用的太阳能路灯，是怎样的结果呢？假设道路宽 25 米，灯杆间距 15 米，平均照度 Eav(Lx)=8 那么，光通量计算：需要光通 =81.252515/0.42=8928 LmNAKEav公式中：光通量(Lm)N光源数(只)灯具利用系数(一般取0.42)K维护
9、系数(野外K=1.25)A照射面积(m 2)如果选择发光效率90LM/W金卤灯，实际需要的灯功率为：8928Lm90Lm/W = 99W，选100W标准件，可以满足照度要求；太阳能电池板的选择此方案对100W光源进行太阳能供电，负载输入电压24V ，由于需要增加镇流器，实际功耗约110W，每天工作时数8.5h ，负载的日耗电量0.11KW8.5H 0.935KWh。所需 太阳能组件的功率2.40.9350.39KW（在上海地区1KW太阳电池平均每天发电2.4KWh） ，可以选择200W的太阳电池组件2块。尽管太阳电池的功率已经相当大了，以上计算还是以最低要求进行的。实际上，机动车交通道路的照度
10、要求比以上计算结果要高到多。为了达到这个要求，对于快速路，主干路及迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路、市中心或商业中心的道路、等城市道路的照明灯具通常采用由 9-12 米的灯杆，250-400W 的钠灯或者金卤灯作为光源组成的路灯，每间隔 20-30 米安装一盏路灯。假如每天工作 12 小时，按照这个要求设计的路灯每天需要消耗电力 3-4.8KWH。为了说明问题，现在我们仅仅计算一个要求最低的用于机动车交通道路照明的太阳能路灯太阳电池功率。1.1.2 太阳电池提供电能的能力自从 50 年代太阳电池开始为人们应用以来，它的转换效率一直在不断的提高，目前商品化的太阳电池转换效率已经达到
11、17-18%，普遍使用中的太阳电池转换效率也达到 15%。使用这种转换效率的太阳电池，每 1KW 每天平均能发多少电呢？这个问题必须认真对待。首先，太阳电池产生电能的多少是由太阳电池接受到太阳辐射强度所决定的，不同的位置、不同的时间、不同的气象条件、差别很大，精确计算比较复杂，同时在这里也不一定有这个必要。根据我国近年在北京、上海等地所做的太阳发电示范工程所公布的发电量统计，每 1KW 太阳电池每天平均发电量在 1.7-3.5KWH，其中绝大部分的报道在 2.5KWH 左右。同时，北京电科所在西藏双湖施工的 25KW 独立太阳能电站为3.2KWH，常州天合在西藏卡玛乡施工的 25KW 独立太阳
12、能电站据报道为 5.9KWH。上面的统计说明，在北京、上海等地，太阳电池每 1KW 太阳电池每天平均发电量在 2.5KWH 左右，而在西藏，可以达到 3.2-5.9KWH。这就是太阳电池提供电能的能力。 1.1.3 太阳电池目前在道路照明领域的地位除了人们对环境保护的追求以外，路灯对光源的要求以及太阳电池提供电能的能力决定了太阳电池目前在照明领域的地位。假如我们设计城市道路照明设计标准中的、道路类型的路灯，由于每天用电在 3-4.8KWH，太阳电池的功率需要达到 1KW 以上。我们暂且不去考虑 1KW 太阳电池的成本，仅仅就太阳电池的面积就令设计工作难以进行。目前，太阳电池的面积为 120W/
13、平方米，1KW 的太阳电池的面积大约 9 平方米，这么大的面积几乎没有可能在等杆上固定。另外，为了满足城市在连续阴雨天的条件能够工作，蓄电池的容量还要扩大若干倍，因此还需要一个很大的蓄电池箱。但是，有许多太阳能路灯的生产厂家不同意以上的结论。他们认为普通路灯使用的是低光效的光源，只要将光源改为节能灯或者 LED 光源就可以用很小的电功率达到国家标准所要求的照度，或者用改变光学设计的方法，用很小的光通量就可以得到高的照度，于是用小功率的太阳电池就可以做成功太阳能路灯。这种看法显然是欠妥的，照度是单位面积上的光通量，没有光通量怎么可能有照度？退一步讲，如果有这种可能，路灯照明领域早就应该进行这一场
14、光源的创新了。另外目前市场化 LED 的发光效率仍然比常规的钠灯或者金卤灯低的多，甚至也不能够和节能灯比。鉴定于以上分析，我们认为太阳电池目前在照明领域只适合制造城市道路照明设计标准中的支路和供行人和非机动车通行的居住区道路和人行道的路灯，也就是通常大家所说的街灯和庭院灯。做次干路的路灯就很勉强了。2 因地制宜安装城市太阳能路灯太阳电池作为没有任何污染的绿色能源，非常适合应用在道路照明上，尤其是无电源地区或者敷设电源线路困难的地方。目前困扰太阳能路灯在城市发展的主要原因之一是定位的错误，盲目地将其使用在城市道路的主要道路、市中心或商业中心的道路、大型交通枢纽等位置，其结果是虽然经过努力，由于太
15、阳电池所能够提供的电能目前尚不能够满足快速路，主干路及迎宾路的照度要求，太阳电池在道路照明上的应用目前主要是街灯和庭院灯。太阳能光伏电力与市电互补照明方法是解决普通太阳能光伏照明系统在城市有市电地区应用所存在问题的好方法，特别是在原来就已经敷设了照明电缆的城市道路上如果要安装太阳能路灯，完全没有不要为了每年并不多见的几次连续阴雨天条件而成倍的增加蓄电池和太阳电池的容量，在每年的大多数的时间内它是一种浪费。在种情况下，只需要考虑一年中日照时间最长、而夜晚需要照明时间最短时间段的电能需求就可以了，其他的能量，可以由市电补充。这样，太阳电池的效能得到最大的利用，蓄电池的容量可以使用的最小，系统成本最小，而太阳能路灯的系统可靠性可以达到最高。所以，在城市原来就已经敷设了照明电缆的道路上如果要安装太阳能路灯，采用太阳能光伏电力与市电互补照明方法是因地制宜的好方法。同时，按照2007年7月1日起施行的城市道路照明设计标准CJJ45-2006中第6.1.2条强制执行规定的要求，在城市的重要广场必须做到双电源供电，太阳能光伏电力与市电互补照明不能说不是一个好方法，在城市里，有的地方双路供电的成本是相当高的，太阳能光伏电力与市电互补照明将大幅度降低路灯双路供电的成本。3 太阳能光伏电力与市电互补照明系统设计太阳能光伏电力与市电互补照明系统设计中的技术关键已经不是太阳电池和蓄电池问题
