论风光互补LED 路灯在电厂中的应用

薛惠敏，朱海岩

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

风光互补路灯是一个新兴的能源利用领域，发电厂道路照明传统设计一般采用高压钠灯光源，但随着新兴能源风光互补LED 路灯的推广和使用，已经有越来越多的业主使用该照明技术以降低电厂厂用电消耗。以单灯为例，假如将电厂250 W 的高压钠灯改用100 W 风光互补LED 路灯，并且每盏路灯每天工作12h，1年可节电800kW·h以上。假设将某电厂100 盏传统路灯全部改用风光互补LED 路灯，10年就可节电80×104kW·h，使电厂达到了节能的目的，因此，风光互补LED 路灯作为电厂户外照明装置，已经有越来越多的电厂采用，从而降低了厂用电率，提升了节能空间。

1 风光互补LED 路灯的工作原理与结构组成

风光互补LED 路灯的电源来自于太阳能和风能，不需与外部电网连接，是一套独立的照明电力系统，该系统的工作原理：一种是利用自然风作为动力，把风能转变为电能，经过控制器的整流、稳压作用，把交流电转换为直流电，向蓄电池充电并储存电能；另一种是利用光伏效应将太阳能直接转化为直流电，供负载使用或者储存于蓄电池内备用，二者同时工作，相辅相成，提高了供电的可靠性和稳定性［1］。

风光互补LED 路灯一方面利用风光互补提高一次能源转化率，增加电能的存储；另一方面采用高效节能的LED 灯作为照明光源，延长照明时间、改善照明效果。它采用风力发电机将风能转化成电能，并根据不同的地理和气候环境选择配置不同的型号，在有限的条件内最大限度地利用风能。太阳能的利用一般采用太阳能光伏板，单晶硅电池板作为光电转化组件被广泛地应用，其能量转换率较高，大幅度地提高了太阳能的发电效能。两者互相补充，可以弥补单一能源不足时导致的照明电力不够，从而引起LED 灯无法正常使用的问题。

风光互补LED 路灯控制器，是风光互补路灯系统内主件，它起着发号施令与协同工作的作用，集光控亮灯、时控关灯、自动功率跟踪、自动卸荷、过充和过放保护功能于一身的功能，控制器性能的优劣直接影响蓄电池的寿命。

风光互补LED 路灯应采用高性能大容量免维护胶体电池，为该灯的整体系统提供充足的电能，保证在连续阴雨天时LED 光源的亮灯时间，提升了系统的稳定性。

LED 光源可直流低压供电，功率小，耗能低，是传统高压钠灯功率的一半左右，故大大降低太阳能板和蓄电池的配置。

2 风光互补LED 路灯用于电厂的可行性分析

风光互补LED 路灯主要用于电厂的道路和厂前区的庭院照明。发电厂厂址通常选择在远离城区的开阔、平坦地域，与大自然风貌融为一体，其中2×600 MW级燃煤电厂占地面积约为36×104m2；2×300MW 级燃煤电厂占地面积约为26×104m2，道路广场系数约为13%～15%，同时厂区内的建筑物之间距离较大，道路以双向车道（7m 宽）为主，单向车道（4m 宽）为辅，道路宽阔，因此厂区自然风力较强，日光充足，为使用风光互补LED 路灯提供了良好的前提条件。

2.1 风能和太阳能分布分析

我国的风能资源比较丰富，据国家气象局估算［2］，东南沿海区域、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3m/s以上的时间近4 000h左右，一些地区平均风速可达7m/s以上，在这些地区风力就具有很大的开发利用价值。

我国同时又是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年日辐射量在4kW·h/（m2·d）以上，特别是西藏西部地区，日辐射量在6.4kW·h/（m2·d），居世界第2 位。我国依据各地接受太阳辐射量的多少，将全国各地分为5类地区，其中宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部为太阳能最为丰富地区，因此，我国的风能和太阳能几乎遍布全国，尚有待开发，而发电厂接近大自然，不论是从能源的利用，还是从节省煤炭资源以及环境保护等诸多方面考虑，风光互补LED 路灯的前景都是可行的、广阔的，并且最终必将与国际接轨。

2.2 LED光源性能分析

LED 光源的性能［3］主要体现在以下几个方面。

a.寿命：能使用5×104h 以上，寿命长于所有光源，光衰小，能有效减少电厂维护量。

b.光效：虽然传统钠灯光源有较高的光效，通常为64～140lm/W，但钠灯光源在道路灯具中，只有40%的光通量直接照射到路面上，其余光是通过灯具的反射罩二次投射出灯具，而一般灯具的反射器效率仅为50%～60%，路灯灯具效率仅为70%，故高压钠灯路灯的整体光效可达42～91lm/W。反观LED 路灯，二次配光设计使90%以上的光直接投射到路面，灯具整体光效能达到108lm/W，因此LED 路灯可与高压钠灯媲美，整灯光效优于传统路灯。

c.照度：LED 光源在中低照度区域具有较大的应用优势。电厂主干道的照度值要求不高于10lx，而7m 宽的道路，路灯间距25m，LED100 W 的平均照度值可以达到15lx以上，高于要求的标准值。

d.显色性能：LED 光源的白光显色指数可以达到70，色温适中：5 000～6 000K，相比高压钠灯，光色更为自然。白光LED 具有较高的中间视觉等效光效，即在中间视觉条件下的亮度提高约40%，而此时“黄光”高压钠灯的等效光效要降低约30%。LED 的高显色性无疑有助于司机及行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。

e.启动性能：不受环境温度限制，可工作在连续开关闪断的状态下，瞬时热启动，性能优于传统气体放电灯。

f.防护性能：LED 采用环氧树脂包裹结构，密封性能好，且防尘防水设计不受发热限制，防尘防水性能良好。整套LED 路灯的防护等级可达到IP65，适合户外照明。

g.安全：LED 无危害健康的元素，无汞污染，即使灯具脱落甚至破碎，对人身和环境造成的影响也较小，故其安全性能优良。

h.抗震性：LED 是半导体材料，无灯丝及其他附加材料，因此它的抗震性好。

i.可调性：LED 可实现0～100%连续调光，可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出，在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。

可见，风光互补LED 路灯光源的各项性能均为优异，不仅能完全满足发电厂道路和厂前区庭院的照明，而且其照度性能高于传统路灯。

2.3 风光互补LED路灯与传统路灯案例对比分析

某2×600MW 电厂，厂区道路总长约3.5km，道路宽度为7m，现将风光互补LED 路灯与传统高压钠灯两种设计方案进行对比，见表1。

通过上述对比分析，可见风光互补LED 路灯除了初投资大外，与传统路灯相比，具有节能、寿命长、无延迟、环保、使用安全、免除人工操作等诸多优点；控制方面，风光互补LED 路灯由智能控制器控制，可分为时控、光控两种自动控制方式，兼具安全性和经济性；从工程施工角度看，自身独立一体的供电系统，不受大面积电路施工干扰，工序简单，工期短，维护更加方便。其使用的稳定性相对于传统路灯，风光互补LED 路灯以自然界中可再生的太阳能和风能为能源，不消耗任何非再生性能源。长此以往，对环境保护要求上极为有利，还降低了日后路灯所消耗的大量电费支出的成本，因此，风光互补LED 路灯在电厂道路照明中是优选的设计方案，具有很好的发展前景。

3 风光互补LED 路灯用于电厂的经济性分析

本文仍以案例分析中的某2×600 MW 电厂为例，对风光互补LED 路灯的经济性进行分析，并同传统的高压钠灯光源进行对比计算，计算中所涉及的其他原始数据做如下假设：常规路灯价格为4 000元/盏，120盏；风光互补路灯价格为15 000元/盏，140盏；路灯运行时间为10h/天，上网电价为0.38元/（kW·h）。其中：高压钠灯路灯的挖沟、敷设管线费用单价20元/m，共3 500m；配套电器费用（成套电器、箱体、引线等）中，时钟、光控配电箱1 600元/个×5个再加上配套费用100元/盏×120盏；镇流器损耗20%、线路损耗12%；光源寿命及更换费用中，LED 寿命可达5×104～10×104h，不需更换；高压钠灯寿命1.2×104h 左右，250 元/盏×120盏×4次（10年需要更换4次高压钠灯光源）；高压钠灯路灯的维护费用120元/年×10年×120盏；风光互补LED 路灯需5～10年更换一次免维护蓄电池费用：500元/只×2只×140盏；废旧蓄电池回收费：60元/只×280只。风光互补LED 路灯与高压钠灯的经济分析见表2。

表1 道路照明两种方案技术、维护指标比较

表2 风光互补LED路灯与高压钠灯路灯的经济分析 万元

由经济分析可见，风光互补LED 路灯尽管节约电能，但初投资费用高，约为传统灯具的3倍，这也是目前有些建设单位不愿采用的主要原因。可以看出，随着灯具的持续使用，只有使用时间越长，风光互补LED 路灯的经济性能才能凸显出来，从现有的技术经济性来讲，直到持续时间达到25年左右时，二者的经济性才能基本接近持平，超过25 年时，LED 灯经济的节省性才能明显优于传统灯具，到30年时，LED 灯节省下来的费用可比传统高压钠灯多8.4%。

因此，要想大力推广使用风光互补LED 路灯，首要的解决方案是优化风光互补技术、降低设备材料成本。

4 环境效益分析

传统路灯每套路灯10年耗电10 950kW·h，按照火力发电标准煤耗299g/（kW·h）计算，共计消耗标准煤3.27t。一座2×600 MW 的电站，仅道路照明这一项10年耗煤392.4t，增加污染物碳粉尘2 606.1t排放，二氧化碳约10 000t，二氧化硫288kg，氮氧化物143.45kg。碳粉尘污染环境，引起呼吸道系统疾病，影响人体健康；二氧化碳排放会使地球表面升温，产生“温室效应”；二氧化硫、氮氧化物会形成“酸雨”，会使水库、江河、湖泊的酸度增加影响植物生长、鱼类繁殖，加速了建筑物、文化资源的侵蚀程度。而风光互补LED 路灯能源消耗和污染排放量均为零，在环境效益方面占有绝对优势，因此在发电厂风光互补LED路灯需要大力推广和应用。

5 结论

由于独特的技术结构和发光原理，风光互补LED 路灯具有稳定性能好、免维护、高光效、长寿命的优点，对电厂工作环境的适应性好，照明性能也能充分满足电厂内厂区道路和厂前区照明的需求。

通过对电厂采用风光互补LED 路灯的经济性分析，并同以高压钠灯为代表的传统光源技术进行对比，发现在长期运行的模式下，风光互补LED 路灯的经济性优于高压钠灯。

随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及设备材料成本的降低，它的社会环境效益将越发显著，作为现阶段最清洁、绿色环保的新能源发电系统实用化产品的代表，风光互补LED 路灯在电厂工程照明中必将获得更为广泛的应用。

［1］ 付艳.风光互补型LED 路灯的应用［J］.科技致富向导，2012，（17）：221－223.

［2］ 中国气象局.中国风能资源评价报告［M］.北京：气象出版社，2006.

［3］ 陈海华.发电厂设计采用LED 照明的探讨［J］.浙江电力，2013，32（9）：29－32.