城市LED路灯照明节电效益分析

刘桂涛，白敬中

（1.孝感学院，湖北 孝感 432000；2.中国市政工程中南设计研究院，武汉 430010）

随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在节能环保两方面具有双重优势，太阳能LED路灯在北方光照条件较好的城市道路照明改造上的应用已经越来越广泛。

LED路灯照明系统采用太阳能电池板系统供电，不需要铺设复杂管线，节能、环保、使用寿命长，是一种高效的绿色照明系统。本文以某城市道路照明改造成LED路灯照明工程实践为例，分析改造后的节电效果。

1 工程概况

本工程为某县城南工业区路口至洛阳桥路灯工程，全长13495 m，道路照明工程已经运行了15年，由于该县城南边新修筑了一条Ⅱ级主干道，而且该县地处北方，太阳光充足日照好，现拟将该道路照明工程改造成太阳能供电LED灯照明。改造前照明标准参照城市Ⅱ级主干道选取，机动车道平均照度按不小于30 lux，均匀度等于0.4设计；照明负荷等级为三级，由县电网提供10 kV电源，经专用路灯变压器（SCB10-10/0.38 kV）变压后，采用220 V向各路灯单相供电；灯具采用双侧对称布置,为半截光型，仰角12°；光源为高压钠灯SON-T250 W；灯杆高度为12 m，安装间距35 m，并布置在绿化带中。经统计，高压钠灯泡、灯具、镇流器、启动器、电容器、熔断器、灯杆均为770套（支、根），路灯箱式变压器、路灯控制箱均为9套。改造后原道路照明标准参照城市Ⅱ级次干道选取，机动车道平均照度按照度为20 lux左右，均匀度等于0.35设计，光源为LED灯，并由独立的光伏电源系统供电，LED灯和光伏电源系统均为770套。

2 太阳能LED路灯系统的构成

图1为太阳能供电LED路灯系统的结构图。系统主要由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、LED灯、灯杆等构成。系统不同工作状态的控制转换和相应的管理策略由基于单片机的充放电控制电路实现［1］。

图1 系统结构图

控制信号为太阳能电池输出电压。在白天光照条件下，控制电路检测到太阳能电池有正常输出，则开启充电电路，关闭放电电路，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，输出端开路，则关闭充电电路，开启放电电路，蓄电池将储存的化学能转换成电能输出到照明负载［2］。

太阳能电池板是太阳能路灯的核心部分，太阳能电池板是带有PN结的半导体器件，根据光生伏特原理，能将太阳光能直接转换成电能［3］。LED作为环保节能型半导体光源，是太阳能路灯最为理想的光源，LED路灯中运用了功率电子技术，设计了驱动器，用于提供稳定的电源；同时设计了高效率增强以及超节能脉冲宽度调变（PWM）2种输出模式，配合时间控制，可以在需要的时候（上半夜天黑人多车多的时候）以高效率增强模式点亮LED路灯，提供良好的照明，而其它时间段（后半夜人车稀少的时候）则以超节能模式输出，节约蓄电池的电力的消耗，延长路灯工作时间［4］。

3 效益分析［4—6］

改造前，采用高压钠灯进行城市道路照明，经计算初投资相对较少，但需对光源和镇流器进行更换和维护，而且因道路照明时间很长（10 h/晚），需要消耗大量市政电网供给的电能，后期费用大。改造后，道路照明采用太阳能电池板系统供电的LED灯进行照明，若太阳能供电LED路灯系统成本以杆高每米1000元计算，初投资比较大，但城市道路照明完全不需要市政电网供给电能，能节约大量电能，后期费用小。

3.1 改造前采用高压钠灯照明所需设备材料

根据设计图纸统计，改造前采用高压钠灯照明所需设备材料如表1所示。

表1 使用高压钠灯照明时所需设备材料

3.2 改造后所需设备材料

根据设计图纸统计，改造后采用LED路灯照明所需设备材料如表2所示。

表2 使用LED路灯照明时所需设备材料

3.3 高压钠灯与LED路灯成本分析

高压钠灯的使用期是10000 h，LED路灯的使用期是50000 h，按照每天10 h照明计算，LED路灯可使用13.7年，是高压钠灯的5倍。在LED路灯使用期内其蓄电池需更换4次（3.5年更换一次，单价为455元/只），高压钠灯泡和镇流器需更换5次（高压钠灯泡和镇流器共计200元/只，人工机械费每次200元/只），结合表1和表2中的数据，该道路安装2种路灯的成本如表3所示。

3.4 节电量

该道路每天共照明10 h，按每年365 d计算，770套300 W高压钠灯（含镇流器损耗50 W）一年的节电量为843150 kWh。太阳能LED路灯的寿命为13.7年，则在13.7年内用太阳能LED路灯代替高压钠灯一共可节电1155.12万kWh。

3.5 经济效益

近期按电价0.9元/kWh计算，一年可节约电费支出75.88万元。在太阳能LED路灯有效使用期13.7年内，若考虑电价上涨因素，按平均电价1.65元/kWh计算，未来13.7年预计可节约电费支出约1905.94万元。若不计算太阳能LED路灯蓄电池更换的费用，太阳能LED路灯比高压钠灯多投资582.41万元，用节约电费与之比较，则4.18年即可收回多投资部分。由表3可知太阳能LED路灯比高压钠灯投资成本多支出722.55万元（含蓄电池更换费用），扣除多余支出，13.7年内实际节约资金1183.39万元。

表3 高压钠灯与太阳能LED路灯成本分析表 万元

3.6 社会效益

以燃烧煤炭的火力发电为参考，计算节电的社会效益。根据统计：每节约1kWh电，就相应节约了0.4 kgce，同时减少污染排放0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳（CO2）、0.03 kg二氧化硫（SO2）、0.015 kg氮氧化物（NOx）。按13.7年内节电1155.12 kWh计算，则可节约4620.48 tce，同时减少污染排放3141.93 t碳粉尘、11516.55 t二氧化碳（CO2）、346.54 t二氧化硫（SO2）、173.27 t氮氧化物（NOx）。

［1］吴波，盛戈皞,曾奕，等.多电池组太阳能光伏系统的设计与应用［J］.电力电子技术，2008（2）：45-47.

［2］吴理博，赵争鸣，刘建政，等.独立光伏照明系统中的能量管理控制［J］.中国电机工程学报，2005（22）：68-72.

［3］赵争鸣,刘建政,孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［4］刘桂涛，白敬中.太阳能LED路灯在道路照明中的应用［J］.孝感学院学报，2009（6）：74-76.

［5］王建华，王金安.高效电子镇流器在超市节能照明中的应用［J］.电力需求侧管理，2008（4）：46-47.

［6］童显海，曾武，丁航，等.中国绿色照明工程节电效果和经济效益统计计算方法的研究［J］.中国照明电器，2003（1）：22-23.