高速公路收费站及服务区太阳能光伏集中供电系统

高速公路收费站及服务区太阳能光伏集中供电系统应用与技术经济分析摘要 本文以高速公路收费站及服务区集中式市电互补太阳能路灯及雨棚灯供电系统实际工程为案例，提出一种新型太阳能光伏发电系统与市电互相切换供电系统应用及与常规电力供电系统运行成本分析，通过此系统与常规电力供电系统运行成本分析，计算出集中式市电互补太阳能路灯及雨棚灯供电系统投资回收期及系统实际应用效益，为该系统实际大面积应用提供可靠的依据。关键词 集中式市电互补；太阳能光伏照明系统，系统配置；运行成本分析；投资回收期；一、前言面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生新能源过渡已提到议事上来了；因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净；太阳能光伏发电是国际上公认并倡导的绿色发电方式，由于其既不需要燃料，也不存在烟尘和灰渣，不污染环境，不会产生二氧化碳，对大气不存在任何影响，非常清洁。具有性能稳定，安全可靠，维护费用低，无安全隐患等特点。二、太阳能光伏照明系统原理及特点1、系统原理太阳能光伏发电是国际上公认并倡导的绿色发电方式，它具有节约能源、减少污染的特点。太阳能电池组件把太阳能转化为电能，经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电。充电到一定程度时，控制器内的自保系统动作，切断充电电源。晚间，太阳能电池组件充当了光电控制器，启动控制器，蓄电池给照明灯供电，点燃照明灯；凌晨，太阳能电池组件又充当了光电控制器，启动控制器，切断照明灯电源，重新开始进行转化太阳能为电能的工作。在太阳能路灯点亮时，还能够根据设置进行调光。2、系统特点①太阳能独立电站系统使用寿命 25 年；②全封闭免维护铅酸蓄电池 500AH/2V ，寿命 5 年以上；③太阳能电池组件单 /多晶硅太阳能电池组件效率 15％以上，功率 110W，寿命 25 年以上；④控制系统采用均 衡 维护充电，大电 流快 速充电， 涓流巩固 充电方式进行充电，其中充电过程采用 PWM 调制方式，具 备延 长蓄电池寿命的 负脉冲缓冲 充电过程，使用寿命 达 到 10 年以上；⑤ 使用 温 度 摄氏 -40 至 50 度，具有低 温 工作功能；⑥ 照明时间 每天 工作 14 小 时，可 连 续工作 3 个阴 雨 天 ；⑦ 功 耗 低 LED 灯具功 耗 是一 般 高 压钠 灯的 50-60 左右 ，具有 显著 的节能效 果 ；⑧显 色 指数 高 LED 灯具色 温 3000-7000K 可 选 ， 显 色 指数 80 以上， LED 灯具发出的光 线更接近 自 然 光，对 颜 色的 显 现 更真 实、 鲜艳 、 辨识 性 强 。⑨ 寿命长 LED 灯具是 固体冷 光源，使用寿命 10 万小 时；⑩ 绿色光源 LED 灯光 线 稳定，无 频闪 ，无 紫外线 和 红外线 、无不 良眩 光，无光污染， 消除了不 良眩 光 所引起 的 刺眼 、 视觉疲劳 与 视线干扰 ，提高 驾驶 的安全性，减少 交 通事 故 的发生；三、服务区太阳能路灯系统、收费站雨棚灯照明系统设计一 项目概况辽宁省海城 析 木 服务区、析 木 收费站 位 于 丹东至锡林浩 特高速公路 东港至海城段 。析 木收费站 车 道 总数 为 5 个 ，进 2 出 3，收费站出 口指 向 正南 方向。 每个车 道安 装 3 盏 ， 共 15 盏照明灯。雨棚棚 顶 高 7 米 ，灯 头 采用 120W/220V LED 灯。收费雨棚为 平顶 设计， 适合 以太阳能电站的 形 式给照明灯供电。收费站照明灯工作时间 14 小 时 （ 光控 整夜 亮灯 ） ， 按 3 个连阴天 设计太阳能供电系统。析 木 服务区在高速公路 两侧 对 称 分 布 ，其中 南北两 区路灯 各 23 盏 ，灯 杆 高 8m，灯 头 采用 80W/220V LED 灯。本服务区采用集中太阳能路灯供电系统 ,以太阳能电站的 形 式给路灯供电。 南北 服务区路灯供电采用分 离 方式， 南北 服务区 各 安 装 太阳能电站系统，供服务区路灯照明使用。服务区路灯工作时间 14 小 时 （ 光控 整夜 亮灯 ） ， 按 3 个连阴天 设计太阳能供电系统。太阳能光伏照明系统 建 设时原常规供电系统 仍然建 设，采用市电作为补充电源，提高系统运行可靠性。 考虑 到供电 距离较远 ， 负载 采用 DC220V 供电系统，以减少电 压损失 ， 避 免由于 超 过 3 天连阴天造 成照明灯 熄灭 的 情况 发生。二 系统配置方案1、析 木 收费站系统配置表 1-1 析木收费站系统配置表负载数量 材料 数量太阳能电池板 110W/17V 90 铅酸蓄电池 500Ah/2V （带电池柜） 110 控制器 60A/220V 1 LED 灯头 120W/220V 15 太阳能电池板支架 9900W 1 套15 盏市电切换、汇流及配电等装置 1 套2、析 木 服务区系统配置表 1-2 单侧服务区系统配置表负载数量 材料 数量太阳能电池板 110W/17V 90 铅酸蓄电池 500Ah/2V （带电池柜） 110 控制器 220V/60A 1 LED 灯头 220V/80W 23 太阳能电池板支架 9360 1 套23 盏汇流、配电及市电切换装置 1 套四、系统实际应用效益一 经 济效益以太阳能光伏照明系统全生命 周 期 25 年为 基础 ，进行成本分析计算。1、收费站雨棚照明运行成本分析。（ 1） 使用 传 统高 压钠 灯照明系统的运行成本析 木 收费站收费雨棚 共 需 15 盏 250W 高 压钠 灯对收费 车 道进行照明， 平 均 每天 照明时间为 12 小 时， 目前 用电电 价 0.9 元 /kWh ， 考虑 电 价平 均 每 年上 涨 0.05 元 / kWh ，高 压钠 灯 镇流器 损耗 20， 夜 晚电 压 过高 浪 费电能 10， 则 使用高 压钠 灯照明 每 年实际 耗 电 量 为0.25[kWh] 1.2 1.1 12[h] 365[天 ] 15[盏 ]21681[kWh] 即 第 一年用电费用为21681[kWh] 0.9[元 /kWh]1.95 万元每 年因电 价 上调 而 增 加 的费用 额 为21681[kWh] 0.05[元 /kWh]0.1084 万元 ；高 压钠 灯系统 25 年 消耗 的电费 Sn 为等 差数列 求和，计算过程 如下 Sn a1n ＋ nn－ 1d/21.95 25＋ 25 24 0.1084 281.27万元 ；式中 a1 为 第 一年用电电费；n 为系统全生命 周 期 25 年；d 为 每 年因电 价 上调 而 增 加 的费用。即平 均 每 年需要电费为 81.27 253.25万元 ；高 压钠 灯灯 泡 寿命 1.5 年， 更 换一 次 100 元 /支 ， 镇流 器寿命 2 年， 更 换一 次 150 元 /个 ，加 上灯高为 7m 照明灯，需要 升降车 等设 备 运 输 及安 装 ，因此 考虑 50安 装 费用，电力照明灯年运行成本统计 如下表 表 1-3 收费站传统高压钠灯照明系统年平均运行成本统计表项目 25 年内更换次数 总投入（万元） 年均投入（万元）更换钠灯灯泡 16 3.6 0.144 更换镇流器 12 4.05 0.162 年用电费用 3.250 合计 3.556 （ 2） 使用太阳能光伏照明系统的运行成本太阳能光伏照明系统无电费费用，运行成本 主 要为设 备 的 更 换费用。由太阳能光伏照明系统的特点可 知 ， LED 整体 灯具寿命为 12.5 年， 25 年寿命期内需 更 换一 次 ， 更 换 20 元 /W ，每盏 灯 更 换一 次 需 2400 元 ，全 部更 换一 次 需要 5.4 万元（含 50安 装 费用 ） ； 2V 铅酸蓄电池寿命为 8.5 年，寿命期内需 更 换 2 次 ， 更 换 两次共 需 15.84 万元（ 电池回收 价值 可 抵消 安 装 费用 ） 。 即 太阳能照明灯系统的运行成本为为 5.415.8421.24 万元 ， 平 均 每 年运行成本为21.24 250.8496万元 。（ 3） 投资回收期太阳能光伏照明系统与高 压钠 灯照明系统相 比 的投资回收期 N 为NC 1–B 1/B-C48.56-5.425/3.556-0.849615.9 年式中 B 为高 压钠 灯照明系统 您平 均运行成本；C 为太阳能照明系统年 平 均运行成本；B1 为高 压钠 灯照明系统 初 投资费用；C1 为太阳能照明系统 初 投资费用；则 寿命期内节约费用为 3.556 （ 25－ 15.9） 31.54 万元 。2、服务区路灯照明系统运行成本分析。（ 1） 使用 传 统高 压钠 灯照明系统的运行成本析 木 服务区 两侧共 需 46 盏 250W 高 压钠 灯对服务区 广场 进行照明， 平 均 每天 照明时间为12 小 时， 目前 用电电 价 0.9 元 /kWh ， 考虑 电 价平 均 每 年上 涨 0.05 元 / kWh ，高 压钠 灯 镇流 器损耗 20， 夜 晚电 压 过高 浪 费电能 10， 则 使用高 压钠 灯照明 每 年实际 耗 电 量 为0.25[kWh] 1.2 1.1 12[h] 365[天 ] 46[盏 ]66488.4[kWh] 即 第 一年用电费用为66488.6[kWh] 0.9[元 /kWh]5.983 万元每 年因电 价 上调 而 增 加 的费用 额 为5.983[kWh] 0.05[元 /kWh]0.2991 万元 ；高 压钠 灯系统 25 年 消耗 的电费 Sn 为等 差数列 求和，计算过程 如下 Sn a1n ＋ nn－ 1d/25.983 25＋ 25 24 0.2991 2239.305万元 ；式中 a1 为 第 一年用电电费；n 为系统全生命 周 期 25 年；d 为 每 年因电 价 上调 而 增 加 的费用。即平 均 每 年电费为 239.305 259.5722 万元 ；高 压钠 灯灯 泡 寿命 1.5 年， 更 换一 次 100 元 /支 ， 镇流 器寿命 2 年， 更 换一 次 150 元 /个 ，加 上灯高为 10m 照明灯，需要 升降车 等设 备 运 输 及安 装 ，因此 考虑 50安 装 费用，电力照明灯年运行成本统计 如下表 表 1-4 服务区传统高压钠灯照明系统年平均运行成本统计表项目 25 年内更换次数 总投入（万元） 年均投入（万元）更换钠灯灯泡 16 9.6 0.384 更换镇流器 12 10.8 0.432 年用电费用 9.5722 合计 10.3882 （ 2） 使用太阳能光伏照明灯系统的运行成本太阳能光伏照明系统无电费费用，运行成本 主 要为设 备 的 更 换费用。由太阳能光伏照明系统的特点可 知 ， 运行成本 主 要为系统 部 件 更 换费用。 LED 整体 灯具寿命为 12.5 年， 25 年寿命期内需 更 换一 次 ， 更 换 20 元 /W， 每盏 灯 80 W 更 换一 次 需 1600 元 ， 46 盏 全 部更 换一 次 需要 11.04 万元（含 50安 装 费用 ） ；铅酸蓄电池寿命为 8.5 年，寿命期内需 更 换 2 次 ， 更 换 两次共 需 31.68 万元（ 电池回收 价值 可 抵消 安 装 费用 ） 。 即 太阳能光伏照明系统的 追加 投资为8.2831.6842.72 万元 ， 平 均 每 年运行成本为 42.72 251.7088万元 。（ 3） 投资回收期太阳能光伏照明系统与高 压钠 灯照明系统相 比 的投资回收期 N 为NC 1-B1/B-C110.54-23.2/10.3882-1.708810.06 年式中 B 为高 压钠 灯照明系统年 平 均运行成本；C 为太阳能照明系统年 平 均运行成本；B1 为高 压钠 灯照明系统 初 投资费用；C1 为太阳能照明系统 初 投资费用；则 寿命期内节约费用为 10.3882 （ 25－ 10.06） 155.1997 万元 。3、 整个 系统的实际应用效益通过 三个月 来对本系统的 跟踪测试 及用 户 的 反馈信息 ， 得 到了以 下结论 （ 1）整个海城 析 木 高速公路工程的太阳能发电系统 平 均 每天总共 能够发电约 134.28 度。整个 工程的 负载每天消耗 68.64 度电。 假 设应用常规的市电高 压钠 灯， 平 均一 个 高 压钠 灯功率在 250W400W ， 一 天平 均 按 12 小 时计算， 64 盏 高 压钠 灯的 总共 可以发电 192307.2 度。 按照系统的 负载 用电 量而言 ，该系统 每天至 少可为用 户 节 省 约 130240 度市电，一年 便 可节 省下 4745086400 度电。 如果按 照一度电 0.9 元 计算一年 下 来单单 负载耗 电 量 的节 省 成本 就 为4270577760 元 。其中并不 包括 高 压钠 灯的 镇流 器 耗 电 量 以及 线损 的 耗 电 量 。 如果 算上 镇流器和 线损 的 耗 电 量 ， 起码最 少节 省 成本约 5 万 到 8 万元之 间。 如果按 照系统的 总 节能计算该系统能够为用 户 节 省每天 节 省 电能 260.64375.64 度，全年节 省 成本约为 1013 万之 间。（ 2） 本系统 每天总 发电 量 为 134.28 度电， 而负载 的 耗 电 量 为 68.64 度，可 见 发电 量 为 耗电的 1.9 倍 ， 其中还有 很 大的使用 空 间， 如果 把 整个 系统的发电 量 充分 利 用， 还能节 省 现有成本的 1.9 倍 ，节 省 成本 最 少在 1924.7 万之 间。二 环境效益太阳能光伏照明系统是 利 用太阳能光伏发电系统原理来工作的，不 消耗 化 石 燃料，无二氧化碳、二氧化 硫 等有 害 气 体 的 排放 ，清洁 干 净，环境效益 良好 。太阳能光伏照明系统 每 年提供的电 量 为 21681[kWh] ， 即 电力照明灯系统年 消耗 电 量 。根据相 关部门 发 布 的 数 据， 煤 燃料 火 力发电 每 生产 1 kWh 电， 将 产生 0.92 千克 的 CO2。 假 设电力照明灯系统电能来源为 煤 燃料 火 电， 则 收费站太阳能照明灯系统年减少 CO2 排放量 为 21681[kWh] 0.92 [ 千克 CO2 /kWh] 19947[ 千克 CO2]，服务区太阳能路灯系统年减少 CO2 排放量 为 57816[kWh] 0.92 [千克 CO2/kWh] 53191[ 千克 CO2]， 。三 社会效益太阳能光伏照明系统在高速公路收费站及服务区的应用，充分的 利 用收费站及服务区 基础 设 施 实现了节能环保的理 念 ， 同 时通过 双 电源切换 装 置与现有电力供电系统实现互补，极大提高了系统供电的 科学 性与可靠性，对于 带 动人 们观念更 新、环保 意识 增 强 及 科 技文化进步 发展 意义 重大，它也是 社 会稳定、经 济繁荣 的重要 标志 ，其 社 会效益 显著 。五、结论集中式市电互补太阳能路灯及雨棚灯供电系统 每天总 发电 量 为 134.28 度电， 如果 全 部 把整个 系统的发电 量 充分 利 用，还能节 省 现有成本的 1.9 倍 ，节 省 成本 最 少在 1924.7 万之 间。上 述将 收费站、 服务区高 压钠 灯照明系统与太阳能光伏照明系统从运行成本、 投资回收期等 2个 方面进行了分析，其收益 显著 ，在寿命期回收 初 始投资成本的 同 时， 仍 可节约大 量 的电费。[参考文献 ] [1]． T.C Kandpal, H.P Garg, Financial Evaluation of Renewable Energy Technologies, P.47 。[2]． T.C Kandpal, H.P Garg, Financial Evaluation of Renewable Energy Technologies, P.58 。[3]． Gordon J M. Optimal sizing of stand-alone photovoltaic solar power systems. Solar Cells, 1987, 20295-313 。[4] PV Standalone System in Traffic 。Signal Application ,Qiong Wang， 2009/11， Graduation thesis in European Solar Energy Engineering School 。[5]CHAPMAN R. N. Development of sizing nomograms for stand-alone photovoltaic/storage systems [J], Solar Energy, 1989,432, 71-76