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 115盏LED灯头120W/220V 15太阳能电池板支架9900W 1套市电切换、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 123盏LED灯头220V/80W 23太阳能电池板支架9360 1套汇流、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：S n= a1×n＋n(n－1)d/2=1.95×25＋25×24×0.1084÷2=81.27万元；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÷25=3.25万元；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 5.4+15.84=21.24万元，平均每年运行成本为21.24÷25=0.8496万元。
（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：N=(C1–B1)/(B-C)=(48.56-5.425)/(3.556-0.8496)=15.9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：S n= a1×n＋n(n－1)d/2=5.983×25＋25×24×0.2991÷2=239.305万元；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÷25=9.5722万元；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8.28+31.68=42.72万元，平均每年运行成本为42.72÷25=1.7088万元。
（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：N=(C1-B1)/(B-C)=110.54-23.2)/(10.3882-1.7088)=10.06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。