两种公路照明用太阳能接收装置的经济性分析_经济分析

论文导读:：国内外的太阳能接收装置一般分为两种：跟踪阳光式和非跟踪阳光式。评价太阳能接收装置的经济性指标通常有：装置组成经济性、光伏转换率的经济性、日常运行维护经济性和能源、材料使用的经济性。从经济指标的几个方面分析，跟踪式太阳能接收装置用于公路照明的经济性全面优于非跟踪式。可以看出，跟踪阳光式接收装置用于公路照明的经济效益是非常巨大的，而且低碳环保，值得全社会推广和应用。
论文关键词：太阳能，跟踪，接收装置，经济分析
 

0引言

面对如今严重的能源危机，使用太阳能拥有很多优势。太阳能属于再生能源，目前常见的再生能源主要有风能、水能、太阳能和地热，其中，太阳能是总体上最可利用的再生能源。与风能相比，稳定性较强，受季节、季风影响较小；与水能相比，太阳能地理位置局限性较小。地热跟水能一样，受地理位置的局限性，而且有足够的地热可以发电的地方并不多[1]。所以国内外专家学者都在对其进行大量的研究，但光-电转换收集太阳能的效率问题，各国的装置普遍都较低。目前，太阳能接收装置分为跟踪式和非跟踪式：非跟踪阳光接收装置，即固定式，太阳能接收板朝向固定，不随阳光移动而变化；跟踪阳光接收装置则是接收板随着阳光偏移而自动转向，像“向日葵”跟随太阳旋转一样。

纵览国内外的种种太阳能电池，绝大多数是采用非跟踪式接收装置，这种方式下提高光-电转换效率的研究方向主要有提高采光面积，研发蓄电池新型材料及智能充放电和控制灯具关、开等。但是，随着阳光的移动电池板与阳光投射倾角不同经济分析，所以非跟踪式太阳能接收装置每个时段获得的太阳能是不等的[2]，因此光-电转换太阳能的总效率低。在此基础上，人们开始研究如“向日葵”跟随太阳旋转的光伏电池，但因为成本高，控制精度不够，使用寿命短，维修和维护成本比非跟踪式接收装置更高等原因无法推广。本文便是在研制了阳光跟踪器自动控制方案后，对非跟踪式和跟踪式两种接收装置在太阳能公路照明应用方面进行的经济分析。

1评价公路照明用太阳能接收装置的经济指标

太阳能接收装置经济性分析指标一般涉及四个方面：

（1）装置组成经济性，即一次性投资成本。在得到足够的电能转换前提下，与传统照明系统相比，太阳能的少去了设置照明供电系统和照明配电系统两部分，而非跟踪式和跟踪式太阳能接收装置的一次性成本都包含成套照明灯具和安装工程量（灯具安装和调试）两部分。因此，在评价这个方面时，需从成套照明灯具和安装工程量两个方面来分析。

（2）光伏转换率的经济性，即在除跟踪与非跟踪区别之外系统其他部分完全一样的条件下，日常工作时，两种太阳能接收装置的转换效率。太阳能光伏系统的总效率由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率及负载的效率等组成。目前，太阳能电池的转换率只有17%左右，而控制器、蓄电池均远高于此。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价可提高太阳能发电产业化的经济性。

（3）日常运行维护的经济性。在照明系统投入运行后，就会有运行成本产生，与它直接相关的系统日后投入包括经费和人力。传统照明系统的运行维护成本一般由人力定期巡查成本、产品更换成本等两大部分组成。目前，太阳能照明系统运行检查尚无相关规定予以规范，运行过程中的监控一般是采用遥控巡检测试为主，人力现场定期检测为辅的方式。遥控巡检测试一般的检查内容有：太阳能电池状态、充放电状态、照明器运行状态等。人力定期巡查成本可忽略不计，而遥控检测的设备已在一次性投资中计算过了，在运行维护成本中无须再计算核心期刊目录。太阳能照明系统的产品更换成本，没有供配电线路维护、更换和配电箱维护、更换成本，但有控制设备的更换、灯具的损坏更换等。因此，日常运行维护的经济性主要是由产品更换成本来反映。

（4）能源、材料使用的经济性。传统照明系统的能源消耗一般包括电能消耗和金属铜消耗两部分。与传统照明系统相比，太阳能照明系统的电能直接由太阳能电池板转化提供，没有铺设供配电线路网络，所以供配电系统电能损耗几乎为零。太阳能转换效率足够时，可以不使用国家电网的电能。另外，太阳能照明系统没有长距离的电能传输配电线路，所以配电导线用量与传统公路照明系统相比可忽略不计。因此，太阳能照明系统在能源、材料使用的经济性上较传统照明系统有无可比拟的优势。另外，从节能和环保的角度考虑，它降低了碳排放量更是值得大力推广。

2跟踪阳光式接收装置在公路照明中的应用

2.1太阳能公路照明现状

中国人口众多，而能源却相对贫乏，人均资源占有量不足世界人均值的1/2，按照现在中国的能耗，我国将在全球率先面临石化能源枯竭的挑战。为了缓解能源紧缺的现状经济分析，发展可再生能源越来越紧迫，太阳能的利用应当引起广泛的关注。而太阳能用于公路照明是太阳能应用的典范，因为这种应用有很大优势：在公路上一般无太阳的遮挡物，太阳光照比较充分；另外公路一般为政府统一规划，易统一安装使用先进的公路设施、设备。但是目前国内太阳能公路照明的应用尚处于起步阶段，几组典型数据如表1所示。

表1 国内公路照明太阳能应用情况

国外太阳能应用进展较国内的要快一些。目前全世界有136个国家正在普及推广应用太阳能发电技术，其中95个国家正在大规模研发和生产各种太阳能发电设备和太阳能电池应用产品。2005年全世界太阳能电池电能总产量已经达到2000MW。其中日本发展较快，太阳能电池产量约占世界总产量的50%，10年内太阳能电池的每瓦成本下降90%。2001年时日本太阳能发电设备累计总装机容量为450MW，2003年为887MW，2004年达到1900MW，估计到2008年达到2350MW，2010年达到5000MW。2010年全世界太阳能发电设备累计总装机容量达到18000MW。

2.2跟踪阳光式接收装置在公路照明中应用

公路照明用跟踪阳光式太阳能接收系统的设计，主要需进行灯具选择和控制方案选择。

（1）灯具选择。传统的公路和城市道路照明沿用的是普通型高压气体放电灯，如普通型高压钠灯，它的特点是光效高、寿命长，但光色较差。近年来，人们的目光开始注意到一种新型功率型LED照明灯具。LED是一种固态半导体器件，它具有体积小、寿命长、可靠性高、能在低压环境中工作等优点。LED路灯比传统路灯的性能要高，综合节能60%以上。虽然LED路灯的成本高于传统路灯的3倍，但从长远考虑，就3公里道路LED高出的成本在未来的2.74年即可用它节省的电费来补偿，所以现在公路照明灯具选择LED灯更加合理。

（2）控制方案选择。目前国内外已有的跟踪式太阳能接收装置的跟踪方式可分为单轴太阳能跟踪器和双轴太阳能跟踪器两种。由文献[3]可知：双轴跟踪系统能够最大效率的利用太阳辐射能量，单轴跟踪系统的利用率虽然比双轴跟踪系统的稍低，但比固定安装式系统的高，其控制也较双轴跟踪系统简单。

单轴跟踪系统一般采用： ①倾斜布置，东西跟踪；②焦线南北水平布置,东西跟； ③焦线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪,工作原理基本相似[4]。比如，按地区日照平均值选择太阳能电池板南北向倾角固定安装，利用单轴控制器实施对同步电动机的控制，同步电动机带动太阳能电池板根据日照情况每隔一定时间东西向旋转一个固定角度，这样便实现了对阳光能量的跟踪式接收。中国西北地区的纬度高使得它的日照时间较长，太阳能非常充足，系统利用率也高，更易提供公路照明所需的电能。因此，像西北地区这样太阳能较充足的地带，更适合采用单轴太阳能跟踪器。

单轴控制方案虽能完成跟随太阳光线并进行适时的调整其入射角，但它还存在不足。对于如浙江省这样光照不是很充足的地区，若只按一个方向控制太阳能电池板还是不能充分提高太阳能的利用率。解决方法是：根据系统所在地域的纬度和经度设置两台电动机进行阳光跟踪。阳光可以分解为2个分量，一个垂直于太阳能电池板表面，另一个平行于电池板表面，前者的辐射能被电池板吸收转换，后者则不然。实际使用时应尽量使阳光和电池板法线的夹角即入射角θ小。阳光入射角θ不仅随每天的日照时间变化而且也随季节变化经济分析，因此固定一个方向安装的太阳能电池板不能充分吸收太阳辐射能量。双轴跟踪就是将太阳能电池板绕2个互相垂直的纬度和经度角转轴旋转，能同时跟踪太阳的方位角和高度角，在理论上可完全跟踪太阳的运行轨迹以实现入射角θ为0°。这就是全跟踪即双轴（经纬）太阳跟踪，因此像浙江省这样太阳光照不是很充足的地带，更适宜采用双轴太阳能跟踪器。

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